局部梯度孔隙结构人工关节假体及其制备方法

专利名称：局部梯度孔隙结构人工关节假体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物医学工程技术领域的骨科内植物假体及其制备方 法，具体涉及一种局部梯度孔隙结构人工关节假体及其制备方法。
背景技术：
人工关节置换术是临床上治疗因创伤或疾病导致的关节损伤的一种常见手 术方法，临床应用效果良好。人工关节的力学和生物学性能是影响其临床修复关 节损伤效果的关键要素。由不锈钢、钛及其合金等金属材料制造的关节假体通常 都具有良好的力学性能，植入人体后，能够满足患者日常行为活动过程中受力的
要求。虽然钛及其合金具有良好的耐腐蚀性和生物相容性。但是，目前临床上使 用的各种钛及其合金材料的假体在生物学性能方面仍然存在严重的缺陷，如大 块金属假体不能与人体软硬组织很好的长合。为了克服这一问题，假体的局部被 尝试着制作成了多孔结构，以便为人体细胞、组织的长入提供空间，促进新生组 织与假体的长合，实现生物固定。
等离子喷涂技术是目前普遍采用的一种在假体表面的局部制备多孔结构的 方法。这一技术是采用等离子弧作为热源，将金属材料加热到熔融或半熔融状态， 并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法，属于高温 热处理技术。在向假体表面喷涂金属粉末的过程中，由于高温的作用，假体本身 的力学性能就会受到影响，导致假体力学性能的降低，置换到人体后容易发生断 裂。因此，在不降低假体本身力学性能的前提下，构建假体表面局部的孔隙结构， 为细胞、组织的长入提供空间，促进新生组织与假体的长合，具有重要的工程意 义和临床应用价值。
经对现有技术文献的检索发现，申请号87101194.8，公开号CN1033559
名称《多孔层烧结面人工关节制造工艺》，该技术公开的是一种将球形颗粒直接
烧结在假体柄上的一种制造工艺，这种工艺过程中的假体柄同样要受到高温的作
用，从而影响假体柄本身的力学性能；全球著名的Ziramer公司开发的多孔结构人工关节假体(www.zi咖er.com)，是采用等离子喷涂技术制备的一种局部多孔 结构人工关节假体，假体柄的力学性能会受到高温的影响而有所降低。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种局部梯度孔隙结构人工关 节假体及其制备方法，使其克服现有制备人工关节假体表面多孔结构过程中损伤
假体本身力学性能的不足，为人体细胞、组织的长入提供空间，促进新生组织与 关节假体的长合，实现假体的生物固定。 本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体，包括假体柄、梯度孔隙结
构体，梯度孔隙结构体焊接在假体柄的预设部位，形成局部梯度孔隙结构的人工 关节假体。
所述梯度孔隙结构体包括金属钛板、第一金属钛球、第二金属钛球、第三 金属钛球。第一金属钛球、第二金属钛球、第三金属钛球尺寸由小到大，并分层 次的烧结在金属钛板上，其中尺寸最小的第一金属钛球与金属钛板接触。
所述第一金属钛球，其直径为100—200 nm。 所述第二金属钛球，其直径为200 — 300 um。 所述第三金属钛球，其直径为300—500 ym。 所述梯度孔隙结构体，其孔隙率在20—50%。 所述金属钛板是钛及其合金板。 所述金属钛球，是球形钛及其合金粉末。
上述的假体中，假体柄的作用是承载受力，梯度孔隙结构体的作用是为细胞、 组织的生长提供空间，实现假体的生物固定。
本发明所述局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法，包括如下步骤
第一步，在一块钛及其合金板上依次铺设三种直径的球形钛及其合金粉末， 其中最小直径的球形钛及其合金粉末直接平铺在一块钛及其合金板上，铺1 2 层，然后，在最小直径的球形钛及其合金粉末层上铺设中等直径的钛及其合金粉 末，铺1 2层，最后在中等直径的钛及其合金粉末层上铺一层直径最大的球形 钛及其合金粉末；
所述最小直径的球形钛及其合金粉末，其直径为100 200 um。
5所述中等直径的钛及其合金粉末，其直径为200 — 300 ii m。 所述直径最大的球形钛及其合金粉末，其直径为300 500 um。 所述钛及其合金板，其长30 50mm、宽20 30mm、厚度3 5 mm。 第二步，将上述铺有球形钛及其合金粉末的钛及其合金板置入真空烧结炉， 进行烧结，入炉温度为室温，将炉温升温至1200 — 140(TC，烧结过程中向铺有 球形粉末的钛及其合金板施加压力，保温、保压，其后将炉温炉冷却至室温，获 得一种表面梯度孔隙结构的钛及其合金板； 所述烧结炉，其真空度为1X10—3Pa。 所述升温，其速度为5°C/min_10°C/min。 所述施加压力，其压力范围为2 Mpa—5Mpa。 所述保温、保压，其时间为1 h —2h。
