專(zhuān)利名稱(chēng)：一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法，屬于生物材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)80年代，T.Kokubo等人發(fā)明了A-W生物玻璃，硅酸鈣做為其中的兩種微晶相之一，不僅對(duì)A-W玻璃的力學(xué)性能有貢獻(xiàn)，還具有很高的生物活性。日本東京技術(shù)研究院Punname Siriphannon等人認(rèn)為，羥基磷灰石沉積層在硅酸鈣陶瓷表面的形成速度，要快于所有目前已報(bào)道的生物玻璃和玻璃-陶瓷。然而，硅酸鈣盡管生物活性優(yōu)異，但其燒結(jié)性能差，難以形成致密材料，導(dǎo)致塊體材料的力學(xué)性能很差。因此無(wú)法應(yīng)用在人體承重部件上。
為了提高生物活性陶瓷的力學(xué)性能，通常會(huì)采用生物惰性陶瓷做為第二相來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)。這方面的研究已經(jīng)被廣泛開(kāi)展，氧化鋁、氧化鋯等惰性陶瓷更是已經(jīng)在臨床上有了一些應(yīng)用。然而已有的研究表明，采用這些傳統(tǒng)的惰性陶瓷來(lái)增強(qiáng)活性陶瓷，其力學(xué)性能的提高并不明顯，原因可能在于熱膨脹系數(shù)的差異不利于燒結(jié)致密等。此外，陶瓷材料的脆性大，難加工等缺點(diǎn)也大大限制了其應(yīng)用。
三元層狀化合物鈦硅化碳結(jié)合了金屬和陶瓷的許多優(yōu)良性能。強(qiáng)度大、韌性高，相對(duì)較軟，具自潤(rùn)滑性，易加工。因此近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。最近的研究又表明鈦硅化碳是種生物相容性良好的惰性陶瓷。因此，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也可能擁有良好的發(fā)展前景。鈦硅化碳的熱膨脹系數(shù)與硅酸鈣較為接近，又存在多種增韌機(jī)制。添加到硅酸鈣中有望提高其燒結(jié)性能及力學(xué)性能。鈦硅化碳的添加體積含量小于50％，因而又使得復(fù)合材料保持一定的生物活性，另外，鈦硅化碳添加后，第二相粒子連成一片，又使得復(fù)合材料能夠很容易的進(jìn)行加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要提出了一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法，該復(fù)合生物陶瓷材料的制備方法包括以下各步驟1)原料選取純度不低于99wt％，粒徑不大于50μm的硅酸鈣粉末及純度不低于90wt％，粒徑不大于50μm的鈦硅化碳粉末。
2)將上述硅酸鈣粉體按照體積百分比90％～50％，和鈦硅化碳粉體按照體積百分比10％～50％混合，采用球磨或機(jī)械攪拌等方式充分混合均勻后，預(yù)先施加100MPa壓力制成毛坯，在真空或惰性氣體環(huán)境中燒結(jié)。
3)采用放電等離子燒結(jié)或熱壓或無(wú)壓燒結(jié)在放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中的燒結(jié)制度為以不大于150℃/min的升溫速率升至1050～1150℃，保溫0～30分鐘，然后以不大于100℃/min的速度冷卻至室溫，燒結(jié)時(shí)施加30～60MPa的壓力。
在熱壓或無(wú)壓或其他燒結(jié)系統(tǒng)中的燒結(jié)制度為施加30～60MPa的壓力，以10～50℃/min的升溫速率升至1250～1350℃，保溫0.5～2小時(shí)，自然冷卻至室溫。
燒結(jié)得到致密的鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合材料，鈦硅化碳含量為10～50vol.％，硅酸鈣含量為90％～50vol.％兩相分布均勻。
這種新型的鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料，選用制備步驟簡(jiǎn)單、要求并不太高的原料，復(fù)合材料的制備也只需要在真空或保護(hù)氣氛環(huán)境下采用較低溫度燒結(jié)，成本低，制備過(guò)程簡(jiǎn)單、環(huán)保，可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)；制備得到的材料力學(xué)性能優(yōu)異抗彎強(qiáng)度100～400MPa，斷裂韌性1.5～3.5 MPa·m1/2，維氏硬度～6GPa；該材料主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中人體硬組織(骨骼和牙齒)的修復(fù)與替代。


圖1為鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料的塊體X射線衍射圖譜；圖2為光學(xué)顯微鏡觀察到的拋光樣的表面形貌；圖3為在真空狀態(tài)下，放電等離子體燒結(jié)的鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料的抗彎強(qiáng)度、韌性與鈦硅化碳體積百分含量的關(guān)系；圖4為實(shí)施例4的燒結(jié)體加工后的照片；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1將硅酸鈣粉末按體積百分比90％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比10％混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)中真空環(huán)境燒結(jié)。升溫速率約100℃/min，燒結(jié)溫度為1090℃，燒結(jié)時(shí)施加40MPa壓力，保溫10分鐘后以100℃/min的速度冷卻。塊體材料的致密度大于98％。力學(xué)性能為抗彎強(qiáng)度116MPa，韌性1.69MPa·m1/2，硬度約6GPa。
