医用多孔β钛合金的制备方法研究进展(2)

Tβ=102()-273

1.3 多孔结构

与致密材料比较，多孔结构可降低材料的弹性模量。多孔β钛合金具有类似于人体骨的孔特征，其孔隙率的大小及孔结构的均匀性、连通性显著影响着合金的力学性能。研究证实：①植入体孔径在15～40 μm时，有利于纤维组织的生长；②孔径在40～100 μm时，促使矿物类骨组织的生长；③孔径大于200 μm时，可能具有骨传导作用；④孔径在200～400 μm时，能有效促进新骨生长；⑤孔隙率超过30%，孔结构能够彼此连通，通孔有利于体液传输，有利于组织再生[24-25]。

孔隙率的大小不仅影响植入体的强度，还影响植入体的密度，导致弹性性能发生变化。因此，可根据植入体弹性性能匹配需要的不同，控制孔隙体积容量、平均孔隙尺寸和相互连接通道尺寸，制备出具有一定强度并与人体骨弹性模量相适应的骨骼替代材料。

2 多孔β钛合金的制备方法

多孔β钛合金是以β钛合金作为基体，采用不同的加工工艺，制备出具有不同孔隙结构特征的多孔β钛合金，其力学性能及生物性能不同。因此，如何选择合适的制备方法，如何调整工艺参数，从而制备出具有与人骨相似孔隙特征及优良生物相容性的多孔β钛合金是主要的研究方向。

多孔β钛合金的制备方法有很多，根据制备过程中金属所处的状态、钛合金中β相的稳定性及制备技术手段的不同通常分为粉末冶金法、凝胶注模成形法、激光快速成形技术(3D打印技术)[26]。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法是以金属粉末或金属粉末与造孔剂的混合物作为原料，通过成形、粘合、烧结等步骤使金属粉末发生部分致密化，从而制备出具有一定孔隙结构的材料[9]。这种方法在新型材料的技术研究方面，尤其是医用多孔β钛合金材料的制备方面有着广泛的应用[27]。影响多孔β钛合金显微组织及力学性能的主要参数有造孔剂种类及含量、烧结温度和烧结时间。

2.1.1 造孔剂对孔隙结构及力学性能的影响

邵烨[28]利用粉末冶金法制备多孔Ti-39Nb-6Zr合金发现，当分别添加质量分数均为15%的碳酸氢铵和尿素造孔剂时，材料均出现700 μm以上的较大孔，平均孔径相差不大，抗压强度分别为125 MPa和80 MPa，弹性模量分别为3.8 GPa和3.2 GPa，所以，添加尿素得到材料的抗压强度比同条件下添加NH4HCO3的抗压强度低，而两者的弹性模量相差不大。造孔剂NH4HCO3添加量为25%时，制备的多孔Ti-10Mo合金的孔隙率为37.5%，平均孔径为130 μm，抗压强度为174 MPa，弹性模量为20.2 GPa，力学性能更接近于人体骨[29]。梁丹丹等[30]研究发现，造孔剂(NH2)2CO含量对多孔Ti-14Mo合金的相组成影响不大，但含量增多时相对密度呈近线性递减，孔隙数量逐步增加，当(NH2)2CO含量为15%～30%时，多孔Ti-14Mo合金的抗弯强度为109.10～220.77 MPa，弹性模量为17.06～37.96 GPa，此时多孔Ti-14Mo合金的力学性能满足临床上对松质骨替代物的要求。因此，采用粉末冶金法制备多孔β钛合金时，通过改变造孔剂含量可以调控合金的孔隙结构，进而降低合金的弹性模量。

2.1.2 烧结对孔隙结构及力学性能的影响

王玺涵等[31]在常规粉末冶金烧结法基础上优化成形方法及烧结工艺，发现烧结温度为1 100 ℃，烧结4 h，制得的多孔Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金的孔隙率为20%～32%，弹性模量为6～20 GPa，压缩强度为140～432 MPa，与人体皮质骨基本匹配。Nouri等[32]采用粉末冶金法制备多孔Ti-16Sn-4Nb合金时，先经170 ℃烧结3 h，再加热到1 200 ℃烧结3 h，制得的合金弹性模量降至0.3～2 GPa，抗压强度降至7～14 MPa，与人体松质骨的力学性能基本相近。徐焱钵[33]研究发现，烧结温度升高至1 200 ℃、烧结时间为5 h时，制得的多孔TiZrNb合金的孔隙率比王玺涵制备的多孔Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金的孔隙率高，杨氏模量为17.9 GPa，抗弯强度为264.5 MPa，2种钛合金的显微组织都是近β型。邵烨[28]研究发现，烧结温度升高及烧结时间延长后，多孔Ti-39Nb-6Zr合金的孔隙率由23.2%下降至20.6%，平均孔径由16.6 μm下降至12.1 μm，抗压强度由110 MPa上升至295 MPa，弹性模量由4.7 GPa上升至9.8 GPa。

粉末冶金法宜用于制备形状简单的多孔β钛合金材料，生产工艺简单，周期短，工艺参数可控性强，制备的多孔合金的孔隙率范围较宽，但孔隙率较低，孔隙结构不易控制，需要从造孔剂种类及含量、烧结温度及时间着手控制孔隙结构。因此，该法还需要做大量的系统研究，精确调控参数，以实现多孔β钛合金参数与优异性能的良好匹配。

文章来源：《材料热处理学报》 网址: http://www.clrclxbzz.cn/qikandaodu/2020/1104/348.html