CN111299585B - 一种人工骨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种人工骨的制备方法,涉及医用骨科材料制备技术领域。该人工骨呈现中空筒状,包括内层和外层以及上下关节面,内层使用钛合金粉末制造,通过高速电子束在真空下轰击来熔化钛合金粉末,然后逐层成型,外层通过在内层外壁采用电子束熔丝沉积来制造,即采用电子束熔化同步送入的钛合金丝材。通过激光熔化钛合金粉末来制造关节面,然后在关节面上激光烧结成形陶瓷衬底。本发明的人工骨,具有高强度和高韧性,耐腐蚀性和耐磨性较好。
Description
技术领域
本发明涉及医用骨科材料制备技术领域,尤其是涉及一种人工骨的制备方法。
背景技术
由于生活环境、工作环境的影响,不同原因会造成骨关节、胫骨、腓骨、肱骨、肩胛骨、指骨等的创伤、缺损、断裂等问题,在进行骨置换或重建时,面临各种困难。例如,对于骨关节缺损,其在骨关节上会形成一个不规则的创口,采用传统的金属植入关节,需要在患者身上取自体骨填充,给病患造成伤害。同时,采用传统的加工方法制成符合解剖结构的假体较为困难,且由于传统的实体钛合金的储能模量与自体骨的储能模量差别较大,植入后,容易产生应力屏蔽,产生二次伤害。
通过铸造法、粉末烧结、增材制造技术以及其他方法制备的钛合金材料,能够形成孔隙结构,有利于骨长入,体液和营养物质的运输。同时,由于多孔结构的钛合金的密度、弹性模量和强度可以通过孔隙率来调整,因此多孔钛合金骨植入材料在外科手术中发挥了极为重要的作用。
人工骨植入人体需要满足多种要求,如高效成型、高精度、耐磨性、同定性、抗腐蚀性、抗菌性等,单一的成型方式很难满足上述要求。有鉴于此,开发多孔结构的钛合金人工骨的特殊制备方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工骨的制备方法,通过采用不同的增材制造方法来制备人工骨的不同部位,并引入不同的材料,来满足上述的部分效果。
本发明提供的人工骨的制备方法,所述人工骨呈中空筒状,包括内层和外层,以及上下关节面,所述制备方法包括以下步骤:
(a)通过计算机辅助软件进行人工骨数据采集,设计CAD模型后切片处理保存为STL文件,将STL文件输入增材制造设备进行制造,
(b)通过高速电子束在真空下轰击钛合金粉末使其熔化,然后逐层成型,得到中空筒状第一半成品,
(c)在中空筒状第一半成品的外壁上进行电子束熔丝沉积得到第二半成品,丝材为钛合金丝材,
(d)在第二半成品的上下两端通过激光熔化钛合金粉末来制造关节面,然后在关节面上激光烧结成形陶瓷衬底,得到预制品,
(e)对预制品进行表面修整、清洁和消毒,得到人工骨。
步骤(b)中采用的技术属于增材制造中的EBM(电子束熔化)技术,打印过程在真空中进行,避免了钛的氧化或与空气中某些元素进行反应。且在打印过程中,无需在钛合金粉末中加添加剂,也无需在打印后附加加热工序来获得打印件机械特性。
步骤(c)中采用的技术属于增材制造中的EBF(电子束熔丝沉积)技术,打印过程也在真空中进行,EBF技术使打印过程中的材料利用率几乎可达100%,能源利用率接近95%。通过调整送丝速率和丝材的粗细,能够调节打印速度和打印精度,实现高效成形和高精度调控。
步骤(d)中采用的技术属于增材制造中的LENS(激光近净成形)技术,LENS技术特别适合对半成品局部的加工或修复,其采用开环控制,属于自由成型。LENS技术采用同步金属粉送进系统,能准确定位面积较小的激光热加工区以及熔池可以得到快速冷却,一方面可以减少对工作底层的影响,另一方面可以保证成型部分有精细的微观组织结构,成型件致密,保证有足够好的强度和韧性。
步骤(b)(c)中,通过真空环境,保证了加工过程的清洁,避免了杂质干扰,通过EBF技术打印人工骨外层,能够同时高效和高精度打印,能够满足紧急时刻的要求。
关节面采用LENS技术,由于LENS技术特别适合对半成品局部进行加工或修复,应用于人工骨上下关节面时,即使在前的加工产品出现瑕疵,也能及时修复。且LENS结构件的抗拉强度优于SLM结构件,其非常适合用在关节处,能够提供高密度和高韧性的制件。
进一步的,在设计人工骨CAD模型时,按照蜂窝网格状设计,沿人工骨径向自内而外,蜂窝网格单元边长从450mm至250mm,孔隙率从85%至75%,且沿人工骨径向自内而外,相邻2个蜂窝单元的边长梯度减小,相邻2个蜂巢单元边长的比值恒定,将人工骨设置地沿径向自内而外,越来越致密。径向,即与人工骨轴向垂直,与人工骨截面平行的方向。径向自内而外,即从截面圆心向圆周的方向。
