CN109513050A - 渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用，属于植入体技术领域。该制备方法包括：建模：以患者的CT数据获得骨组织数据并设计孔结构，然后设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型；对患者骨的三维模型进行镂空结构设计并引入渐变梯度多孔钽植入体结构。转化：将三维模型转化为二维切片模型并在软件中生成对应的加工程序。加工：采用金属选区激光熔化方法制备，以得到渐变梯度多孔钽植入体成品。该方法可满足大段骨缺损患者对植入体的个性化要求，实现渐变梯度多孔结构钽植入体的快速个性化制造。制得的钽植入体内部组织均匀、尺寸精度高，表面质量好，力学性能优异，能满足植入人体的力学性能要求，适用作骨科植入物。

Description

渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于植入体技术领域，且特别涉及一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用。
背景技术
目前，Ti6Al4V合金是采用增材制造技术制备的最常用的骨科植入物，虽然其具有较好的生物相容性和耐腐蚀性能，但在长期服役过程中会释放出毒性元素钒以及会引起骨软化、神经紊乱等症状的铝元素，在一定程度上限制了其应用。
对大段骨创伤或骨缺损患者而言，其涉及到的骨组织往往包含皮质骨和松质骨多种结构，然而传统的均一孔结构很难满足对植入体的最佳力学和生物学性能要求，因此，需要对植入体进行改进。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法，该制备方法可以满足大段骨缺损患者对植入体的个性化要求，实现具有渐变梯度多孔结构钽植入体的快速个性化制造。
本发明的第二目的在于提供一种由上述制备方法制备而得的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，钽植入体内部组织均匀、尺寸精度高，表面质量好，力学性能优异，能满足植入人体的力学性能要求。
本发明的第三目的在于提供一种上述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的应用，例如可将其用作骨科植入物。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本申请提出了一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法，包括以下步骤：
建模：以待植入渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者的CT数据获得骨组织数据并设计孔结构，然后采用软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型。
结合患者骨结构的特点对患者骨的三维模型进行镂空结构设计并引入渐变梯度多孔钽植入体结构。
转化：对构建的渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理以将三维模型转化为二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，根据轮廓数据在软件中生成对应的加工程序。
加工：将加工程序导入金属选区激光熔化成形设备，以钽粉为原料，采用金属选区激光熔化方法制备渐变梯度多孔钽植入体的单层截面，然后按照所需层数重复制备多层单层截面并使各层单层截面层层叠加，得到渐变梯度多孔钽植入体的成品。
本申请还提出了一种由上述制备方法制备而得的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体。
本申请还提出了一种上述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的应用，例如可将其用作骨科植入物。
本申请渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用的有益效果包括：
本申请提供的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法可以满足大段骨缺损患者对植入体的个性化要求，实现具有渐变梯度多孔结构钽植入体的快速个性化制造。由此得到的植入体内部组织均匀、尺寸精度高(可控制在±0.1mm以内)，表面质量好，力学性能优异，能满足植入人体的力学性能要求。骨骼中的渐变梯度多孔结构的设计，可以避免非梯度结构孔隙率突然转变处引起的应力集中，另外这种结构有利于骨组织生长和矿化，生物相容性更好，便于患者恢复。上述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体适合将其用作骨科植入物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例2提供的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的部分截面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体及其制备方法与应用进行具体说明。
