CN102634687A - 一种选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法 - Google Patents

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颉芳霞
路新
曲选辉
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Abstract

本发明属于生物医用多孔金属植入材料领域，提供了一种选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法，首先采用覆膜法用于制备热塑性聚合物包覆316L不锈钢粉末，然后采用选择性激光烧结工艺成形该粉末快速制造了生物医用的多孔金属植入材料。覆膜工艺主要由熔化热塑性聚合物、包覆不锈钢粉末、粉碎和筛分覆膜不锈钢粉末构成。该方法简单可行，且覆膜316L不锈钢粉末烧结性能好，粘结强度高；选择性激光烧结技术成形覆膜不锈钢粉末，并结合脱脂和二次烧结的后处理成功制备了多孔金属植入材料，其微观结构和力学性能能够通过调整选择性激光烧结和后处理的工艺参数灵活控制，以达到与自然骨匹配的目的，该技术在制备生物医用多孔金属植入材料领域具有重大的应用价值。

Description

一种选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法
技术领域
本发明涉及生物医用金属材料的制备方法，特别是采用选择性激光烧结技术快速制备生物医用的多孔金属植入材料。
背景技术
近年来，随着生活水平的改善及医疗事业的发展，人类已进入高龄化时代，促使患各种关节疾病的人数日益增多，对人工关节的需求也快速增长，特别是全髋关节和全膝关节的置换手术越来越多。据预测，到2030年，全髋关节置换术以174%的速度增长到572,000例，而全膝关节置换术以673%的速度增长到34,800,000例。同时，全髋关节和全膝关节的外科修正手术也在增加。据估计，从2005到2030年，全髋关节和全膝关节的修正手术分别按137%和601%的速度增长。由此可见，在未来几十年里，人类对生物医用材料的需求量将急剧增加。只有不断发展和创新制备人工生物材料的新技术和新方法，才能完全满足人类对生物医用材料的大量需求。
目前，常用的生物金属材料主要有316L不锈钢、钴-铬（Co-Cr）合金、纯钛和钛合金。其中，不锈钢材料的价格最低廉，来源最广泛，不易氧化，容易储存，已经在整形外科手术中得到大量使用。但是，不锈钢的弹性模量（210 GPa）远远比人骨的弹性模量（10~30 GPa）大，这种模量的不匹配将引起大量的骨吸收和植入体的松动，最终导致外科植入手术失败。然而，可以通过在材料内部引入孔结构的方法，即制备多孔材料有效降低不锈钢的弹性模量，从而与自然骨匹配并延长植入体的寿命。另一方面，多孔材料也更利于新骨组织长入、营养物质输送和体液交换，加快痊愈过程。
目前，制备多孔材料最为常用的方法就是造孔法，该工艺在制备多孔材料过程中添加了大量造孔剂，严重影响材料的最终纯度和性能，这样获得的材料显然不能作为人体植入材料。选择性激光烧结技术（Selective laser sintering, SLS）是一种重要的快速成形技术，能够自动、快速地根据三维CAD模型制造任意复杂形状的零件。SLS技术可加工的粉末材料范围广，从理论上说，任何加热后能够产生粘结的粉末材料都可作为SLS 原材料，包括塑料、陶瓷、金属及其复合粉末，这说明SLS技术具有制备多种生物医学材料的能力。在制备金属或陶瓷材料时，SLS是通过烧结添加在金属或陶瓷粉末中的聚合物使粉末材料粘结在一起，成形后通常要经过脱脂工艺将粘结剂彻底去除，这样就在材料内部留下大量的蜂窝状孔洞，这对需要多孔结构的材料更加有利；况且，SLS在成形粉末材料的过程中，粉末受到的压力极小，因而通常得到的是多孔材料，即SLS技术更容易制备多孔材料。但是，目前的绝大部分研究工作更关注的是采用SLS技术结合后处理的方法获得全致密的材料，如SLS+高温烧结或液相烧结、SLS+熔渗低熔点树脂或金属及SLS+等静压处理等（Agarwala M，Bourell D，Beaman J, Marcus H, Barlow J. Post-processing of selective laser sintered metal parts[J]．Rapid Prototyping J. 1 (1995) 36-44；Yan C Y, Shi Y S, Yang J S, Liu J H. Preparation and selective laser sintering of nylon-12 coated metal powders and post processing. J. Mater. Process. Technol. 209 (2009) 5785-5792；Lu Z L, Shi Y S, Liu J H, Chen Y, Huang S H. Manufacturing AISI304 metal parts by indirect selective laser sintering combined with isostatic pressing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 39 (2008) 1157-1163）。但是，对采用SLS技术制备多孔材料研究很少，尤其是关于采用SLS技术烧结覆膜粉末制备生物医用多孔金属植入材料的公开报道还没有。
 
