[發明專利]激光原位強韌化鎂基納米復合材料骨植入體及其成形方法

有效

• 申請號: 201810400426.4
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108588520B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 夏木建;劉愛輝;林岳賓;李年蓮;丁紅燕;丁鉦煒;陳中
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C23/02;C22C23/04;C22C32/00;C22C1/05;B22F9/10;B22F3/105;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 吳飛

本發明公開一種激光原位強韌化鎂基納米復合材料骨植入體及其成形方法，該骨植入體包括鎂合金骨植入體基體，其內部分散有原位生成的具有協同強韌化功能的納米TiN和BN陶瓷相。其成形方法包括如下步驟：稱取醫用鎂合金粉末與納米TiB₂粉末，在高純氬氣與氫氣混合氣氛下，混合球磨獲得均勻分散的復合材料粉末；采用真空熱壓燒結工藝將復合材料粉末制成棒料；通過等離子旋轉電極工藝將棒料制備成高球形度鎂基納米復合材料成形粉末；獲取骨植入體三維模型，通過激光選區熔化工藝在高純氬氣及高純氮氣混合氣氛下，將鎂基納米復合材料成形粉末成形得到原位納米TiN、BN陶瓷相協同強韌化的鎂基納米復合材料骨植入體。該骨植入體具備優異的力學性能。

技術領域

本發明涉及一種復合材料骨植入體及成形方法，特別涉及一種激光原位強韌化鎂基納米復合材料骨植入體及其成形方法。

背景技術

在常見醫用骨植入體材料中，陶瓷材料因脆性太強在體內沖擊載荷情況下存在破壞的風險；高分子材料往往表現為強度、剛性、穩定性較低，難以滿足植入體服役性能需求；金屬材料由于具有良好的綜合力學性能，在骨科、口腔修復和心血管治療等領域一直有著廣泛的應用。

鎂是人體內僅次于鈣、鈉和鉀的常量元素之一，能夠激活多種酶，參與體內一系列代謝過程，促進鈣的沉積，是骨生長的必需元素；鎂合金的密度及彈性模量更接近于自然骨，可有效緩解應力遮擋效應，促進骨的生長和愈合并防止發生二次骨折；鎂合金在人體內降解生成鎂離子被周圍機體組織吸收或通過體液排出體外，同時，在緩慢的降解過程中以點蝕的形式降解，有利于誘導骨細胞在其表面鈣化，并有利于促進患處骨組織的愈合。相對于不銹鋼、鈷鉻合金、鈦合金而言，上述諸多優點促使鎂及鎂合金材料成為當前骨植入體材料領域的研究熱點之一。

通常，植入物在暴露于具有較強侵蝕性的人體生理環境中須承載一定的載荷。如，人體髓關節植入物在人正常步態行走時，須承載約4倍于人體重的載荷，交互應力與侵蝕性生理環境的共同作用，極易引起植入物斷裂失效。因此，鎂及鎂合金骨植入體的強度及韌性均需進一步提高。現有技術通過以下途徑以提升醫用鎂合金的力學性能：

(1)元素合金化。加入合金化元素鋁提高鎂合金的力學性能及腐蝕性能，加入鋅元素來細化鎂合金凝固組織，進而增強細晶強化效應，一方面加入合金化元素對鎂合金力學性能提升有限，同時合金化元素對人體產生不良反應，如引起的過敏、炎癥等；

(2)表面改性。采用陽極氧化、微弧氧化等表面改性工藝在鎂合金表面形成氧化膜，以提升鎂合金的性能，但薄膜與基體結合強度有限，在人體內服役過程中，交互應力作用下極易脫落，進而惡化患者病情，即使采用微弧氧化工藝制備與基體產生冶金結合的陶瓷膜，但該微弧氧化膜層硬度較高，難以與人自然骨形成良好的力學匹配；

(3)熱加工。通過熱加工方法改善合金的顯微組織，使雜質元素及第二相固溶到晶粒內部或分布更彌散，以提升鎂合金的力學性能。

此外，人體骨骼的空間結構異常復雜，并因患者人群年齡、性別等不同而使其結構呈現較大差異，而傳統鑄造、鍛造等工藝制造鎂合金骨植入體的成本較高、制造周期長，難以滿足人體骨植入體的個性化定制。

激光選區熔化技術作為一種基于增材原理的復雜金屬構件的精密制造工藝，可實現復雜構件的精密制造。通常情況下，激光選區熔化技術涉及到高能激光束與鎂合金粉體的瞬態交互作用，而鎂合金電阻率低導致其對高能激光束的吸收率較低，這是制約鎂合金材料進行激光選區熔化成形的首要問題。其次，鎂合金的熱導率高，激光選區熔化成形鎂合金時須采用較高的激光功率將其熔化，但鎂的氧化性強，在激光的高能量密度條件下，易被氧化和氮化，生成脆硬的氧化物、氮化物而影響加工區域的性能。同時，鎂合金的熔點及沸點較低，在高功率作用下易發生元素的氣化燒損而影響最終構件的化學成分、組織及性能。

鑒于此，實現高性能、復雜結構鎂合金骨植入體的一體化制造是當前亟需解決的難題。

發明內容