本申请提供的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法包括以下步骤：
建模：以待植入渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者的CT数据获得该患者的骨组织数据并设计孔结构，然后采用软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型。
进而，结合患者骨结构的特点对患者骨的三维模型进行镂空结构设计并引入渐变梯度多孔钽植入体结构。
作为可选地，设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型的软件可以为Solidworks、AutoCAD或UG软件等。相应的，镂空结构设计可以，但不仅限于采用商用三维设计软件如3-matic进行。
本申请中，渐变梯度多孔钽植入体结构主要引入至人体骨中不承受明显拉应力和/或拉应力较小的区域，通过在这些区域引入渐变梯度多孔钽植入体结构，可增加植入体与人体力学和生物力学的相容性。
较佳地，本申请中渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的孔隙率的梯度变化范围可以为40-85％，也即孔隙率可以属于在40-85％范围内的任一范围值进行梯度变化。例如，其可以由40％至85％呈递增梯度变化，也可以由85％至40％呈递减梯度变化，还可以由75％至40％呈递减梯度变化。
作为可选地，渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的多孔结构的基本单元可以为金刚石结构、正八面体结构或菱形十二面体结构。多孔结构则经基本单元沿XY方向和XZ方向不断平移复制累加得到。
进一步地，进行转化步骤：对构建的渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理以将三维模型转化为二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，根据轮廓数据在软件中生成对应的加工程序。
其中，编辑处理例如可采用，但不限于Magics软件进行。
进一步地，进行加工步骤：将上述加工程序导入金属选区激光熔化成形设备中，以钽粉为原料，采用金属选区激光熔化方法制备渐变梯度多孔钽植入体的单层截面，然后按照所需层数重复制备多层单层截面并使各层单层截面层层叠加，得到渐变梯度多孔钽植入体的成品。
其中，单层截面的制备方法包括：将基板固定于选区激光烧结成形设备的成形缸上，金属钽粉末加入选区激光烧结成形设备的粉末缸中，向选区激光烧结成形设备的成形室中充入保护性气氛。
选区激光烧结成形设备的送粉装置将钽粉末送至成形缸上，选区激光烧结成形设备的铺粉装置将钽粉末均匀铺于基板的表面，多余的钽粉末收回至粉末缸中。
激光根据加工程序选择性地照射钽粉末，被照射的钽粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成渐变梯度多孔钽植入体的单层截面。
在一些实施方式中，上述钽粉末的粒度可以为10-60μm，如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm或60μm等，也可以为15μm、25μm、35μm、45μm或55μm等，还可以为10-60μm范围内的任一粒度值。
作为可选地，上述保护性气氛可以包括氩气或氦气。优选地，充入保护性气氛后，成形室中氧含量浓度小于50ppm，以有效避免钽粉末发生氧化。
作为可选地，本申请中所用的激光的扫描条件例如可以包括：激光功率为150-350W，和/或扫描速度为500-1500mm/s，和/或单层层厚为20-40μm。
其中，激光功率例如可以为150W、200W、250W、300W或350W等，也可以为150-350W范围内的任一功率值。
扫描速度例如可以为500mm/s、600mm/s、700mm/s、800mm/s、900mm/s、1000mm/s、1100mm/s、1200mm/s、1300mm/s、1400mm/s或1500mm/s等，也可以为500-1500mm/s范围内的任一速度值。
单层层厚例如可以为20μm、30μm或40μm等，也可以为25μm或35μm等，还可以为20-40μm范围内的任一厚度值。
