编号：FTJS107836
篇名： 金属粉末注射成形制备钛和钛合金植入物研究
作者： 蔡绪
关键词： 金属粉末注射成形; 钛; 外科植入物; 物理化学性能; 生物相容性;
机构：中南大学
摘要： 背景:外科植入物通常具有复杂的三维形状。金属钛及钛合金作为常用的外科植入物材料备受青睐,因其具备以下优点:强度高、密度低、生物相容性好、耐腐蚀能力佳。然而,其缺点是加工成本高,对于复杂形状的加工困难制约了临床应用的发展。金属粉末注射成形是一种净成形制造技术,其特点是能够大批量制造复杂形状的产品。采用该技术制备钛及钛合金产品可以显著降低成本,从而制造出具有复杂形状的外科植入物或外科器械。 目的:采用金属粉末注射成形技术,选择适宜的钛及其合金粉末,并调整相关工艺参数,制备出适用于人体的低成本外科用钛及其合金粉末注射成形产品;对所制备的钛及其合金试样进行物理化学性能和生物相容性检测;针对外科植入物中广泛使用的钛合金(Ti6Al4V),进行有限元分析,评估其疲劳寿命和安全系数,为金属粉末注射成形钛及其合金在临床应用中提供理论支持。 方法:1.通过选择适宜的钛及其合金粉末,并优化金属粉末注射成形过程中的工艺参数,测样品的相对密度、氧含量及延伸率,制备出符合要求的外科植入用钛及其合金注射成形产品。2.对所制备的钛及其合金进行光学显微镜观察金相图、电镜观测断口、XRD观测物相、XPS观测表面成分分析,同时进行成分分析、表面硬度与粗糙度的检测以及耐腐蚀性的浸泡实验,评估金属粉末注射成形制备的钛及其合金的物理化学性能。3.采用细胞毒性实验、急性全身毒性实验、遗传毒性实验以及皮肤刺激实验,对自行制备的金属粉末注射成形钛及其合金进行生物相容性评估,为其临床应用的生物安全性提供实验室数据。4.利用有限元软件,基于粉末注射成形钛合金材料参数建立锁定接骨板模型,进行应力分析和疲劳分析预测,并与正常钛合金材料进行对比。 结果:1.金属粉末注射成形制备的钛及其合金满足外科植入物的要求,包括相对密度、抗拉强度、屈服强度和延伸率。2.物理化学性能:金相图显示金属粉末注射成形的纯钛为典型的α相,而Ti6Al4V钛合金为典型的双相合金。断口电镜显示注射纯钛和Ti6Al4V钛合金均具有一定的韧性和延伸率。成分分析显示O、C、H、N等元素在适当范围内,XPS显示制备的纯钛及Ti6Al4V钛合金表面无明显异常杂质,以氧化钛为主。样品表面硬度接近传统制造产品,表面粗糙度较光滑,耐腐蚀性良好。3.生物相容性检测:细胞毒性评级为0级,无全身毒性,无明显遗传毒性,无皮肤刺激反应。4.有限元分析:使用金属粉末注射制备的Ti6Al4V合金参数材料制备的接骨板满足临床使用需求。 结论:金属粉末注射成形制备的纯钛及Ti6Al4V钛合金能够满足外科粉末注射成形钛及钛合金要求,其物理化学性能以及生物相容性良好,疲劳性能满足一般接骨板使用要求,但对于性能还需加以改进。