多孔鈦及鈦合金材料的特性及制備方法

多孔材料是一種新型的結構與功能材料，它可以在較輕的重量下有效地發揮其力學性能與結構性能。與實體材料相比，這些特殊的輕質材料具有優良的綜合力學性能。鈦及鈦合金具有低密度、高比強度、較寬的工作溫度范圍、良好的耐腐蝕性和生物相容性等優異性能。多孔泡沫鈦及鈦合金融合了鈦合金與多孔材料的特性，能夠減輕材料的重量而不削弱其強度，同時保持高的韌性和耐腐蝕性。因此，泡沫鈦及其合金在一些特殊領域具有重要的應用價值，特別是在生物醫用行業，由于多孔鈦兼有高生物相容性和優秀的機械性能，所以優勢十分明顯。相比整體多孔鈦材，僅在表面進行多孔化處理的鈦材具備更高的機械強度，可承受更大的生理負荷，因而在醫學領域展現出更為廣闊的應用前景。

多孔材料具有開放多孔狀結構，允許新骨細胞組織在內生長及體液的傳統，而且多孔材料楊氏模量可以調整孔隙率達到與自然骨相匹配，提高其生物力學相容性。多孔鈦具有優異的生物相容性和良好的耐腐蝕性而引起醫學界廣泛關注。多孔鈦板為臨床治療早期股骨頭壞死提供了一個新的選擇，減緩了疾病的進展，推遲了關節置換的時間，是目前骨科治療早期股骨頭壞死的有效方法。現代醫學認為股骨頭壞死的治療方法是手術治療。國內外專家均主張早期壞死采取姑息手術，如：核心減壓、帶血管骨移植術、血管植人術、骨支架術等。晚期不可避免的行人工關節置換術等。但總體看來，手術療法因其痛苦大、費用高、恢復期長、局限性廣、遠期效果不能盡善盡美等而不被眾多患者所接受。因此采用有效的方法防止股骨頭壞死的發生和發展，促進壞死區新骨再生成為了骨科醫師關注的重點。

目前，制備多孔鈦材料的方法有以下幾類：
1、金屬沉積法：金屬沉積法主要有真空蒸鍍法、電沉積法、等離子噴涂及反應沉積法等， 其中最常見的沉積法是等離子噴涂法。通常，等離子噴涂在制備薄膜或涂層方面有獨特的優勢，該方法也能用來加工多孔金屬。
2、固態燒結法：該方法主要有金屬堆積燒結法、添加造孔劑法、漿料發泡燒結法、模板法、燃燒合成法等。
a.金屬堆積燒結法是將堆積的空心球或粉末進行高溫燒結， 通過高溫擴散形成冶金結合制備多孔金屬的方法。除此之外，也可采用金屬絲纏繞法形成坯料再燒結制備多孔材料。
b.該方法是將造孔劑與鈦粉按一定比例均勻混合， 然后再燒結前或燒結后通過加熱或溶解等方法去除造孔劑從而得到多孔結構。該方法適用面廣，制備工藝簡單，孔隙分布均勻。
c.漿料發泡法是以金屬粉末為原料， 通過添加發泡劑等配成漿料，再加入模具中進行加熱，由于添加劑和發泡劑的作用而產生氣體開始膨脹， 經燒結后便可得到具有多孔金屬。
d.模板法也可用來制備多孔鈦， 它一般是以海綿為模板，將鈦漿料浸漬于模板中，待干燥后再加熱除去模板，最后經高溫燒結獲得多孔鈦及其合金。
3、液態凝固法:根據加熱源的不同，可分為電子束加熱成型法與激光工程凈成型法。
a.電子束加工。電子束加工是利用高功率密度的電子束沖擊工件時所產生的熱能使材料熔化、氣化的特種加工方法。該方法也是快速原形加工技術中常用的方法之一。
b.激光工程凈成形法。激光工程凈成形法同樣也是快速成形技術的一種，該技術借助計算機輔助設計，利用快速原型加工技術將三維實體模型轉化成平面信息后再生成數控加工代碼， 最后傳給控制中心并對激光加熱熔化的原材料進行逐層堆積壘加制備出實體零件。