CN109350312A - 一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明主要公开了一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，通过对所需加工材料进行均匀加热，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，在聚焦部位发生固态到液态的转化，实现液态废液与金属壁的脱离，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间升压，利用连续变化的升压将剥落的废液从加工件腔体内排出，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。本发明给予了系统中微结构的设计更多自由度。本发明受材料限制小，可在金属和非金属材料上进行加工。本发明能制备孔隙率高，孔径大小均匀，且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。

Description

一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种基于超声加工的人工骨骼制造方法及装置。
背景技术
生物医用材料又称生物材料，它是对生物进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官进行其功能的材料。人工骨骼的制造一直作为医学生物材料的热门话题，因其作为人体硬组织替代或修复材料，需要其具有良好的生物相容性，且具有良好的疏松孔结构，以用于储存生物因子和医学药物，以及利于骨组织在材料中再生。
目前人工骨骼材料制备方式很多，包括：(1)粉末冶金法：工艺简单，制造成本低，能较好的控制多孔材料的空隙结构、孔隙率、孔径大小等空隙参数，但制备出的多孔钛孔隙率太低，连通性差且空隙非球形；(2)纤维冶金法：可产生高质量的多孔金属纤维材料，但产品尺寸受限制，多孔钛材料空隙不规则；(3)自蔓延高温合成法：反应速度块，产生温度高，能产生多孔结构，但空隙率不高且具有长型空隙结构；(4)快速成型技术：当前针对金属构件快速成型方法主要包括激光烧结和电弧烧结成型方式，其生成人工骨骼孔隙结构，大小，孔率等参数得到了精确的控制，但加工时间长，容易在内部空隙黏结不易处理的金属颗粒或隆起。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，该方法能制备孔隙率高，孔径大小均匀，且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。
为了达到上述目的，本发明所采取的具体技术方案为：
一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温。利用温度传感器等设备获取加热中材料表面温度状况，根据材料的属性，对加热过程进行监控。
步骤二：根据加工材料不同温度条件下脉冲光与表面弹应力场的变化，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化；
步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；根据现有国内外单轴驻波理论基础可知在单轴超声下，超声波产生的声压力可将液滴或固体颗粒物悬浮在驻波节点位置。
在多个超声换能器协同工作时，调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能。
液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮。液滴在超声驻波声辐射力作用下克服自重以及与壁面的粘附力等阻力，与固态界面接触角逐渐变大液面向液滴中心移动收缩最终形成稳定悬浮。
步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间声压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长，位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势，颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出；
步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的孔率均等，形成所需孔隙结构，表面性能良好的疏松孔金属材料。
进一步的，步骤三中，根据声学物理公式，声场势能Uac为：
其中，p和v是声场压力和物体速度，cM是媒介中的声速度，k和ρ是可压缩量和密度，M和P分别代表媒介和悬浮物，r代表悬浮颗粒的球半径，kp和kM分别为悬浮颗粒可压缩量和声介质的压缩量，ρp和ρM分别为悬浮颗粒的密度和声介质的密度。
进一步的，所述物理导热或者产热方式为红外线或电磁波。
进一步的，由于坯料处于固、液两相临界非常温状态，激光与合金表面弹性耦合作用条件发生新的变化。步骤二中，根据加工材料不同温度条件下不同脉冲序列激光与表面的弹性耦合性能，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化。
进一步的，步骤四中，完成加工部件前体内任意一坐标点的金属液化并通过排液口排出，通过对控制激光超声部分和换能器的协同工作，在金属材料内逐点派出在形成加工所设定的内部结构。