實(shí)施例2將硅酸鈣粉末按體積百分比80％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比20％混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)中真空環(huán)境燒結(jié)。升溫速率約100℃/min，燒結(jié)溫度為1070℃，燒結(jié)時(shí)施加40MPa壓力，保溫5分鐘后以100℃/min的速度冷卻。塊體材料的致密度大于98％。力學(xué)性能為抗彎強(qiáng)度186MPa，韌性2.23MPa·m1/2，硬度約6GPa。
實(shí)施例3將硅酸鈣粉末按體積百分比70％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比30％混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)中真空環(huán)境燒結(jié)。升溫速率約100℃/min，燒結(jié)溫度為1070℃，燒結(jié)時(shí)施加40MPa壓力，保溫5分鐘以100℃/min的速度冷卻。塊體材料的致密度大于98％。力學(xué)性能為抗彎強(qiáng)度271MPa，韌性2.47MPa·m1/2，硬度約6GPa。
實(shí)施例4將硅酸鈣粉末按體積百分比60％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比40％混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)中真空環(huán)境燒結(jié)。升溫速率約120℃/min，燒結(jié)溫度為1050℃，燒結(jié)時(shí)施加40MPa壓力，保溫3分鐘以100℃/min的速度冷卻。塊體材料的致密度大于97％。力學(xué)性能為抗彎強(qiáng)度319MPa，韌性2.94MPa·m1/2，硬度約6GPa。將該材料進(jìn)行加工試驗(yàn)，利用Φ6的金剛石鉆頭可以迅速鉆出一個(gè)孔(參見(jiàn)附圖4)。
實(shí)施例5將硅酸鈣粉末按體積百分比90％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比10％混合均勻，放入石墨坩鍋中，在熱壓燒結(jié)系統(tǒng)中通氬氣燒結(jié)。升溫速率為10～20℃/min，燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)時(shí)施加30MPa壓力，保溫2小時(shí)后自然冷卻。得到塊體材料的致密度大于95％。
實(shí)施例6將硅酸鈣粉末按體積百分比60％，和鈦硅化碳粉末按體積百分比40％混合均勻，施加100MPa的壓力制成毛坯后放入石墨坩鍋中，在無(wú)壓燒結(jié)系統(tǒng)中通氬氣燒結(jié)。升溫速率為10～20℃/min，燒結(jié)溫度為1300℃，保溫2小時(shí)后自然冷卻。得到塊體材料的致密度大于90％。
權(quán)利要求
1.一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料，其特征在于鈦硅化碳相和硅酸鈣相分布均勻，其中鈦硅化碳含量為10％～50vol.％，硅酸鈣含量為90％～vol.50％。
2.一種按權(quán)利要求1所述的致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)將硅酸鈣粉體按照體積百分比90％～50％，和鈦硅化碳粉體按照體積百分比10％～50％混合，采用球磨或機(jī)械攪拌等方式充分混合均勻后，置于石墨模具中，在放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)；(2)以不大于150℃/min的升溫速率升至1050～1150℃，保溫0～30分鐘，然后以不大于100℃/min的速度冷卻至室溫，燒結(jié)時(shí)施加30～60MPa的壓力。
3.一種按權(quán)利要求1所述的致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)將硅酸鈣粉體按照體積百分比90％～50％，和鈦硅化碳粉體按照體積百分比10％～50％混合，采用球磨或機(jī)械攪拌等方式充分混合均勻后，預(yù)先施加壓力制成毛坯，或在燒結(jié)時(shí)施加30～60MPa的壓力，然后置于石墨坩鍋中，在熱壓或無(wú)壓燒結(jié)系統(tǒng)中，真空或惰性氣氛環(huán)境中燒結(jié)；(2)以10～50℃/min的升溫速率升至1250～1450℃，保溫0.5～2小時(shí)，自然冷卻至室溫。
4.按權(quán)利要求2或3所述的一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法，其特征在于硅酸鈣粉體純度不低于99wt％，粒徑不大于50μm；鈦硅化碳粉體純度不低于90wt％，粒徑不大于50μm。
5.按權(quán)利要求1所述的一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料用于生物醫(yī)學(xué)中人體硬組織的修復(fù)與替代。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種致密高強(qiáng)鈦硅化碳/硅酸鈣復(fù)合生物材料及其制備方法，屬于生物材料領(lǐng)域。其特征在于選用鈦硅化碳和硅酸鈣粉體為原料，將兩者按體積比混合均勻后，在真空或非氧化氣氛下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)或熱壓燒結(jié)或無(wú)壓燒結(jié)，得到兩相分布均勻的致密的鈦硅碳/硅酸鈣復(fù)合材料。該復(fù)合材料制備過(guò)程簡(jiǎn)單成本低，力學(xué)性能優(yōu)異抗彎強(qiáng)度100～400MPa，斷裂韌性1.5～3.5MPa·m
文檔編號(hào)A61L27/10GK101041089SQ200710040200
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者江莞, 趙嵩玨, 王連軍, 張建峰, 陳立東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所