凝胶注模成型制备医用多孔钛植入材料及其性能

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1、1758功能材料2007年增刊（38）卷*凝胶注模成型制备医用多孔钛植入材料及其性能李艳，郭志猛，郝俊杰，任淑彬（北京科技大学粉末冶金研究所，北京100083）摘要：应用一种新的近净成型技术——凝胶注模成料的生产工艺简单、成本低并且能够得到组织结构均匀型技术，成功制备大尺寸、复杂形状医用多孔钛人造骨的多孔金属材料，但是难以获得复杂形状制件，孔隙度[9,10]替代材料，并研究了凝胶注模成型工艺参数对浆料流动较低，并且模具成本较高、小规模生产成本高；浆特性、坯体强度及烧结体孔隙、力学性能的影响。研究料发泡法可获得较高孔隙度，缺点是难于控制

2、气泡大结果表明：预混液中有机单体的浓度、单体/交联剂比小，故难以获得孔径分布均匀的多孔材料，并且难以获[11]例以及固相含量是决定钛粉浆料表观粘度、Gelcasting得复杂形状。坯体强度的重要参数；对于医用多孔钛植入材料的凝胶凝胶注模成型技术的特点之一是可以通过改变料注模成型工艺，适合的预混液单体浓度为30%（质量分浆的固相含量来控制材料的孔隙度和力学性能，容易获[12~14]数），单体/交联剂比例为120∶1，浆料固相含量为34%得复杂形状、大尺寸制件，并且模具成本低廉。因（体积分数）；1100℃保温1.5h是凝胶注模成型多孔钛此，

3、将凝胶注模成型技术应用于多孔钛材料的成型，可较为适合的烧结工艺路线；所制得孔隙度46.5%、开孔以实现高孔隙度、高开孔率、孔洞宏观分布均匀的复杂隙度40.7%多孔钛的抗压强度158.6MPa、弹性模量形状大件医用多孔钛植入材料的生产。对水基丙烯酰胺8.5GPa，与自然骨基本匹配，适合作为人造骨替代材料。体系凝胶注模成型多孔钛材料的关键工艺进行了研究，关键词：多孔钛；凝胶注模成型；复杂形状；植入材料最终通过控制凝胶注模成型及烧结各项工艺参数，制得中图分类号：R318.08文献标识码：A孔隙、力学性能与自然骨基本匹配的复杂形状多孔钛材文章编

4、号：1001-9731(2007)增刊-1758-04料。1引言2实验多孔金属因其具有开放多孔状结构、允许新骨细胞2.1实验原料组织长入及体液的传输，并且其强度及弹性模量可以通实验采用市售－325目氢化-脱氢钛粉，粉末特性及过对孔隙度的调整同自然骨匹配，而被认为是较理想的化学成分如表1所示，颗粒形貌SEM照片见图1。科[1]生物医学植入材料，其中又以多孔钛及其合金为代研看出粉料表面粗糙且形状极不规则。表。多孔钛及其合金具有多孔三维支架的结构优势，三表1钛粉末特性维贯通的孔隙和合适的表面微孔结构为周围组织的长Table1Character

5、isticsandchemicalcompositionofTi入提供了支架，使组织与材料的结合具有一定的强度；powderApparentComposition(massfraction)(%)同时又兼备钛金属优良的化学、机械性能和生物相容Averagedensitysize(μm)3OHNCFeClSiTi性：钛是目前已知的生物亲和性最好的金属材料之一，(g/cm)并且在空气中易与氧反应形成致密氧化膜（TiO2），耐46.61.450.250.070.050.030.100.080.04Bal.腐蚀性强，植入后组织反应轻微；强度高、

6、密度低，弹性模量与人骨弹性模量接近；生物相容性好，生物界面[2~5]结合牢固。因此多孔钛及其合金在临床上得到广泛应用，如多孔钛髋关节用于矫形术、多孔钛种植牙根用于牙缺损的修复、多孔涂层钛合金用于无骨水泥型骨关[6,7]节柄等。医用多孔植入材料形状复杂、微小细节丰富而且尺寸因人而异，这就要求其成型技术小规模生产的成本低，并且坯体具有较高的强度从而保证保型性。目前，多孔金属材料的成型方法主要包括粉末冶金压制法、浆图1钛粉扫描电镜照片[8]料发泡法等。其中，粉末冶金压制法制备多孔金属材Fig1SEMmicrographofTipowders*

7、收到稿件日期：2007-04-27通讯作者：李艳作者简介：李艳（1979－），女，河北赵县人，博士研究生，研究方向为凝胶注模成型技术。李艳等：凝胶注模成型制备医用多孔钛植入材料及其性能1759有机高分子单体丙烯酰胺（AM）、交联剂N,N’-亚为了确保浆料能够在没有压力的情况下充分填充-1甲基双丙烯酰胺（MBAM）、引发剂过硫酸铵（APS）、模具，试验表明，浆料的粘度在剪切速率为20s时其[15]催化剂N,N,N’,N’-四甲基乙二胺（TEMED）均为分析纯。表观粘度应低于1Pa·s。浆料的表观粘度与粉末的2.2成型工艺过程性质如颗粒大小

8、和形状、预混液中有机单体的浓度以及水基丙烯酰胺体系多孔钛凝胶注模成型工艺见图2。固相含量等有密切的关系。MonomerCross-linker图3为水基丙烯酰胺体系钛粉浆料的表观粘度曲线，预混液单体浓度均为