第三步，利用激光焊接技术，将上述表面梯度孔隙结构的钛及其合金板焊接 在关节假体上的预定位置，形成具有高强度力学性能和局部表面梯度多孔结构人 工关节假体。
等离子喷涂技术制备的人工关节假体表面局部多孔结构，虽然可以为细胞、 组织的生长提供空间，实现假体的生物固定。但是，由于高温的作用以及金属粉 体在熔融或半熔化状态下的高速撞击，使得关节假体本身的力学性能受到影响， 降低了假体原有的高强度力学性能。本发明制备的局部梯度孔隙结构人工关节假 体不仅具有良好的孔隙结构，能够为细胞、组织的生长提供空间，实现假体的生
物固定，而且还很好的保护了假体本身原有的高强度力学性能。
本发明采取了分步式的制造工艺，将高温烧结工艺与装配工艺分开，先通过 高温烧结工艺将不同尺寸的球形金属粉末有层次的烧结在金属钛板上，形成具有 梯度孔隙结构的部件，然后，采用激光焊接技术，在不损伤假体本身力学性能的 前提下，将所制备的梯度孔隙结构部件焊接在关节假体的预定部位，形成具有高 强度力学性能和局部梯度孔隙结构的人工关节假体，可应用于临床上关节损伤的 修复。


图1为本发明结构示意图
图2为梯度孔隙结构体示意图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，以下实施例中的假体包括假体柄l、梯度孔隙结构体2，梯 度孔隙结构体2焊接在假体柄1的预设部位，形成局部梯度孔隙结构的人工关节 假体。
如图2所示，以下实施例中的梯度孔隙结构体2包括金属钛板3、尺寸为
100 — 200 ym的第一金属钛球4、尺寸为200—300 u m的第二金属钛球5、尺寸 为300—500 um的第三金属钛球6。三个金属钛球4、 5、 6分层次的烧结在金 属钛板3上，形成梯度孔隙结构体2，其孔隙率在20—50%。
以下详细给出所述局部梯度孔隙结构人工关节假体制备方法的实施例。
实施例l
首先将直径为100 u m的球形钛粉平铺在一块长30mm、宽20rara、厚度3 mra 的钛板上，铺3层，然后，再铺3层直径为200 um的球形钛粉，最后铺一层直 径为300 um的球形钛粉；将上述铺有球形钛粉的钛板置入真空烧结炉，进行高 温烧结，烧结炉的真空度为1X10—3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至120(TC， 升温速度为5tVmin，烧结过程中向铺有球形粉末的钛板施加5MPa的压力，保 温、保压2h，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面梯度孔隙结构的钛板； 利用激光焊接技术，将上述表面梯度孔隙结构的钛板焊接在人工关节假体上的预 定位置，形成局部梯度孔隙结构人工关节假体。实施例1对应的孔隙率(计算值) 为32%。
实施例2
首先将直径为200 u m的球形钛粉平铺在一块长50咖、宽40mm、厚度5隱 的钛板上，铺1层，然后，再铺1层直径为300 um的球形钛粉，最后铺一层直 径为500 nm的球形钛粉；将上述铺有球形钛粉的钛板置入真空烧结炉，进行高 温烧结，烧结炉的真空度为1X10—3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至140(TC， 升温速度为lOXVmin，烧结过程中向铺有球形粉末的钛板施加2MPa的压力，保 温、保压lh，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面梯度孔隙结构的钛板；利用激光焊接技术，将上述表面梯度孔隙结构的钛板焊接在人工关节假体上的预 定位置，形成局部梯度孔隙结构人工关节假体。实施例2对应的孔隙率(计算值) 为23%。
实施例3
首先将直径为150 P m的球形钛粉平铺在一块长40mm、宽30mm、厚度4咖 的钛板上，铺2层，然后，再铺2层直径为250 um的球形钛粉，最后铺一层直 径为400 um的球形钛粉；将上述铺有球形钛粉的钛板置入真空烧结炉，进行高 温烧结，烧结炉的真空度为1X10—3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至1300'C， 升温速度为7. 5TVmin，烧结过程中向铺有球形粉末的钛板施加1. 5MPa的压力， 保温、保压1.5h，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面梯度孔隙结构的钛 板；利用激光焊接技术，将上述表面梯度孔隙结构的钛板焊接在人工关节假体上 的预定位置，形成局部梯度孔隙结构人工关节假体。实施例3对应的孔隙率(计 算值)为28%。
