CN106141188A

CN106141188A - 3D打印制模自蔓延热爆成形多孔NiTi人工植入体工艺

Info

Publication number: CN106141188A
Application number: CN201510172602.XA
Authority: CN
Inventors: 陈大智; 张效天; 杨班权; 朱丹; 徐玉英; 苏宏艺; 李宁; 李宁一; 陈威; 谭俊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-11-23

Abstract

一种3D打印制模自蔓延热爆成形多孔NiTi人工植入体工艺方法。包括以下工艺过程：1、塑料模型打印：用CT机扫描得到人体CT图像文件，通过mimics10.0软件合成截取的部分骨关节数字3D文件，设计打印模型的3D文件。用3D打印机打印人工关节的聚乙烯模型。2、热爆成形模具的翻制：用打印的塑料模型翻制自蔓延热爆成形用模具。用水泥加轻质耐火砖粉末翻制多孔NiTi合金热爆模具。3、多孔NiTi合金人工植入体成形：用压力机压制按近等原子比配制并混匀的Ni粉和Ti粉成生坯。将生坯放入热爆模具中，然后一起放入电阻炉中，在氩其保护下升温至NiTi的自蔓延反应温度，整个生坯将同时发生自蔓延反应，实现热爆成形多孔NiTi人工植入体。

Description

3D打印制模自蔓延热爆成形多孔NiTi人工植入体工艺

技术领域

本发明属于数字化增材制造与自蔓延技术交叉学科技术领域，涉及一种3D打印制模自蔓延热爆成形多孔NiTi人工植入体工艺。

背景技术

多孔NiTi合金由于其良好的多孔性，可以允许人体组织在其内部的生长，以及液态营养物质的输送。另外，其良好的变形能力和形状恢复能力使其能与人体其他组织相互协调配合。此外，具有医学植入金属材料中最接近人骨的弹性模量和很好的抗腐蚀能力以及生物相容性。被认为是很有前途的生物医学材料。可用于骨骼的移植上。传统的多孔NiTi合金植入体通常用粉末冶金的方法制造，即把配制好的镍粉和钛粉混合均匀，在通用模具中压实，然后烧结打磨。随着科学技术的发展，现代医学的各个领域愈发注重个体化治疗，从治疗方案到治疗植入器械都力求“因人而异”。在医用材料的个体化定制方面如：口腔颌面外科、整形外科、骨科、神经外科等学科都对医用材料的个体化定制有相当高的要求，需要根据患者的具体骨骼的尺寸和形状定制特定形状的植入材料和器械。因此，用通用模具成形的多孔NiTi合金植入体难以满足个体化定制的要求。近年来，3D打印技术飞速发展并日趋成熟，对个体化定制医疗器材开辟了一条崭新的道路。如今世界各地科学家已成功运用3D打印技术制作出包括纯钛、镁、316L医用钢、羟基磷灰石及许多高分子材料植入器材。并且初步运用于临床，收到了很好的效果，甚至很多材料如纯钛可以无需打印模具而直接通过3D打印法一次成形。但是，尺寸精确、连通性很好的多孔NiTi合金很难直接通过3D打印法一次成形。原因是原子比接近于1的Ni粉与Ti粉的混合粉或药芯丝材，打印温度超过其点火温度，将发生自蔓延反应，易产生“回火”、氧化、烧损打印头等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种满足个体化定制要求的NiTi多孔医用植入体数字化制造工艺。包括：人体图像采集、三维图像处理、高分子模型设计和模型的3D打印成形、用打印的模型翻制自蔓延热爆用模具，以及植入体的自蔓延热爆反应成形。

本发明的目的是通过以下步骤实现的：

1、塑料模型打印：用CT机扫描得到人体CT图像文件，通过mimics 10.0软件合成截取的部分骨关节数字3D文件，设计打印模型的3D文件。用3D打印机打印人工关节的聚乙烯模型。用聚乙烯醇粉末(200目)作为打印原料，添加聚乙烯吡咯烷酮(10％)增加粉末流动性。并且使用丙醇、甘油和蒸馏水(20∶6∶1)作为粘结固化剂。铺粉厚度0.25mm，线间距小于0.1mm。为提高打印速度，节省打印材料，打印空心塑料模型。

2、热爆成形模具的翻制：用打印的塑料模型翻制自蔓延热爆成形用模具。用水泥加轻质耐火砖粉末翻制多孔NiTi合金热爆模具。该材料保温效果好、脱模容易。为提高模具强度，模具外加钢套。另一种热爆模具材料是呋喃树脂加石英砂。其特点是成形速度快，几分钟即可成形。为防止翻模时塑料模型变形，模型内填石膏。

