尿素作为造孔剂制备泡沫钛的结构和力学性能

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1、第44卷第7期稀有金属材料与工程Vol.44,No.72015年7月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJuly2015尿素作为造孔剂制备泡沫钛的结构和力学性能肖健，邱贵宝，廖益龙，白晨光(重庆大学，重庆400044)摘要：采用针状尿素作为造孔剂，在造孔剂含量介于60%~80%的情况下进行了泡沫钛的制备。通过造孔剂技术成功地制备出孔隙率介于50.2%~71.4%的泡沫钛。扫描电镜结果表明，孔的连通程度随着造孔剂含量的增加而增加，当造孔剂含量超过70%时形成开孔泡沫钛。力学性能测试结果表明，力学性能随着孔隙率的增加

2、而减小，试样的屈服强度、抗压强度和杨氏模量分别介于34.4~146.8MPa、40.6~193.2MPa和0.5~3.3GPa。孔隙率为50.2%和71.4%的泡沫钛的杨氏模量分别匹配于皮质骨和松质骨的模量，理论上可作为潜在的骨替代材料。关键词：泡沫钛；造孔剂技术；微观结构；力学性能；生物材料+中图法分类号：TG146.23文献标识码：A文章编号：1002-185X(2015)07-1724-06近年来，骨缺损修复材料成为临床需求量最大的便宜且容易获取，这非常有利于节约资源和保护环境。生物医用材料之一。传统的骨替代材料均采用致密的因此，采用

3、尿素作为造孔剂来制备泡沫钛受到了研究[16]金属或合金，如钴镍合金、不锈钢、钛基合金等。相者的亲睐。例如，M.Bram第一次报道尿素作为造[17][9]对于其它金属，钛合金作为骨替代材料得到了更为广孔剂；W.Niu和M.Sharma分别采用球形状和针状阔的应用，这主要得益于其低的杨氏模量、耐腐蚀和尿素来制备泡沫钛，后者还研究了尿素的形状和含量[1-4][18][19]良好的生物相容性。然而，与具有多孔结构的骨骼对泡沫钛结构和力学性能的影响；N.Tuncer研究相比，致密的钛合金支架显然不利于新骨的长入和营了尿素颗粒的大小对泡沫钛结构和力学性

4、能的影响；[20]养物质的输送，限制了其在人体内的使用寿命。与此O.Smorygo将钛粉涂覆在球形尿素颗粒上，采用水同时，虽然可以通过调整合金成分来降低钛合金的力解尿素的方式来进行泡沫钛的制备等等。前人的研究成[16,17,20]学性能特别是杨氏模量，但其最低的杨氏模量（55果表明，尿素颗粒一般存在2种形状：近球形状[1][9,18]GPa）还是高于骨的模量（松质骨：0.02~0.5GPa，和针状（不规则），前者粒径较大（毫米级）而[5]皮质骨：3~30GPa）。当植入体的模量高于骨的模量，后者粒径较小（微米级）。当采用球形状尿素作为造孔[

5、16,17,19,20]将会导致应力遮挡现象的发生，使得植入体与骨的结剂时，易制备闭孔结构泡沫钛，而细小的针[18][19]合处发生松动，从而不利于植入体的固定甚至出现局状尿素（平均粒径分别为51和120μm）则易形部骨吸收现象。成开孔结构。然而，当M.Sharma采用粗大的（平均[18]令人欣慰的是，泡沫钛的出现为解决这个问题带粒径为224μm）针状尿素，孔隙率介于44%~64%来了曙光。这是因为，一方面多孔结构有利于新骨的长的泡沫钛全部形成闭孔结构，且当造孔剂的含量超过入和营养物质的输送，另一方面又可以通过改变孔结构60%时，生压坯在尿

6、素的脱除过程将发生坍塌和断裂。来调整其力学性能，特别是与骨的模量相匹配。因此，那么，采用粗大的针状尿素作为造孔剂，能否制备出[6,7]泡沫钛应用于骨替代材料具有非常诱人的前景。开孔泡沫钛以及造孔剂含量能否超过60%，这是已有当前，泡沫钛的制备常采用基于粉末冶金的“造孔文献尚未解决的问题。[8]剂技术”，英文名为“spaceholdertechnique”。这种技据文献报道，植入体的适宜孔径介于100~500[9][21]术采用一种临时性材料作为造孔剂，如尿素、碳酸μm。因此，首先筛分出粒径合适的针状尿素颗粒。[10][11][12][13]

7、[14]氢铵、镁、氯化钠、氟化钠、樟脑丸以及然后，为了制备出造孔剂含量超过60%的泡沫钛，造[15]淀粉等。相对于其他造孔剂，尿素一方面容易脱除孔剂的含量分别设定为60%，70%和80%。最后，对且脱除产生的气体不会污染环境，另一方面价格较为泡沫钛的制备过程、结构和力学性能进行分析讨论。收稿日期：2014-07-20基金项目：国家自然科学基金（51174243）作者简介：肖健，男，1989年生，博士生，重庆大学材料学院，重庆400044，电话：023-65111256，E-mail:xiaojian@cqu.edu.cn第7期肖健等：尿素作

8、为造孔剂制备泡沫钛的结构和力学性能·1725·测试试样的压缩性能，压头移动速率为1.5mm/min。1实验屈服强度定义为产生0.2%残余变形的应力值。商业高纯钛粉（平均粒径：32