CN109622958A - 一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物骨骼植入和修复体领域，并公开了一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法。该方法包括：(a)确定待成形植入体所需的外形轮廓、孔隙率和杨氏模量等参数，构建极小曲面多孔结构的实体模型满足待成形植入体的所需；(b)按照所述待成形植入体所需的外形轮廓对实体模型进行调整，使其与待成形植入体所需的外形轮廓相同，以此获满足植入体所需外形轮廓的多孔结构三维模型；(c)采用选择性激光熔化技术成形三维实体模型，以此获得所需的待成形植入体。通过本发明，克服传统钛合金点阵结构节点处易疲劳且成形困难的缺点，制造出适用于生物骨骼修复的新型多孔材料。

Description

一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法
技术领域
本发明属于生物骨骼植入和修复体领域，更具体地，涉及一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法。
背景技术
生物骨骼修复要求材料具有优良的力学性能和生物相溶性。钛及钛合金具有优异的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度等特点，在医用外科方面特别是骨修复领域得到了广泛的应用。钛合金多孔结构通过控制孔隙率调控植入体的杨氏模量、拉伸强度、抗压强度与抗弯强度，使之与自然骨相匹配；另外，多孔结构独特的开放孔结构以及大的比表面积非常有利于骨细胞的吸附、增殖和分化，促进新骨组织沿孔隙生长，使植入体与骨之间形成生物固联，并最终形成一个整体；再次，多孔结构中孔洞之间的三维连通使体液和营养物质在多孔植入体中传输，促进组织再生与重建，加快愈合过程。钛合金多孔结构的以上特点，使之广泛应用于骨移植、修复等生物应用领域。
然而，目前钛合金多孔结构大多采用由直杆组成的点阵结构，如图2(a)～(c)所示中的立方体单胞结构、体心立方、金刚石，这种由直杆组成的点阵结构由于在杆间结点位置的急转造成杆结点处的应力集中，从而使得这种结构在经历周期性的载荷循环后容易在结点处引起过早的失效，十分不利于移入体在体内的长期服役。极小曲面是指平均曲率为零的曲面，是满足某些约束条件的面积最小的曲面，如图2(d)中的螺旋二十四面体以及Swartz Diamond,和Swartz Primitive等，由极小曲面构成三周期极小曲面点阵结构不仅拥有多孔结构的低模量、高连通性等特点；而且由于其表面光滑过渡，使得结构在受2力时应力分布十分均匀，体液及骨细胞也容易在多孔结构内进行传输和增殖。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，通过采用极小曲面的多孔结构构件植入体，一方面实现生物骨骼的定制化，另一方面极小曲面均匀过渡的曲面更加利于体液及骨细胞在结构内的传输和增殖，克服传统钛合金点阵结构节点处易疲劳且成形困难的缺点，制造出适用于生物骨骼修复的新型多孔材料。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)分析待成形的植入体，确定该待成形植入体所需的外形轮廓、孔隙率和杨氏模量，选取极小曲面类型和钛合金材料，按照选取的所述极小曲面的类型构建极小曲面的多孔结构实体模型，使得该实体模型的孔隙率和杨氏模量满足所述待成形植入体所需的孔隙率和杨氏模量；
(b)按照所述待成形植入体所需的外形轮廓对所述实体模型进行调整，使得所述实体模型与所述待成形植入体所需的外形轮廓相同，以此获满足植入体所需外形轮廓的多孔结构三维模型；
(c)按照步骤(a)选取的钛合金材料，在惰性气体保护下，采用选择性激光熔化技术所述多孔结构的三维模型进行成形，以此获得所需的待成形植入体。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选按照下列方式：根据选取的所述极小曲面的类型绘制相应的极小曲面，设定多孔结构的壁厚，将所述极小曲面按照所述预设的壁厚增厚，即可获得所述极小曲面的多孔结构；。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选按照下列方式：根据选取的所述极小曲面的类型绘制相应的极小曲面，识别该极小曲面中的实体部分和孔隙部分，填充所述实体部分包围的区域，以此获得所需的极小曲面多孔结构。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选先构建该实体模型的单胞结构，然后将该单胞结构阵列化，以此获得包括多个单胞结构的立方体实体模型。
进一步优选地，经过所述步骤(c)后，还需对所述所需待成形植入体进行后处理，具体包括对其进行原位退火和喷砂处理，分别用于去除热应力和表面处理。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述孔隙率的取值范围10％～95％。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述杨氏模量的取值范围为1.08GPa～20GPa。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述钛合金材料优选为Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-24Nb-4Zr-8Sn、Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr中的一种。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述钛合金材料的粒径优选为10μm～50μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的植入体可以进行定制化设计，极小曲面由数学公式确定，通过更改参数即可生成不同孔隙率的多孔结构，具有很大的设计自由度，使其更易应用于实际临床当中。
