表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料及其制备方法

摘要

本发明提供表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料，包括：以3D打印的多孔钛合金为基体，在该基体的表面沉积有金属钽。其优点是：其具体结构可根据需要定制，其上的孔隙结构可根据调整设计单元的大小、丝径的粗细设计，以获得孔径、孔隙率、力学性能不同的多孔结构，充分满足临床需求。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器材技术领域，具体地说是表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料及其制备方法。

背景技术

在医学上，骨植入材料的使用越来越平凡，但是现有方法制备该材料存在成本投入高的问题，同时，在制备过程中具有诸多缺陷，例如沉积温度高而耗能较大，且现有该材料，再如，其碳网力学性能差，需金属钽大量包覆以提高金属钽骨小梁的强度，其力学性能也勉强接近金属钽等等。

发明内容

本发明提供一种接近上述技术缺陷的表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明一方面保护一种表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料，包括：以3D打印的多孔钛合金为基体，在该基体的表面沉积有金属钽。

优选地，所述基体是根据电子束熔融技术，将钛合金金属粉末通过电子束熔融的方式进行逐层堆叠成形，再根据设计需求通过3D打印出具体形状。

优选地，所述基体上的孔隙结构包括正六面体、面心立方体、旋转面心立方体、仿生骨小梁、菱形十二面体结构、曲面多孔结构。

本发明另一方面保护一种表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、以电子束熔融技术，将钛合金金属粉末通过电子束熔融的方式进行逐层堆叠成形，再根据形状需求通过3D打印成型以构成3D多孔钛合金，将其作为基体备用；

S2、将步骤S1获得的基体酸洗处理后放入化学气相沉积室内，将五氯化钽粉末放入石英反应腔内，对石英反应腔、化学气相沉积室进行持续极限真空处理，并每隔8-12min向石英反应腔、化学气相沉积室内通入高纯氩气，反复通入高纯氩气2-3次；

S3、在高纯氩气的保护下，将放有五氯化钽粉末的石英反应腔升温至420-430K，产生五氯化钽气体，关闭高纯氩气，向石英反应腔中通入高纯氢气；再向化学气相沉积室中通入五氯化钽气体经过反应以置换出钽金属沉积于基体表面；

S4、重复上述步骤S3，使得每次置换出的钽金属均沉积于同一基体表面，最终在基体表面获得钽金属涂层。

优选地，步骤S2中，使用腐蚀液对步骤S1获得的基体进行酸洗处理。

进一步地，腐蚀液由硝酸、氢氟酸和去离子水制成，其溶液体积比为10:5:85。

优选地，步骤S2中，酸洗时间为20min，之后用干燥氮气吹干；每次通入高纯氩气时间为20min。

优选地，步骤S2中，对化学气相沉积室、石英反应腔进行极限真空处理之前，使化学气相沉积室、石英反应腔内的真空度大于等于1Pa小于8Pa，多孔钛合金的平均孔径为500±400μm，平均丝径为500±200μm，平均孔隙率为50％-85％。

优选地，步骤S3中，通入五氯化钽气体后，在1073.15-1273.15K条件下反应7-10h，以置换出钽金属。

优选地，步骤S3中，基体表面沉积钽金属的厚度为5-12μm。

本发明的表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料及其制备方法，其优点是：

1、本发明的中3D多孔钛合金材料，以3D打印的多孔钛合金为基体，可以制备为通用型或专用型髋臼填充块、股骨填充块、胫骨填充块、四肢骨填充块等，且其具体结构可根据需要定制，其上的孔隙结构可根据调整设计单元的大小、丝径的粗细设计，以获得孔径、孔隙率、力学性能不同的多孔结构，充分满足临床需求；另外，相比传统中使用多孔碳材料为基体，更能保证基体材料的高力学强度，对金属钽的沉积量要求低，制备周期短，生成效率高；

2、本发明保护的材料，实现了以3D打印多孔钛合金为基体的表面全面包覆钽涂层，形成结合稳固的金属钽涂层结构；

3、本发明保护的材料，其结构可以根据需要设计，利于不同的骨组织和细胞组织的长入，从而实现钽金属层与周围组织之间良好的骨整合；而现有技术的多孔结构只能固定为碳网结构，制备出的钽技术涂层厚度大、孔隙率低，涂层不均匀致密，不利于小分子物质粘附在基体上；

4、本发明保护的材料力学性能与基体一致，生物相容性好、强度高，能够匹配人类松质骨弹性模量的力学特性，提供骨长入的效果；

5、本发明方法制备的材料，使得钽涂层均匀、致密，能够紧密贴合在基体上，表面性能与金属钽性能几乎一致，能够满足临床应用的需要，促进骨组织的再生和重建，是良好的生物植入材料；