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用选择性激光烧结技术成形覆膜不锈钢粉末快速制备生物医用多孔金属材料的方法，避免了现有多孔材料制备技术的不足，并开发了选择性激光烧结技术制备多孔材料的潜力。
一种选择性激光烧结制备生物多孔不锈钢植入材料的方法，其特征在于，首先采用覆膜法制备热塑性聚合物包覆的316L不锈钢粉末；然后采用选择性激光烧结技术成形覆膜金属粉末，得到预成形坯；最后通过热脱脂和二次烧结得到多孔的金属植入材料；其具体工艺步骤和参数如下：
（1）制备热塑性聚合物覆膜316L不锈钢粉末
称量：采用电子天平分别称取316L不锈钢粉末和热塑性聚合物；
其中，不锈钢的粒径为-200~-400目，不锈钢与聚合物的质量比为100:3~100:10，热塑性聚合物包括聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物。
包覆：首先将热塑性聚合物放入捏合机中加热至完全熔化，然后再把不锈钢粉末加入，并一边加热一边搅拌30~60min，以得到聚合物均匀包覆的金属粉体；
粉碎和筛分：将覆膜金属粉体从捏合机中倒出，采用机械破碎得到粉末，并通过筛分得到粒径为-100~-325目的覆膜金属粉末。
（2）选择性激光烧结成形覆膜不锈钢粉末
首先，采用CAD绘图软件构建植入材料的三维模型，并通过切片软件将其分层处理，将得到的二维截面信息以STL格式保存后输送到SLS成形机的控制系统；然后，采用铺粉装置在SLS成形机的工作台上铺放一层厚度为0.10~0.20mm的覆膜不锈钢粉末，初次铺粉时需要用激光器将SLS成形机的工作台加热至60~100℃预热1~10min，下次铺粉时不需要预热；接着，激光束以10~30W功率、0.10~0.20mm扫描间距和1000~2000mm/s的扫描速度在计算机控制系统的精确指导下对粉床进行选择性烧结得到植入材料的一个层面，同时工作台下降一个相应的截面高度；最后，重复以上铺粉工艺和激光扫描过程，直到完成整个植入材料的加工。
（4）热脱脂和二次烧结
将SLS预成形坯放入烧结炉，并充入高纯氢气作为保护气体，使热脱脂和二次烧结连续进行。首先，以3~5℃/min升温速度从室温升高到300℃；然后，以1~3℃/min升温速度从300℃加热到600℃，并保温1h；最后，以5℃/min的升温速度从600℃加热到1000 ~1200℃，并保温2h，随后炉冷到室温。
本发明的优点在于：
（1）覆膜法的工艺简单，容易实施，制备周期短，成本低，且覆膜316L 不锈钢粉末的烧结性能好，成形精度高，粘结强度大，便于后处理操作；
（2）采用SLS技术能够实现任意复杂形状多孔金属植入材料的制备，且材料的孔隙特征、微观组织结构和力学性能可以通过调整SLS工艺参数和二次烧结温度灵活控制；
（3）热脱脂和二次烧结连续进行，粘结剂的添加量少，且容易脱除，对环境几乎没有污染，得到的多孔金属材料杂质含量低，是一种理想的人体植入材料。
附图说明
图1为本发明的工艺流程简图。
具体实施方式
实施方式一
（1）首先分别称量-200目的316L不锈钢粉末500g，高密度聚乙烯粉末15g；然后把高密度聚乙烯加入捏合机中加热，待其完全熔化后，加入316L不锈钢粉，并一边加热一边搅拌30min，使不锈钢颗粒的表面完全被高密度聚乙烯包覆；最后通过机械破碎和筛分得到-150目的覆膜316L不锈钢粉末；
（2）首先采用CAD软件构建植入材料的三维结构，并通过切片处理后以STL格式输送到SLS成形机；然后将覆膜316L不锈钢粉末铺放在SLS成形机的工作台上，并用激光器加热至60℃预热2min，接着激光器根据切片信息以15W激光功率、0.10mm扫描间距、0.10mm切片厚度和1600mm/s扫描速度的工艺参数对粉床进行选择性烧结得到植入材料的一个截面，工作台同时下降一个相应的铺粉厚度，之后铺粉装置重新铺放新粉，激光器再次扫描，直到完成整个植入材料的加工；
