CN101530950A - 基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，在机座(17)上设有X、Y运动机构(1)，在X、Y运动机构(1)上设有烧结支板(18)，在烧结支板(18)上设有原料箱上下运动机械(3)及与原料箱(6)和烧结台上下运动机械(4)及烧结台(7)，在烧结支板(18)上设有进料左右运动机构(2)及进料杆(5)，在机座(17)上的支架(15)上设有一个与烧结台(7)对应的激光与激光聚焦系统(16)。将纳米羟基磷灰石粉末(10－100nm)置放在烧结台(7)上，利用凸透镜等聚焦系统把激光能量聚集成50－100μm光斑，按截面轮廓要求和一定烧结距离间隔(150－500μm)移动运动平台，对部分粉末进行激光扫描，最终形成三维多孔人工骨。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造可吸收人工骨的设备，特别是涉及一种制备降解可控、孔隙可调人工骨的利用激光选择性烧结的设备。
背景技术
近年对人工骨的需求持续增长，美国每年骨移植超过100万例，我国现肢体功能受限者超过1500万，由于缺乏理想的移植骨，已有300万人截肢，且每年骨损伤近300万，仅因骨肿瘤需要进行移植的病例就有25万。羟基磷灰石因生物性能优异而成为最有前途的骨材料，但待解决难题是脆性大、韧性低，利用纳米技术提高力学性能制备人工骨是当今生物工程学前沿。
现在人们对人工骨的要求如下：(1)良好的生物相容性。不仅要有利于细胞的黏附、增殖，同时材料本身对机体无毒、不引起炎症等；(2)可降解且速度可调。骨材料逐渐被人体再生骨组织所替代，且降解率必须与骨生长率一致；(3)具有三维多孔结构且可控。一般认为孔径在100μm以上才合适，但也有认为200μm以上有较优的效能，更有学者认为限制骨顺利生长的瓶颈不是孔径大小而是孔间连通程度；(4)良好的力学性能。材料做成多孔状后其强度必然下降，因此要在孔隙和强度之间取得一个最佳平衡点。现有人工骨不能满足这些生物学性能与力学性能的要求。
利用纳米互联技术，能克服传统的羟基磷灰石存在脆性大、强度小等问题，因为利用纳米技术制成的羟基磷灰石，由于纳米晶粒尺寸很小，材料中的内在气孔和缺陷尺寸减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的韧性和强度；并随着晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加，提供了足够的晶界滑移机会，导致形变增加，有助于晶粒间的移动，使材料塑性增强，脆性减小；且由于纳米分散相有大的表面积和强的界面相互作用，颗粒越小，材料的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高，疲劳抗力也相应提高。纳米人工骨除能改善力学特性外，与现有人工骨材料相比最大的优点是：可通过控制晶粒的大小实现人体内降解速度与自体骨生长速度一致。这对提高移植骨的愈合率、减少并发症极为重要。
因此，开发一套基于纳料羟基磷灰石用于制造降速可调、孔径可控人工骨的激光选择性烧结机具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于纳米羟基磷灰石用于制造降速可调、孔径可控人工骨的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机。
为了解决上述技术问题，本发明提供的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，在机座上设有X、Y运动机构，在所述的X、Y运动机构上设有烧结支板，在所述的烧结支板上设有原料箱上下运动机械及与之连接的原料箱和烧结台上下运动机械及与之连接的烧结台，在所述的烧结支板上设有进料左右运动机构，在所述的进料左右运动机构上装有与所述的原料箱对应的进料杆，在所述的机座上设有支架，在所述的支架上设有一个与所述的烧结台对应的激光与激光聚焦系统，所述的激光与激光聚焦系统是在安装机械和固定机械上设有激光器和光路平行器，凸透镜通过一个上下微调台连接在所述的安装机械和固定机械上。
所有的二维运动采用滚珠丝杠机密运动机械，通过饲服电机驱动，其移动分辨率为1μm，运动速度为0～100mm/s，通过计算机调节其运动速度，满足激光烧结时间与烧结轨迹的控制。
所述的烧结台上下运动机械上设有与所述的烧结台对应的废料箱。
采用上述技术方案的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，将纳米羟基磷灰石粉末(10-100nm)置放在移动平台上，利用凸透镜等聚焦系统把激光能量聚集到50-100μm的光斑上，按截面轮廓要求和一定烧结距离间隔(150-500μm)移动运动平台，对部分粉末进行扫描，使粉末的表面离子因温度升高处于高能态而相互粘结，在非烧结区的粉末仍呈松散状，烧结完后，形成一层带50-100μm孔壁和100-400μm孔隙的网状结构的截面，工作台下降一个层的高度，再进行下一层的铺料和烧结，如此循环，最终形成三维多孔人工骨。
本发明设计了一种集进料与烧结的结构实现，即原料箱向上运动，进料运动机构带动进料杆把原料送到烧结台后，运动台运动按一定的方式通过计算机控制实现二维运动，激光通过聚焦系统烧结在烧结台上的纳米羟基磷灰石，通过控制光斑的大小和烧结距离间隔获得人工骨大小不同的孔隙与孔壁，满足不同人工骨制造的要求。
本发明设计了一种激光聚焦系统的实现方式，通过此聚焦系统，可使从激光器出来的光斑为3mm平行光的平行光聚焦成最小为49um的光斑，得到不同大小的光斑，可以满足不同实验或生产条件下所需要的温度场，能实现熔融纳米羟基磷灰石的要求，与运动平台的速度等制造工艺很好地相匹配。最终在形成三维网状态结构的人工骨，从而实现制作各种人工骨的目的。