进一步的，步骤五后，将加工好的金属卸载内部应力，强化表面刚性和韧性或通过电镀对表面进行处理。将加工好的零件按照要求热处理或表面处理，利于零件在所需应用领域获得更好效果。
进一步的，一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，包括控温设备、激光超声装置及超声阵列，所述控温设备、激光超声装置及超声阵列均匀计算机相连接，所述激光超声装置及超声阵列设于被加工金属的侧面，所述激光超声装置及超声阵列不设于同一面。
进一步的，所述控温设备为电磁加热设备或红外升温设备。
进一步的，所述激光超声装置包括若干个激光发射探头，所述激光发射探头用于金属内的局部加热。
进一步的，所述超声阵列包括若干个超声换能器，所述超声换能器末端装设变幅杆。
采用以上技术方案，本发明所具有的有益效果是：本发明方法可以在材料内部直接加工微结构，微结构分布可以是离散的也可以连续的，微结构形状可以平面的也可以是三维的，甚至可以连接两种及以上基体材料的微结构。本发明在工艺上可以减少制备掩膜环节，实现封闭空间内加工制造，还可以减少键合、装配环节，有利于实施内部连接、局部修复等。本发明给予了系统中微结构的设计更多自由度。本发明受材料限制小，超声加工能在激光加工无法加工的非透明材料中进行加工，且受材料形式限制少，可在金属和非金属材料上进行加工。且孔与孔之间相互连通的人工骨骼，从而提高生长因子与药物在人工骨骼的存储率，有利于骨细胞在孔隙中再生长。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法的整体系统框架示意图。
图2为本发明提供的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法的金属加工过程中局部示意图。
具体实施方式
由于材料阻抗与匹配问题，超声与材料表面作用时会产生大量超声能量的反射和散射等能量损失。本专利采用激光激发发声技术,提高光声耦合转化效率和超声的体内传播指向性。
如图1所示，一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，包括控温设备、激光超声装置10及超声阵列，所述控温设备、激光超声装置10及超声阵列均匀计算机相连接，所述激光超声装置10及超声阵列设于被加工金属的侧面，所述激光超声装置10及超声阵列不设于同一面。通过功率放大器16达到加工过程中脱附和悬浮需要的功率加。图中13为温控设备所产生的热辐射示意。图中17为超声发生器。
所述控温设备为电磁加热设备或红外升温设备。所述激光超声装置包括若干个激光发射探头，如图中7、8、9所示。所述激光发射探头7、激光发射探头8、激光发射探头9用于金属内的局部加热。
所述超声阵列包括若干个超声换能器12，所述超声换能器末端装设变幅杆，如图中标号1～6所示。
一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况，当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温；
步骤二：步骤二中，根据加工材料不同温度条件下不同脉冲序列激光与表面的弹性耦合性能，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化。
步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；超声物理学系单轴超声声场下的声场势能Uac：声场势能Uac为：
其中，p和v是声场压力和物体速度，cM是媒介中的升速度，k和ρ是可压缩量和密度，M和P分别代表媒介和悬浮物，r代表悬浮颗粒的球半径，kp和kM分别为悬浮颗粒可压缩量和声介质的压缩量，ρp和ρM分别为悬浮颗粒的密度和声介质的密度。
调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能；
液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮；
步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间升压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长，位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势。颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出。
步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。将加工好的金属卸载内部应力，强化表面刚性和韧性或通过电镀对表面进行处理。
实施例一、采用合金Zr0.75Nb0.25作为骨骼替代材料，该合金具有良好的抗腐蚀性、优异的强度和韧性，杨氏模量约为29GPa以其与人体骨骼的杨氏模量(约为30GPa)十分的相近，有很好的生物相容性利于组织在骨隙中进行生长。如图2所示，为加工材料Zr0.75Nb0.25合金11，标号1～6均为由计算机14控制频率和功率的变幅杆。激光超声装置10接收计算机14控制信号并转换成电信号传输到激光发射探头7、激光发射探头8、激光发射探头9。
加工初期，计算机14通过红外热辐射或电磁感应对金属材料进行升温控温操作，将材料提升到指定加工温度C，此温度接近金属材料液化临界值。此时温度为金属临界温度C。计算机控制的激光发射探头7、激光发射探头8、激光发射探头9分别以不同的频率和功率打在加工材料Zr0.75Nb0.25合金11表面一侧三个不同的点A、B、C。