（3）首先将SLS预成形坯放在烧结炉内，并同时充入纯度为99.99%的氢气作保护，然后以5℃/min加热速率升温到300℃，接着以3℃/min加热速率升温到600℃，并保温1h，最后以5℃/min的加热速率升温到1150℃，经2h保温后，随炉冷却到室温，即得到了多孔316L不锈钢植入材料。
经过密度和压缩试验测试，通过以上工艺得到的316L不锈钢植入材料，具有平均孔径100μm，孔隙率45vol%的孔结构和弹性模量3.96GPa，压缩强度38.12MPa的力学性能。
实施方式二
（1）首先分别称量-250目的316L不锈钢粉末500g，聚苯乙烯粉末35g；然后把聚苯乙烯加入捏合机中加热，待其完全熔化后，加入316L不锈钢粉，并一边加热一边搅拌50min，使不锈钢颗粒的表面完全被聚苯乙烯包覆；最后通过机械破碎和筛分得到-180目的覆膜316L不锈钢粉末；
（2）首先采用CAD软件构建植入材料的三维结构，并通过切片处理后以STL格式输送到SLS成形机；然后将覆膜316L不锈钢粉末铺放在SLS成形机的工作台上，并用激光器加热至90℃预热8min，接着激光器根据切片信息以25W激光功率、0.20mm扫描间距、0.20mm切片厚度和1000mm/s扫描速度的工艺参数对粉床进行选择性烧结得到植入材料的一个截面，工作台同时下降一个相应的铺粉厚度，之后铺粉装置重新铺放新粉，激光器再次扫描，直到完成整个植入材料的加工；
（3）首先将SLS预成形坯放在烧结炉内，并同时充入纯度为99.99%的氢气作保护，然后以4℃/min加热速率升温到300℃，接着以2℃/min加热速率升温到600℃，并保温1h，最后以5℃/min的加热速率升温到1000℃，经2h保温后，随炉冷却到室温，即得到了多孔316L不锈钢植入材料。
经过密度和压缩试验测试，通过以上工艺步骤得到的316L不锈钢植入材料，具有平均孔径150μm，孔隙率60vol%的孔结构和弹性模量2.47GPa，压缩强度17.53MPa的力学性能。
实施方式三
（1）首先分别称量-400目的316L不锈钢粉末500g，聚酰胺粉末25g；然后把聚乙烯加入捏合机中加热，待其完全熔化后，加入316L不锈钢粉，并一边加热一边搅拌40min，使不锈钢颗粒的表面完全被聚乙烯包覆；最后通过机械破碎和筛分得到-270目的覆膜316L不锈钢粉末；
（2）首先采用CAD软件构建植入材料的三维结构，并通过切片处理后以STL格式输送到SLS成形机；然后将覆膜316L不锈钢粉末铺放在SLS成形机的工作台上，并用激光器加热至70℃预热5min，接着激光器根据切片信息以30W激光功率、0.15mm扫描间距、0.15mm切片厚度和1800mm/s扫描速度的工艺参数对粉床进行选择性烧结得到植入材料的一个截面，工作台同时下降一个相应的铺粉厚度，之后铺粉装置重新铺放新粉，激光器再次扫描，直到完成整个植入材料的加工；
（3）首先将SLS预成形坯放在烧结炉内，并同时充入纯度为99.99%的氢气作保护，然后以5℃/min加热速率升温到300℃，接着以3℃/min加热速率升温到600℃，并保温1h，最后以5℃/min的加热速率升温到1200℃，经2h保温后，随炉冷却到室温，即得到了多孔316L不锈钢植入材料。
经过密度和压缩试验测试，通过以上工艺步骤得到的316L不锈钢植入材料，具有平均孔径80μm，孔隙率30vol%的孔结构和弹性模量5.35GPa，压缩强度58.52MPa的力学性能。
已知松质骨的弹性模量为0.1~20GPa，抗压强度为2~200MPa，按照以上三种实施方式制备的多孔316L不锈钢，其力学性能均能满足人体植入材料的基本要求，是一种理想的多孔金属植入材料。

