生物医用多孔钛镍（铌）合金的制备与性能研究

【摘要】近等原子比的TiNi合金,不仅具有与人体骨组织相近的超弹性,还具有特殊的形状记忆效应、良好的生物相容性和耐磨耐蚀性能,这些性能均使TiNi合金有望作为一种优异的骨组织替代材料在生物医学领域得到迅速发展。然而,致密TiNi合金较人体骨组织力学性能偏高,不匹配的弹性模量往往易产生应力屏蔽问题,且致密的植入合金与新生骨组织间接触面积较小,这些都会造成植入物与组织间结合松动,终而导致植入失效。针对以上问题,本研究设计出具有良好孔隙性能且实现与力学性能最优化组合的仿生多孔TiNi合金。为了进一步发掘多孔TiNi形状记忆合金的其它潜力,本论文围绕材料设计与制备、微观结构、理化性能等方面开展了相应研究,采用真空热压、真空烧结和模板浸渍三种方法分别制备相对致密、中等孔隙度和高孔隙度的TiNi合金,并对各自的工艺影响参数进行了探讨,分别研究了三种方法所制备TiNi合金的物相成分、微观结构特征和力学性能,并评估了TiNi合金的生物学性能。真空热压烧结能够制备出高致密度的TiNi合金,合金性能和初始原料粉末的选取密切相关,其中预合金粉末烧结合金更为致密,抗拉强度677.34MPa,弹性模量5.348GPa；真空烧结制备出的中等孔隙度的TiNi合金,其性能会随烧结温度有较大范围的调整变化,随着烧结温度升高,物相更为均匀,相对密度由56.36%增至62.99%,抗拉强度由72.43MPa明显提升至160.72MPa；模板浸渍与烧结工艺相结合,可制备出具有与人体松质骨结构相似的三维联通孔隙的高孔隙度TiNi合金,合金保留了原始TiNi预合金粉末中的物相成分。利用不同方法和不同工艺因素可制备出不同性能的TiNi合金,通过调整孔隙度以获得良好孔隙性能和力学性能适配的多孔TiNi合金,亦可在较大范围内调整多孔TiNi合金力学性能来满足不同植入的需要。尤其是模板浸渍法制备的高孔隙度TiNi合金,不仅易于获得与人体骨组织相似的孔隙性能,也易于通过模板的选取和料浆中粉末含量的调整来实现与骨组织匹配的力学性能。添加第三组元Nb元素替代部分Ni以降低Ni的含量,利用真空烧结制备多孔TiNiNb合金。Nb元素的加入使TiNiNb合金具有与二元TiNi合金较大不同的性能改变。在添加Nb含量为0-10at.%时,合金主要保证了基体相为TiNi母相,Nb颗粒弥散分布在基体相上。Nb作为Ti的固溶元素,可适度提高TiNiNb合金体系的烧结活性。随Nb含量增加,合金的收缩愈加明显,相对密度由TiNi的71.45%先缓慢增加至Ti5oNi45Nb5的72.89%后,迅速增至Ti50Ni40Nb10的82.96%。在初加入Nb时略有升高,当Nb含量超过5%后迅速增高。抗拉强度和弹性模量均随Nb增加亦得到有效提高。同时,Nb也可适度提高TiNi合金的矿化能力和生物安全性。生物学性能评估表明,TiNi合金具有良好的生物安全性和相容性。在骨修复支架应用方面,多孔TiNi合金,尤其是模板浸渍法制备的三维通孔TiNi合金具有比致密合金更高的潜质,其多孔结构使体系的表面能大幅度提升,不仅呈现出良好的磷灰石沉积的能力,丰富且优异的仿生三维联通孔隙结构也为营养物质的输送和废物的代谢保证了充足的空间,这对成骨细胞的粘附、分化和增殖、血管化,以及组织的再生与重建都是非常有利的。多孔结构对骨的生长具有优良的引导作用,孔隙通道促使生物组织通过其长入TiNi合金内部,从而加强了合金与组织间的生物力学结合,提高植入的稳定程度,促进愈合过程。
【作者】李婧；
【导师】阮建明；
【作者基本信息】中南大学，材料学，2014，博士
【关键词】TiNi合金；TiNiNb合金；生物医用材料；模板浸渍法；孔隙性能；力学性能；

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