权利要求
1、一种局部梯度孔隙结构人工关节假体及其制备方法，其特征在于，包括假体柄、梯度孔隙结构体，梯度孔隙结构体焊接在假体柄的预设部位，其中所述梯度孔隙结构体包括金属钛板、第一金属钛球、第二金属钛球、第三金属钛球，第一金属钛球、第二金属钛球、第三金属钛球尺寸由小到大，并分层次的烧结在金属钛板上，其中尺寸最小的第一金属钛球与金属钛板接触。
2、 根据权利要求1所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体，其特征是，所 述第一金属钛球，其直径为100_200 um。
3、 根据权利要求1所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体，其特征是，所 述第二金属钛球，其直径为200 — 300 u m。
4、 根据权利要求1所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体，其特征是，所 述第三金属钛球，其直径为300—500 pm。
5、 根据权利要求1所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体，其特征是，所 述梯度孔隙结构体，其孔隙率在20_50%。
6、 一种局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法，其特征在于，包括如 下步骤第一步，在一块钛及其合金板上依次铺设三种直径的球形钛及其合金粉末， 其中最小直径的球形钛及其合金粉末直接平铺在一块钛及其合金板上，铺1 2 层，然后，在最小直径的球形钛及其合金粉末层上铺设中等直径的钛及其合金粉 末，铺1 2层，最后在中等直径的钛及其合金粉末层上铺一层直径最大的球形 钛及其合金粉末；第二步，将上述铺有球形钛及其合金粉末的钛及其合金板置入真空烧结炉， 进行烧结，入炉温度为室温，将炉温升温至1200—140(TC，烧结过程中向铺有 球形粉末的钛及其合金板施加压力，保温、保压，其后将炉温炉冷却至室温，获 得一种表面梯度孔隙结构的钛及其合金板；第三步，利用激光焊接技术，将上述表面梯度孔隙结构的钛及其合金板焊接 在关节假体上的预定位置，形成局部梯度孔隙结构人工关节假体。
7、 根据权利要求6所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第一步中，所述最小直径的球形钛及其合金粉末，其直径为100 200 ym;所述中等直径的钛及其合金粉末，其直径为200 — 300 IX m;所述直径最大 的球形钛及其合金粉末，其直径为300 500 um。
8、 根据权利要求6或7所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法， 其特征是，第一步中，所述钛及其合金板，其长30 50mm、宽20 30mm、厚度 3 5 ■。
9、 根据权利要求6所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法，其 特征是，第二步中，所述烧结炉，其真空度为1X10—3Pa;所述升温，其速度为5 °C/min—10。C/min。
10、 根据权利要求6或9所述的局部梯度孔隙结构人工关节假体的制备方法， 其特征是，第二步中，所述施加压力，其压力范围为2 Mpa—5Mpa;所述保温、 保压，其时间为1 h—2h。
全文摘要
一种局部梯度孔隙结构人工关节假体及其制备方法，属于生物医学工程领域。本发明假体包括假体柄、梯度孔隙结构体，梯度孔隙结构体焊接在假体柄的预设部位，梯度孔隙结构体包括金属钛板、第一金属钛球、第二金属钛球、第三金属钛球，三个金属钛球尺寸由小到大，并分层次的烧结在金属钛板上。本发明先通过烧结工艺将球形金属粉末分层次烧结在金属钛板上，得到梯度孔隙结构体，然后焊接在关节假体的预定部位。本发明既可以使得假体柄免受高温热处理工艺，保持良好的高强度力学性能，并可以获得合适的梯度孔隙结构，为细胞、组织的长入提供空间，促进新生骨组织与宿主骨的长合，实现假体的生物固定，可应用于临床上关节损伤的修复。
文档编号B23K26/00GK101254139SQ200810036140
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日
发明者祥 李, 王成焘 申请人:上海交通大学