Claims (3)

1.一种选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法，其特征在于，首先采用覆膜法制备热塑性聚合物包覆的316L不锈钢粉末；然后采用选择性激光烧结技术成形覆膜金属粉末，得到预成形坯；最后通过热脱脂和二次烧结得到多孔的金属植入材料；
覆膜法的工艺过程和材料的性能参数如下：
（1）称量：采用电子天平分别称取316L不锈钢粉末和热塑性聚合物；
其中，不锈钢的粒径为-200~-400目，不锈钢与热塑性聚合物的质量比为100:3~100:10，热塑性聚合物包括聚乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物；
（2）包覆：首先将热塑性聚合物放入捏合机中加热至完全熔化，然后再把不锈钢粉末加入，并一边加热一边搅拌30~60min，以得到聚合物均匀包覆的金属粉体；
（3）粉碎和筛分：将覆膜金属粉体从捏合机中倒出，采用机械破碎得到粉末，并通过筛分得到粒径为-100～-325目的覆膜金属粉末。
2.根据权利要求1所述的选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法，其特征在于，选择性激光烧结的工艺过程和具体的工艺参数如下：
（1）采用CAD绘图软件构建植入材料的三维模型，并通过切片软件将其分层处理，将得到的二维截面信息以STL格式保存后输送到SLS成形机的计算机控制系统，以提供激光扫描时的加工路线；
（2）采用铺粉装置在SLS成形机的工作台上铺放一层厚度为0.10~0.20mm的覆膜不锈钢粉末，初次铺粉时需要用激光器将SLS成形机的工作台加热至60~100℃预热1~10min，下次铺粉时不需要预热；
（3）激光束以10~30W功率、0.10~0.20mm扫描间距和1000~2000mm/s的扫描速度在计算机控制系统的精确指导下对粉床进行选择性烧结得到植入材料的一个层面，同时工作台下降一个相应的截面高度； 
（4）重复步骤（2）和（3），直至完成整个植入材料的加工。
3.根据权利要求1所述的选择性激光烧结制备不锈钢生物多孔植入材料的方法，其特征在于，脱脂和二次烧结的具体工艺和参数如下：
将SLS预成形坯放入烧结炉，并充入纯度99.99%的高纯氢气作为保护气，使热脱脂和二次烧结连续进行；首先，以3~5℃/min升温速度从室温加热到300℃；然后，以1~3℃/min升温速度从300℃加热到600℃，并保温1h；最后，以5℃/min的升温速度从600℃加热到1000~1200℃，经2h保温后，随炉冷却至室温。
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