2、本发明中采用的极小曲面多孔结构与生物骨骼更加相似，其均匀过渡的曲面更加利于体液及骨细胞在结构内的传输和增殖，且由其形成的植入体孔隙率和力学性能与生物骨骼更为接近；
3、本发明通过采用极小曲面建立多孔结构的实体模型，使得该实体模型上各处均匀过渡，与现有技术中的点阵结构相比，没有杆间的急转，避免造成节点处的应力集中，解决了在在结点处易疲劳失效的和点阵结构成形困难的问题。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的钛合金植入体的制备方法流程图；
图2是按照本发明的优选实施例构建的不同多孔结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
根据植入体部位的要求，定制化设计极小曲面多孔结构；通过数学建模软件构建基于极小曲面的周期性点阵多孔结构的三维模型，然后将模型以STL格式输出；将STL文件导入到SLM成形设备中，经层层堆积最终可以得到与设计模型一致的三维钛合金多孔结构；最后经过原位热处理、切割、喷砂等后续处理即可得到表面光洁、性能良好的钛合金周期性点阵多孔结构，用于骨骼修复。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的钛合金植入体的制备方法流程图，如图1所示，一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法具体包括如下步骤：
(1)根据不同的骨骼位置，分析植入体所要求的结构特性及相关力学性能，匹配不同体积分数，不同单元类型的极小曲面以及对应的钛合金材料。
具体包括：根据不同的骨骼位置，分析植入体所要求的结构性性及相关力学性能，如皮质骨的孔隙率为10％～20％，杨氏模量为3.07～20GPa；而松质骨的孔隙率为50％～90％，杨氏模量为1.08～10.58GPa；从面匹配孔隙率为50～95％的极小曲面钛合金多孔结构。这里的钛合金材料包括：Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-24Nb-4Zr-8Sn、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等各种钛合金材料。
(2)根据极小曲面的类型不同，利用各自的隐函数方程，建立极小曲面多孔结构曲面模型，使其满足植入体的结构特性及相关力学；极小曲面的多孔结构方程优选如下几种：
Schoen Gyroid多孔结构的方程为：
F(x，y，z)＝cos(x)sin(y)+cos(y)sin(z)+cos(z)sin(x)-C1
Swartz Diamond多孔结构的方程为
F(x，y，z)＝
sin(x)sin(y)sin(z)+sin(x)cos(y)cos(z)+cos(x)sin(y)cos(z)+cos(x)cos(y)sin(z)-C2
Swartz Primitive多孔结构的方程为
F(x，y，z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)－C3
其中，C1、C2、C3分别控制各自模型的孔隙率。
(3)按照植入体的三维结构调整多孔曲面模型的形状，例如对多孔曲面模型进行适当的削减，使得多孔曲面模型与所述所需的三维结构相同利用算法分辨曲面内外，对曲面内侧边界进行边界封闭，然后识别极小曲面的孔隙部分和实体部分，填充实体部分包括的区域，形成极小曲面杆状实体模型；或对曲面赋予厚度，形成极小曲面薄壁实体模型；
(4)根据精度要求，确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL文件；
(5)选取适合SLM工艺的钛合金粉末，在惰性气体保护下，对钛合金粉末进行SLM成形，制备不同体积分数的多孔结构；
具体包括：粉末平均粒径在10～50μm范围内，颗粒形状为球形或者近球形。这里的钛合金包括：Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-24Nb-4Zr-8Sn、Ti-35Nb-7Zr-5Ta、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等各种钛合金材料。激光源为光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为50μm，保护气体为氩气。
(6)待制备完成后，在惰性气体的保护下进行原位退火处理，去除工件内部的热应力；采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有钛合金多孔结2构的工件。
下面结合几个实例对本发明作进一步描述。
实例1：
(1)根据患者受损部位为皮质骨，要求多孔结构孔隙为10％～20％，杨氏模量接近20GPa，因此匹配Swartz Primitive结构和Ti-24Nb-4Zr-8Sn材料，孔隙率为20％，杨氏模量经实验测得为22.9GPa。
(2)根据隐函数公式(3)生成Swartz Primitive极小曲面。
(3)利用算法分辨曲面内外，对曲面内侧边界进行边界封闭，形成极小曲面杆状实体模型；或对曲面赋予厚度，形成极小曲面薄壁实体模型；
(4)根据精度要求，确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL文件；
(5)选取粒径分布在10～50μm范围内的Ti-24Nb-4Zr-8Sn钛合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。激光源为光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为50μm。在氩气的保护下，对钛合金粉末进行SLM成形。
(6)待工件完成后，进行原位退火，去除工件内部的热应力。将工件从SLM腔室中取出，压缩空气吹、用毛刷刷或用水冲洗等手段，清除多孔结构表面的浮粉，并采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有钛合金多孔结构的工件。