6、本发明方法中，使得钽涂层与基体在两者的高温相区内结合，结合强度高，界面稳定；

7、本发明材料的制备方法中，采用个性化3D打印多孔钛合金基体，钽金属涂层的制备要比在多孔碳网基体上成膜的时间短，制备温度低，能耗低，因此在同等工艺下，本发明使用3D打印多孔钛合金作为基体制备钽金属涂层更具优势；

8、本发明是一种先进的多孔金属钽制备技术，可制备新型的多孔钽填充块或多孔材料表面均匀沉积钽涂层的新技术。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例一步骤S3基体表面获得钽金属层的厚度结构示意图；

图2为本发明实施例二步骤S3基体表面获得钽金属层的厚度结构示意图；

图3为本发明实施例三步骤S3基体表面获得钽金属层的厚度结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明提供的一种表面沉积钽涂层的3D多孔钛合金材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、以电子束熔融技术，将钛合金金属粉末通过电子束熔融的方式进行逐层堆叠成形，其中，电子束功率为900W，光斑直径100μm，厚度50μm，扫描速度800mm/s，以制备出多孔的填充块，再根据形状需求通过3D打印成型以构成3D多孔钛合金，将其作为基体备用；

其中：3D打印多孔钛合金适用于多类骨缺损填充，可以制备通用型或专用型髋臼填充块、股骨填充块、胫骨填充块、四肢骨填充块等；本步骤3D打印的填充多孔结构即为所述的基体，其可以根据需要，设计不同孔隙结构，包括正六面体、面心立方体、旋转面心立方体、仿生骨小梁、菱形十二面体结构、曲面多孔结构等等，并通过调整设计单元的大小、丝径的粗细，以获得孔径、孔隙率、力学性能不同的多孔结构，满足临床的需求；

菱形十二面体结构是由菱形十二面体的十二个面的相对两顶点向外延伸出的小梁，相邻小梁之间形成孔隙；

曲面多孔结构利用参数的不同可生成不同孔隙率的多孔结构，具有很强的设计度；

该步骤可根据需求，对基体的结构进行设计，更有利于不同的骨组织和细胞组织的长入，从而实现钽金属涂层与周围骨组织之间良好的骨整合；另外，相比于传统的多孔碳材料基体来说，本发明所选基体材料的力学强度高，且对金属钽沉积量要求低；

S2、将步骤S1获得的基体使用腐蚀液进行酸洗处理20min后，用干燥氮气吹干，再放入化学气相沉积室内，将五氯化钽粉末放入石英反应腔内，使化学气相沉积室、石英反应腔内的真空度为6Pa，多孔钛合金的平均孔径为450μm，平均丝径为350μm，平均孔隙率为66％；

再对石英反应腔、化学气相沉积室进行持续极限真空处理，并每隔10min向石英反应腔、化学气相沉积室内通入高纯氩气20min，反复通入高纯氩气2次；

其中，腐蚀液由硝酸、氢氟酸和去离子水制成，其溶液体积比为10:5:85。

S3、在高纯氩气的保护下，将放有五氯化钽粉末的石英反应腔升温至423.15K，产生五氯化钽气体，关闭高纯氩气，向石英反应腔中通入高纯氢气；再向化学气相沉积室中通入五氯化钽气体，在1173.15K的条件下反应9h，以置换出钽金属沉积于基体表面，此时基体表面沉积的钽金属厚度为5μm(如图1所示)；

S4、重复上述步骤S3，使得每次置换出的钽金属均沉积于同一基体表面，最终在基体表面获得钽金属涂层。

实施例二：

与实施例一不同之处在于：步骤S2中，多孔钛合金的平均孔径为100μm，平均丝径为300μm，平均孔隙率为85％；真空度为7Pa；

并每隔8min向石英反应腔、化学气相沉积室内通入高纯氩气18min；其步骤S3中基体表面沉积的钽金属厚度为8μm(如图2所示)；

实施例三：

与实施例一不同之处在于：步骤S2中，多孔钛合金的平均孔径为900μm，平均丝径为700μm，平均孔隙率为50％；真空度为2Pa；

并每隔12min向石英反应腔、化学气相沉积室内通入高纯氩气25min；其步骤S3中基体表面沉积的钽金属厚度为12μm(如图3所示)；

其它与实施例一不同的参数如下表所示：

本文中，未明确说明的步骤、结构、设备等均为常规技术，因此，不做详细介绍。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。