由于金属表面与激光产生热耦合作用，在金属内会产生超声波动。计算机14计算出给予三个激光笔不同电信号使得在加工材料Zr0.75Nb0.25合金11中产生三个不同的超声波，分别为λ7，λ8，λ9。三个λ7，λ8，λ9波形在传播方向上某个空间点A(xA,yA,zA)产生一个能量焦且对由于能量的聚集引起局部升温形成温度梯度。
由于工件处于液化临界值，空间点A(xA,yA,zA)区域金属发生液化。排液口15位于工件上方。超声换能器1、超声换能器2、超声换能器3由计算机通过计算，分赋予超声换能器1、超声换能器2、超声换能器3震动频率本别为λ1，λ2，λ3及分别为P1，P2，P3的工作功率。在加工腔内产生声场压力将液化金属从金属内壁分离。
同样，通过计算改变λ1，λ2，λ3以及P1，P2，P3值，从而在加工体空腔内产生连续变化的声场压力，对加工体内部脱附的废液稳定悬浮，并将其顺着排液口排出腔体。重复以上加工过程在加工零件上实现去材成型加工，生成具有一定空隙率的人工骨骼。
实施例二：采用同样具性能良好的Ti合金，采用例一中的方式进行加工，实现人工骨的去材制造。
本领域的技术人员应该理解，本发明的具体实施方式仅用于解释本发明的原理，而并不限制本发明。凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先，通过物理导热或者产热方式对所需加工材料进行均匀加热，获取加热中材料表面温度状况，当检测到材料表面接近熔点时停止加热，降低加热装置功率对材料进行保温；
步骤二：根据加工材料不同温度条件下脉冲光与表面弹应力场的变化，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化；
步骤三：在步骤二中，加工区域发生固液相位转，液化金属在超声作用下发生分离变形，金属液滴与金属固体表面接触角逐渐增大，同时在超声相控阵列的超声波在液化金属区域产生声场；超声物理学系单轴超声声场下的声场势能Uac：
调节每个超声换能器震动的频率以及震动功率，在加工区域产生个连续变化的声场力和声场势能；
液滴在超声驻波声辐射力作用下趋于球形最后脱离壁面；液滴脱离壁面后向驻波点或超声声场势陷区域移动形成稳定悬浮；
步骤四：步骤三实现液态废液与金属壁的脱离，废液分离后，由多个超声换能器组成的超声相控阵列产生连续变化的空间声压，通过控制各个超声波发生器的发出超声波长、位控制以及功率，在加工腔体内产生超声声陷势能，由物理定义物体在无外力作用下有从高势能处往低势能处运动的趋势，颗粒物体会随着超声势陷位置的变化而发生运动，通过对超声势陷的改变在声场内实现颗粒物的任意轨迹运动，利用连续变化的声压将剥落的废液从加工件腔体内排出；
步骤五：持续进行步骤三、步骤四，将金属加工成相互连通的疏松孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，步骤三中，声场势能Uac为：
其中，p和v是声场压力和物体速度，cM是媒介中的声速度，k和ρ是可压缩量和密度，M和P分别代表媒介和悬浮物，r代表悬浮颗粒的球半径，kp和kM分别为悬浮颗粒可压缩量和声介质的压缩量，ρp和ρM分别为悬浮颗粒的密度和声介质的密度。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，所述物理导热或者产热方式为红外线或电磁波。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，步骤二中，根据加工材料不同温度条件下不同脉冲序列激光与表面的弹性耦合性能，在被加工合金在金属内部产生声孤子并将其聚焦在金属加工位置，加工区域产生超声能量聚焦产生温度梯度，在聚焦部位发生固态到液态的转化。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，步骤四中，完成加工部件前体内任意一坐标点的金属液化并通过排液口排出，通过对控制激光超声部分和换能器的协同工作，在金属材料内逐点派出在形成加工所设定的内部结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造方法，其特征在于，步骤五后，将加工好的金属卸载内部应力，强化表面刚性和韧性或通过电镀对表面进行处理。
7.一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，其特征在于，包括控温设备、激光超声装置及超声阵列，所述控温设备、激光超声装置及超声阵列均匀计算机相连接，所述激光超声装置及超声阵列设于被加工金属的侧面，所述激光超声装置及超声阵列不设于同一面。
8.根据权利要求7所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，其特征在于，所述控温设备为电磁加热设备或红外升温设备。
9.根据权利要求7所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，其特征在于，所述激光超声装置包括若干个激光发射探头，所述激光发射探头用于金属内的局部加热。
10.根据权利要求7所述的一种基于超声加工的人工骨骼制造装置，其特征在于，所述超声阵列包括若干个超声换能器，所述超声换能器末端装设变幅杆。
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