实例2：
(1)根据患者受损部位为松质骨，要求多孔结构孔隙为50％～90％，杨氏模量接近3.0GPa，因此匹配Schoen Gyroid结构和Ti-6Al-4V材料，孔隙率为80％，杨氏模量经实验测得为3.3GPa。
(2)根据隐函数公式(2)生成Schoen Gyroid极小曲面。
(3)利用算法分辨曲面内外，对曲面内侧边界进行边界封闭，形成极小曲面杆状实体模型；或对曲面赋予厚度，形成极小曲面薄壁实体模型；
(4)根据精度要求，确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL文件；
(5)选取粒径分布在10～50μm范围2内的Ti-6Al-4V钛合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。激光源为光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为50μm。在氩气的保护下，对钛合金粉末进行SLM成形。
(6)待工件完成后，进行原位退火，去除工件内部的热应力。将工件从SLM腔室中取出，压缩空气吹、用毛刷刷或用水冲洗等手段，清除多孔结构表面的浮粉，并采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有钛合金多孔结构的工件。
实例3：
(1)根据患者受损部位为松质骨，要求2多孔结构孔隙为50％-90％，杨氏模量接近1.1GPa，因此匹配Schoen Diamond结构和Ti-6Al-4V材料，孔隙率为80％，杨氏模量经实验测得为1.1GPa。
(2)根据隐函数公式(2)生成Schoen Gyroid极小曲面。
(3)根据精度要求，确立三角面片最小边长，对模型进行重划分，生成STL文件；
(4)选取粒径分布在10～50μm范围内的Ti-6Al-4V钛合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。激光源为光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为50μm。在氩气的保护下，对钛合金粉末进行SLM成形。
(5)选取粒径分布在10～50μm范围内的Ti-6Al-4V钛合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。激光源为光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为50μm。在氩气的保护下，对钛合金粉末进行SLM成形。
(6)待工件完成后，进行原位退火，去除工件内部的热应力。将工件从SLM腔室中取出，压缩空气吹、用毛刷刷或用水冲洗等手段，清除多孔结构表面的浮粉，并采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有钛合金多孔结构的工件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)分析待成形的植入体，确定该待成形植入体所需的外形轮廓、孔隙率和杨氏模量，选取极小曲面类型和钛合金材料，按照选取的所述极小曲面的类型构建极小曲面的多孔结构实体模型，使得该实体模型的孔隙率和杨氏模量满足所述待成形植入体所需的孔隙率和杨氏模量；
(b)按照所述待成形植入体所需的外形轮廓对所述实体模型进行调整，使得所述实体模型与所述待成形植入体所需的外形轮廓相同，以此获满足植入体所需外形轮廓的多孔结构三维模型；
(c)按照步骤(a)选取的钛合金材料，在惰性气体保护下，采用选择性激光熔化技术所述多孔结构的三维模型进行成形，以此获得所需的待成形植入体。
2.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选按照下列方式：根据选取的所述极小曲面的类型绘制相应的极小曲面，设定多孔结构的壁厚，将所述极小曲面按照所述预设的壁厚增厚，即可获得所述极小曲面的多孔结构。
3.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选按照下列方式：根据选取的所述极小曲面的类型绘制相应的极小曲面，识别该极小曲面中的实体部分和孔隙部分，填充所述实体部分包围的区域，以此获得所需的极小曲面多孔结构。
4.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述构建极小曲面的多孔结构实体模型优选先构建该实体模型的单胞结构，然后将该单胞结构阵列化，以此获得包括多个单胞结构的立方体实体模型。
5.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，经过所述步骤(c)后，还需对所述所需待成形植入体进行后处理，具体包括对其进行原位退火和喷砂处理，分别用于去除热应力和表面处理。
6.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述孔隙率的取值范围10％～95％。
7.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述杨氏模量的取值范围为1.08GPa～20GPa。
8.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述钛合金材料优选为Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-24Nb-4Zr-8Sn、Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr中的一种。
9.如权利要求1所述的一种采用极小曲面多孔结构制备钛合金植入体的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述钛合金材料的粒径优选为10μm～50μm。
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