发明的优点及积极效果
①本发明是集成了精密机械、医学、生物学、纳米科学、光学、电子学、计算机等多项技术及制作、检测、控制等多项功能于一体的人工骨制造装置；
②可以制作各种孔径与孔壁的人工骨；
③可以方便和精确实现激光光斑大小的控制；
④通过对纳米颗粒大小的控制实现对降解速度的控制；
⑤生产出的人工骨具有复杂三维网状结构。
附图说明
图1是用于可吸收人工骨制造的激光选择性烧结机结构；
图2是二维运动平台结构；
图3是激光与激光聚焦系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
参见图1、图2和图3，在机座17上设有X、Y运动机构1，在X、Y运动机构1上设有烧结支板18，在烧结支板18上设有原料箱上下运动机械3及与之连接的原料箱6和烧结台上下运动机械4及与之连接的烧结台7，烧结台上下运动机械4上设有与烧结台7对应的废料箱8，在烧结支板18上设有进料左右运动机构2，在进料左右运动机构2上装有与原料箱6对应的进料杆5，在机座17上设有支架15，在支架15上设有一个与烧结台7对应的激光与激光聚焦系统16，激光与激光聚焦系统是在安装机械10和固定机械12上设有激光器9和光路平行器11，凸透镜14通过一个上下微调台13连接在安装机械10和固定机械12上。所有的二维运动采用滚珠丝杠机密运动机械，通过饲服电机驱动，其移动分辨率为1μm，运动速度为0～100mm/s，通过计算机调节其运动速度，满足激光烧结时间与烧结轨迹的控制。
X、Y运动机构1采用滚珠丝杠机密运动机械，通过饲服电机驱动，其移动分辨率为1μm，运动速度为0～100mm/s，通过计算机调节其运动速度，满足激光烧结时间与烧结轨迹的控制。
进料左右运动机构2上装有进料杆5，通过左右运动实现纳米羟基磷灰石由原料箱6到烧结台7的进料，满足进料的需求。
原料箱上下运动机械3上装有原料箱6，带动原料箱6上下运动，每烧完一个截面后向上运动一个截面的高度。
烧结台上下运动机械4上装有烧结台7，带动烧结台7上下运动，每烧完一个截面后向下运动一个截面高度。
本发明设计了一种激光与激光聚焦系统16的实现结构形式，从激光器9出来的光大约为3mm，通过光路平行器11平行校准后，经过安装机械10和固定机械12连接固定后，连接一个上下微调台13实现上下运动的微调，后通过凸透镜14聚焦成最小为50um的光斑。
本发明采用激光加热的方式使纳米羟基石表面离子处于高能级状态而产生纳米互联，利用激光聚焦系统使激光聚焦成微米大小的光斑进行选择性烧结，形成微米大小的孔与孔壁，最终形成具有复杂三维形状的可吸收人工骨。强激光微米大小光斑的结构实现，通过控制凸透镜焦点与加热原料的距离，可实现各种≧50um的光斑，可以满足不同实验或生产条件下所需要求，得到不同的孔隙和孔壁，与人工骨的制造工艺很好地相匹配。运动台以一定的方式做二维运动，最终形成具有复杂形状带微孔结构的三维人工骨。集进料与烧结的结构实现，即原料箱向上运动，进料运动机构带动进料杆把原料送到烧结台后，运动台按一定的方式通过计算机控制实现二维运动，激光通过聚焦系统烧结在烧结台上的纳米羟基磷灰石，通过控制光斑的大小和烧结距离间隔获得人工骨大小不同的孔隙与孔壁，满足不同人工骨制造的要求。聚焦系统的结构形式(9、10、11、12、13)，这种结构形式具有安装方便、光斑稳定、上下可调的特点。集进料与烧结的结构实现(1、2、3、4、5、6、7、8)，即原料箱向上运动，进料运动机构带动进料杆左右运动，烧结台上下运动，运动台的二维运动采用滚珠丝杠机密运动机械，通过饲服电机驱动，其移动分辨率为1μm，运动速度为0～100mm/s，通过计算机调节其运动速度，满足激光烧结时间与烧结轨迹的控制。装有本发明设计的运动软件，通过该软件实现对整个激光烧结机生产过程的监测与控制。激光源(9)为人工骨在制造过程中提供稳定的输入能源，计算机通过控制运动轨迹与烧结距离获得各种结构与形状的人工骨。
Claims (4)
1、一种基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，其特征是：在机座(17)上设有X、Y运动机构(1)，在所述的X、Y运动机构(1)上设有烧结支板(18)，在所述的烧结支板(18)上设有原料箱上下运动机械(3)及与之连接的原料箱(6)和烧结台上下运动机械(4)及与之连接的烧结台(7)，在所述的烧结支板(18)上设有进料左右运动机构(2)，在所述的进料左右运动机构(2)上装有与所述的原料箱(6)对应的进料杆(5)，在所述的机座(17)上设有支架(15)，在所述的支架(15)上设有一个与所述的烧结台(7)对应的激光与激光聚焦系统(16)。
2、根据权利要求1所述的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，其特征是：所述的激光与激光聚焦系统是在安装机械(10)和固定机械(12)上设有激光器(9)和光路平行器(11)，凸透镜(14)通过一个上下微调台(13)连接在所述的安装机械(10)和固定机械(12)上。
3、根据权利要求1或2所述的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，其特征是：所有的二维运动采用滚珠丝杠机密运动机械，通过饲服电机驱动，其移动分辨率为1μm，运动速度为0～100mm/s，通过计算机调节其运动速度，满足激光烧结时间与烧结轨迹的控制。
4、根据权利要求1或2所述的基于纳米羟基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光烧结机，其特征是：所述的烧结台上下运动机械(4)上设有与所述的烧结台(7)对应的废料箱(8)。
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