在优选地实施方式中，不同孔隙率对应的激光扫描条件不同，可参照地，当孔隙率为40％时，激光扫描过程中设置的激光功率为350W，扫描速度为1500mm/s，此时压缩强度为350MPa，弹性模量为95GPa；当孔隙率为50％时，激光扫描过程中设置的激光功率为290W，扫描速度为1200mm/s，此时压缩强度为290MPa，弹性模量为82GPa；当孔隙率为60％时，激光扫描过程中设置的激光功率为240W，扫描速度为1000mm/s，此时压缩强度为230MPa，弹性模量为53GPa；当孔隙率为70％时，激光扫描过程中设置的激光功率为200W，扫描速度为800mm/s，此时压缩强度为170MPa，弹性模量为36GPa；当孔隙率为80％时，激光扫描过程中设置的激光功率为170W，扫描速度为600mm/s，此时压缩强度为120MPa，弹性模量为13GPa；当孔隙率为85％时，激光扫描过程中设置的激光功率为150W，扫描速度为500mm/s，此时压缩强度为110MPa，弹性模量为6.8GPa。
作为可选地，本申请所涉及的送粉装置可以为可升降的送粉缸，铺粉装置可以为不锈钢刮刀，基板可以由钛合金制得。
承上，通过采用本申请所涉及的制备方法制备渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，具有快速制造、个性化定制及制造和结构可定制化等优点，能够有效避免目前植入体的制备存在生产周期长、成本高、难以个性化定制和孔的尺寸及结构无法设计等问题。
并且，发明人发现通过采用钽作为原料，相比于Ti6Al4V合金在长期服役过程中不会释放出毒性元素，也不会引起骨软化或神经紊乱等现象，同时由此制得的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体还具有优良的生物相容性和骨修复能力，其原因可能与多孔钽具有高孔隙率、低弹性模量、高摩擦系数、组织内生性及软骨传导性等特性有关。此外，本申请设计渐变梯度多孔结构不仅可避免非梯度结构孔隙率突然转变处引起的应力集中，而且还有利于骨组织生长和矿化。
此外，本申请还提供了一种上述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的应用，例如可将其用作骨科植入物，尤其适用于大段骨创伤或骨缺损患者。通过将该渐变梯度多孔结构个性化钽植入体作为骨科植入物，能够有效满足患者对植入体的最佳力学和生物学性能要求，利于骨组织生长和矿化，便于患者恢复。
实施例1
本实施例提供一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，该渐变梯度多孔结构个性化钽植入体经以下制备方法制备而得：
(1)从待植入渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者CT数据出发，获得其骨组织结构，以此骨组织数据为基础设计孔结构，采用Solidworks软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型。上述孔结构的孔隙率从75％渐进梯度变化到40％，对应孔径从850微米渐进梯度变化到450微米。孔结构的基本单元为正八面体结构，多孔结构经基本单元沿XY方向和XZ方向不断平移复制累加得到。
(2)采用3-matic软件，结合如骨缺损患者骨结构特点对患者骨的三维模型进行镂空设计并在不承受明显拉应力和/或拉应力较小的区域引入渐变梯度多孔钽植入体结构，增加植入体与人体力学和生物力学的相容性。
(3)采用Magics软件对构建的渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理，将个性化植入体三维模型转化成二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，并根据轮廓数据在软件中生成相应的加工程序。
(4)将上述加工程序导入金属选区激光熔化成形设备中。
(5)将钛合金基板固定在选区激光熔化成形设备的成形缸上，粒度为30μm的金属钽粉末加入选区激光烧结成形设备的粉末缸中，向选区激光烧结成形设备的成形室中充入氩气，保持成形室中氧含量浓度在小于50ppm的范围内。
(6)可升降的送粉缸将钽粉末送至成形缸上，不锈钢刮刀将足够的钽粉末均匀的铺在成形缸的钛合金基板上，多余的粉末送至收粉缸内；按以下激光扫描条件下进行单层激光扫描：激光扫描功率由180W渐变至350W，扫描速度由700mm/s渐变至1500mm/s。扫描过程中，被照射的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成厚度为20μm的渐变梯度多孔钽植入体的单层截面。
其中，当孔隙率为75％时，激光扫描的激光功率为180W，扫描速度为700mm/s；当孔隙率为70％时，激光扫描的激光功率为200W，扫描速度为800mm/s；当孔隙率为60％时，激光扫描的激光功率为240W，扫描速度为1000mm/s；当孔隙率为50％时，激光扫描的激光功率为290W，扫描速度为1200mm/s；当孔隙率为40％时，激光扫描的激光功率为350W，扫描速度为1500mm/s。
(7)成形缸下降一层的高度，然后按照所需层数不断重复步骤(6)，制备1000层单层截面并使各层单层截面层层叠加，直至钽植入体完全构筑成形，得到渐变梯度多孔钽植入体的成品。
