钛卷:新型医疗植入材料

钛的强度与某些钢材类似,但重量却要轻45%。但这不是钛在医疗器械和植入物方面得到广泛应用的原因。更重要的是它的优异的耐腐蚀性能、生物相容性,以及它并没有磁性。

微孔结构的钛对植入人体还有另外两个优点:第一它降低了材料的刚性,从而减弱了应力遮挡效应;第二它可以引入骨骼的生长,加强植入物与人体的结合。

微阵或桁架结构的钛材料结合了低密度、高强度和刚性,以及优良的抗损坏性能。目前,制备该类材料的方法主要包括复型精密铸造,堆叠线阵列的烧结,或者钛粉的选择性电子束/激光烧结。

最近,来自美国、日本和韩国的科学家们发展了一种新的方法来制备具有三维微结构的钛材料。他们首先利用打印的方法制备两层氢化钛的网格,然后将网格卷成圆柱体,并通过部分真空烧结将它还原成钛。

该方法使我们对材料的形状,几何尺寸的控制具有更高的灵活性。研究人员们利用这一技术制备了网格钛卷,并对其微结构和机械性能进行了表征。

其中打印用的墨水是由氢化钛粉末和一种共聚物组成。研究人员对热处理前后钛卷的重量、直径和高度进行了测量,来计算材料的孔隙度。他们还对材料进行了单轴压缩试验,测定了材料的应变和硬度。

实验结果表面这种网格结构获得了非常好的刚性,硬度和塑性配合。正交的双层网格很好地被烧结在一起。在各层的钛纤维上均可以观察到微孔。随着粉末的颗粒尺寸减小,它的烧结性能提高,同时孔隙度也降低。

研究人员们表示这种新的制备方法不仅适用于钛金属,还可以推广到其它金属,甚至可烧结的陶瓷材料,例如氧化物,来制备陶瓷卷。

E. Hong et al., Adv. Eng. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adem.201100082