3、多孔NiTi合金人工植入体成形：用压力机压制按近等原子比配制并混匀的Ni粉和Ti粉成生坯。将生坯放入热爆模具中，然后一起放入电阻炉中，在氩其保护下升温至NiTi的自蔓延反应温度，整个生坯将同时发生自蔓延反应，实现热爆。由于生坯与热爆模具有一定的间隙，热爆后体积膨胀充满间隙，形成与CT扫描的尺寸和形状完全相同的植入体。间隙过大充不满且易使内部出现大孔洞，过小则会胀坏热爆模具，间隙大小根据植入体大小确定。一般双边间隙总和为植入体尺寸的1/3左右。

有益效果

：该技术兼具3D打印和自蔓延技术的优点：即工艺简单、模具型腔等复杂形状及其内表面精细几何形状可一次打印形成，省去了传统产品加工中的制图、数控加工等昂贵、费时的步骤，几乎不需机械加工，产品尺寸精度高。以打印的高分子薄壁件为原型，用水泥加耐火材料粉或水泥加铸造用砂或呋喃树脂加铸造用石英砂等翻制自蔓延热爆成形模具。然后在模具中靠自蔓延热爆反应瞬间制造出多孔NiTi合金植入体。无需用电和气。节能、高效、生产周期短，经济效益显著。因打印的模型是空心塑料薄壁件，打印速度快、成本低，与直接3D打印实体金属件方法相比，该工艺的显著特点在于充分利用了数字化增材制造的优点，同时又避开了3D打印金属实体速度慢，和难以打印易氧化和内部结构要求高的多孔NiTi合金难题。适合制造满足个体化需求的多孔NiTi合金医用植入体。

具体实施方式

以制造人工股骨头为例

1、塑料模型打印：用CT机扫描得到人体CT图像文件，通过mimics 10.0软件合成截取的部分骨关节数字3D文件，设计打印塑料模型的3D文件。用3D打印机打印人工股骨头的聚乙烯模型。用聚乙烯醇粉末(200目)作为打印原料，添加聚乙烯吡咯烷酮(10％)增加粉末流动性。并且使用丙醇、甘油和蒸馏水(20∶6∶1)作为粘结固化剂。铺粉厚度0.25mm，线间距小于0.1mm。为提高打印速度，节省打印材料，打印空心股骨头塑料模型。

2、热爆成形模具的翻制：用打印的塑料模型翻制自蔓延热爆成形用模具。用水泥加轻质耐火砖粉末(1∶1)翻制多孔NiTi合金热爆模具。该材料保温效果好、脱模容易。为提高模具强度，模具外加钢套。为防止翻模时塑料模型变形，模型内填石膏。

3、多孔NiTi合金人工植入体成形：用150MPa压力压制按近等原子比配制并混匀的Ni粉和Ti粉成生坯。将生坯放入热爆模具中，然后一起放入电阻炉中，在氩其保护下升温至NiTi的自蔓延反应温度950℃，整个生坯将同时发生自蔓延反应，实现热爆。由于生坯与热爆模具有一定的间隙，热爆后体积膨胀充满间隙，形成与CT扫描的尺寸和形状完全相同的多孔人工股骨头。间隙过大充不满且易使内部出现大孔洞，过小则会胀坏热爆模具，间隙大小根据植入体大小确定。双边间隙总和为植入体尺寸的1/3。

Claims

1.3D打印制模自蔓延热爆成形多孔NiTi人工植入体工艺。其特征在于：所述工艺包括以下过程：

塑料模型打印：用CT机扫描得到人体CT图像文件，通过mimics 10.0软件合成截取的部分骨关节数字3D文件，设计打印模型的3D文件。用3D打印机打印人工关节的聚乙烯模型。用聚乙烯醇粉末(200目)作为打印原料，添加聚乙烯吡咯烷酮(10％)增加粉末流动性。并且使用丙醇、甘油和蒸馏水(20∶6∶1)作为粘结固化剂。铺粉厚度0.25mm，线间距小于0.1mm。为提高打印速度，节省打印材料，打印空心塑料模型。

2.热爆成形模具的翻制：用打印的塑料模型翻制自蔓延热爆成形用模具。用水泥加轻质耐火砖粉末翻制多孔NiTi合金热爆模具。为防止翻模时塑料模型变形，模型内填石膏。

3.多孔NiTi合金人工植入体成形：用压力机压制按近等原子比配制并混匀的Ni粉和Ti粉成生坯。将生坯放入热爆模具中，然后一起放入电阻炉中，在氩其保护下升温至NiTi的自蔓延反应温度，整个生坯将同时发生自蔓延反应，实现热爆。由于生坯与热爆模具有一定的间隙，热爆后体积膨胀充满间隙，形成与CT扫描的尺寸和形状完全相同的植入体。间隙过大充不满且易使内部出现大孔洞，过小则会胀坏热爆模具，间隙大小根据植入体大小确定。双边间隙总和为植入体尺寸的1/3左右。