实施例2
本实施例提供一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，该渐变梯度多孔结构个性化钽植入体经以下制备方法制备而得：
(1)从待植入渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者CT数据出发，获得其骨组织结构，以此骨组织数据为基础设计孔结构，采用AutoCAD软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型。上述孔结构的孔隙率从80％渐进梯度变化到40％，对应孔径从950微米渐进梯度变化到450微米。孔结构的基本单元为正八面体结构，多孔结构经基本单元沿XY方向和XZ方向不断平移复制累加得到。
(2)采用3-matic软件，结合如骨缺损患者骨结构特点对患者骨的三维模型进行镂空设计并在不承受明显拉应力和/或拉应力较小的区域引入渐变梯度多孔钽植入体结构，增加植入体与人体力学和生物力学的相容性。
(3)采用Magics软件对构建的渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理，将个性化植入体三维模型转化成二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，并根据轮廓数据在软件中生成相应的加工程序。
(4)将上述加工程序导入金属选区激光熔化成形设备中。
(5)将钛合金基板固定在选区激光熔化成形设备的成形缸上，粒度为10μm的金属钽粉末加入选区激光烧结成形设备的粉末缸中，向选区激光烧结成形设备的成形室中充入氦气，保持成形室中氧含量浓度在小于50ppm的范围内。
(6)可升降的送粉缸将钽粉末送至成形缸上，不锈钢刮刀将足够的钽粉末均匀的铺在成形缸的钛合金基板上，多余的粉末送至收粉缸内；按以下激光扫描条件下进行单层激光扫描：激光扫描功率由170W渐变至350W，扫描速度由600mm/s渐变至1500mm/s。扫描过程中，被照射的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成厚度为30μm的渐变梯度多孔钽植入体的单层截面。
其中，当孔隙率为80％时，激光扫描的激光功率为170W，扫描速度为600mm/s；当孔隙率为70％时，激光扫描的激光功率为200W，扫描速度为800mm/s；当孔隙率为60％时，激光扫描的激光功率为240W，扫描速度为1000mm/s；当孔隙率为50％时，激光扫描的激光功率为290W，扫描速度为1200mm/s；当孔隙率为40％时，激光扫描的激光功率为350W，扫描速度为1500mm/s。
(7)成形缸下降一层的高度，然后按照所需层数不断重复步骤(6)，制备500层单层截面并使各层单层截面层层叠加，直至钽植入体完全构筑成形，得到渐变梯度多孔钽植入体的成品(如图1所示)。
实施例3
本实施例提供一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，该渐变梯度多孔结构个性化钽植入体经以下制备方法制备而得：
(1)从待植入渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者CT数据出发，获得其骨组织结构，以此骨组织数据为基础设计孔结构，采用UG软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型。上述孔结构的孔隙率从40％渐进梯度变化到85％，对应孔径从450微米渐进梯度变化到1000微米。孔结构的基本单元为正八面体结构，多孔结构经基本单元沿XY方向和XZ方向不断平移复制累加得到。
(2)采用3-matic软件，结合如骨缺损患者骨结构特点对患者骨的三维模型进行镂空设计并在不承受明显拉应力和/或拉应力较小的区域引入渐变梯度多孔钽植入体结构，增加植入体与人体力学和生物力学的相容性。
(3)采用Magics软件对构建的渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理，将个性化植入体三维模型转化成二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，并根据轮廓数据在软件中生成相应的加工程序。
(4)将上述加工程序导入金属选区激光熔化成形设备中。
(5)将钛合金基板固定在选区激光熔化成形设备的成形缸上，粒度为60μm的金属钽粉末加入选区激光烧结成形设备的粉末缸中，向选区激光烧结成形设备的成形室中充入氩气，保持成形室中氧含量浓度在小于50ppm的范围内。
(6)可升降的送粉缸将钽粉末送至成形缸上，不锈钢刮刀将足够的钽粉末均匀的铺在成形缸的钛合金基板上，多余的粉末送至收粉缸内；按以下激光扫描条件下进行单层激光扫描：激光扫描功率由350W渐变至150W，扫描速度由1500mm/s渐变至500mm/s。扫描过程中，被照射的粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成厚度为40μm的渐变梯度多孔钽植入体的单层截面。
其中，当孔隙率为40％时，激光扫描的激光功率为350W，扫描速度为1500mm/s；当孔隙率为50％时，激光扫描的激光功率为290W，扫描速度为1200mm/s；当孔隙率为60％时，激光扫描的激光功率为240W，扫描速度为1000mm/s；当孔隙率为70％时，激光扫描的激光功率为200W，扫描速度为800mm/s；当孔隙率为80％时，激光扫描的激光功率为170W，扫描速度为600mm/s；当孔隙率为85％时，激光扫描的激光功率为150W，扫描速度为500mm/s。
(7)成形缸下降一层的高度，然后按照所需层数不断重复步骤(6)，制备1500层单层截面并使各层单层截面层层叠加，直至钽植入体完全构筑成形，得到渐变梯度多孔钽植入体的成品。
综上，本申请提供的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法可以满足大段骨缺损患者对植入体的个性化要求，实现具有渐变梯度多孔结构钽植入体的快速个性化制造。由此得到的植入体内部组织均匀、尺寸精度高(可控制在±0.1mm以内)，表面质量好，力学性能优异，能满足植入人体的力学性能要求。骨骼中的渐变梯度多孔结构的设计，可以避免非梯度结构孔隙率突然转变处引起的应力集中，另外这种结构有利于骨组织生长和矿化，生物相容性更好，便于患者恢复。上述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体适合将其用作骨科植入物。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
建模：以待植入所述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的患者的CT数据获得骨组织数据并设计孔结构，然后采用软件设计渐变梯度多孔钽植入体结构模型；
结合患者骨结构的特点对患者骨的三维模型进行镂空结构设计并引入渐变梯度多孔钽植入体结构；
转化：对构建的所述渐变梯度多孔钽植入体结构模型进行编辑处理以将三维模型转化为二维切片模型，得到分层的截面轮廓数据，根据所述轮廓数据在软件中生成对应的加工程序；
加工：将所述加工程序导入金属选区激光熔化成形设备，以钽粉为原料，采用金属选区激光熔化方法制备渐变梯度多孔钽植入体的单层截面，然后按照所需层数重复制备多层所述单层截面并使各层所述单层截面层层叠加，得到所述渐变梯度多孔钽植入体的成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的孔隙率在40-85％范围内梯度变化。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的多孔结构的基本单元为金刚石结构、正八面体结构或菱形十二面体结构。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单层截面的制备方法包括：将基板固定于选区激光烧结成形设备的成形缸，金属钽粉末加入所述选区激光烧结成形设备的粉末缸中，向所述选区激光烧结成形设备的成形室中充入保护性气氛；
所述选区激光烧结成形设备的送粉装置将所述钽粉末送至所述成形缸，所述选区激光烧结成形设备的铺粉装置将所述钽粉末铺于所述基板的表面，多余的所述钽粉末收回至所述粉末缸中；
激光根据所述加工程序选择性地照射所述钽粉末，被照射的所述钽粉末熔化，凝固形成实体，单层激光扫描结束后形成所述渐变梯度多孔钽植入体的单层截面。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钽粉末的粒度为10-60μm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述保护性气氛包括氩气或氦气；
优选地，充入所述保护性气氛后，所述成形室中氧含量浓度小于50ppm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，激光的扫描条件包括：激光功率为150-350W，和/或扫描速度为500-1500mm/s，和/或单层层厚为20-40μm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述送粉装置为可升降的送粉缸，和/或所述铺粉装置为不锈钢刮刀。
9.一种渐变梯度多孔结构个性化钽植入体，其特征在于，所述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体由如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备而得。
10.如权利要求9所述的渐变梯度多孔结构个性化钽植入体的应用，其特征在于，所述渐变梯度多孔结构个性化钽植入体用作骨科植入物。
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