多孔结构的钛合金的密度、弹性模量和强度可以通过孔隙率来调整,且空隙结构,利于骨长入、体液和营养物质的运输。设置蜂窝网格状,且沿人工骨径向自内而外,相邻2个蜂窝单元的边长梯度减小,表观体现就是人工骨外层比内层更致密,在保证孔隙率的同时,也保证了强度和韧性。而相邻2个蜂巢单元边长的比值恒定,采用梯度设置,使得人工骨各处的强度、质量、韧性都处于可预估或计算的状态,利于后续开孔或其他加工。
在步骤(d)中,所述陶瓷衬底选用的材料为聚乙交酯、硅酸盐基生物陶瓷与纳米碳材料的组合物,且通过陶瓷粉末激光烧结成形在人工骨关节面上。
由于关节处每天都要经受大量的摩擦,需要优异的强度和耐磨性,陶瓷材料能够完美解决这个问题。在关节面上,覆盖陶瓷衬底,陶瓷衬底通过陶瓷粉末激光烧结成形。陶瓷衬底材料选用采用聚乙交酯、硅酸盐基生物陶瓷与纳米碳材料的组合物。由于硅酸盐生物陶瓷和聚乙交酯在激光烧结过程中很难形成较强的界面结合,导致复合材料的烧结性能下降,需要采用纳米碳材料在激光烧结过程中作为结晶过程的形核点,促进聚乙交酯的形核,来提高烧结质量。在关节面上覆盖陶瓷衬底,也能提高人工骨安装的同定性。
优选地,步骤(d)中,在激光熔化钛合金粉末来制造关节面的过程中,加工工艺参数设置包括扫描速率450-500mm/s,激光功率为175-200W,激光光斑直径为60-65微米,激光扫描间距为70微米。激光加工工艺参数对于不同的金属材料会大幅调整。在保证加工速率和精度和环境下,尽量增大激光功率,同时调整光斑直径和扫描间距在合适范围内。
在步骤(b)和步骤(d)中,所述钛合金粉末呈球形,平均粒径为16-20微米,平均最大粒径为15-25微米。在增材制造过程中,为使钛合金粉末快速由固态变为液态,一般将其制成球形,使其受热均匀。
步骤(b)(c)(d)中的钛合金成分一致,包括14-16%(重量)的铊和3-5%(重量)的锆,0.1%(重量)的银,其余由钛和不可避免的杂质组成,各组分之和为100%。步骤(b)和(d)中,需要将钛合金粉末进行球磨混料处理,使钛合金粉末成球形。步骤(c)中,需要将钛合金组合物制成丝材。
选用钛金属材料时,一般选用钛合金,以降低其熔融温度。在钛合金材料中加入银,是为了得到钛合金材料的抗菌性。
在步骤(b)和步骤(c)的成型过程中,提供真空环境,采用高速电子束轰击钛合金粉末或钛合金丝材,产生的动能转化为热能来熔化钛合金。
在步骤(d)中的成型过程中,提供惰性气体保护的密闭舱,避免钛合金粉末在激光成型中发生氧化,降低沉积层的表面张力,提高层与层之间的浸润性。
在第一半成品和第二半成品以及预制品成型后,为避免应力影响,均需要先冷却至室温,再进行后续操作。冷却操作是采用分段冷却处理,包括,在高温保温结束后,第一阶段,以100℃/h冷却到1000℃,保持3h;第二阶段,以90℃/h水冷却到500℃,保持4h;第三阶段,以110℃/h空冷至常温。
本发明提供的人工骨制备方法,具有以下有益效果:
(1)本发明提供的人工骨制备方法,通过EBM技术打印人工骨内层,在真空中进行,避免了钛的氧化或与空气中某些元素进行反应。且EBM技术采用纯净的钛合金粉末作为原材料,不需要像SLS或SLM等技术需要在粉末中添加添加剂,也无需在打印后附加加热工序才能获得打印件机械特性。
(2)本发明提供的人工骨制备方法,通过EBF技术打印人工骨外层,其材料利用率几乎可达100%,能源利用率接近95%。打印速度可调,可以用高于2500cm3/h的体积成形率沉积金属构件的大块金属部分,用较低的体积成形率沉积同一构件的精细部分,其效率仅取决于定位精度和送丝速率。打印精度可调,金属丝的直径是决定EBF工艺所能成形最小特征的控制因素。细丝可用于沉积精细特征,粗丝可用于提高大块金属部分的成形效率。
(3)本发明提供的人工骨制备方法,通过LENS技术打印上下关节面,LENS技术特别适合对半成品局部的加工或修复,其采用开环控制,属于自由成型。LENS技术采用同步金属粉送进系统,能准确定位面积较小的激光热加工区以及熔池可以得到快速冷却,一方面可以减少对工作底层的影响,另一方面可以保证成型部分有精细的微观组织结构,成型件致密,保证有足够好的强度和韧性。由于LENS结构件的抗拉强度优于SLM结构件,其非常适合用在关节处。在关节处,LENS能够提供高密度和高韧性的制件。
(4)本发明提供的人工骨制备方法,在人工骨的关节面上覆盖陶瓷衬底,衬底能够增加人工骨的同定效果,采用陶瓷材料,能够提升关节处的耐磨能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,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的附图。
图1示出了根据本发明的实施例1得到的局部中空筒状人工骨。
11、中空;12、第一半成品;13、第二半成品。
具体实施方式
为便于理解本发明,列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本公开,不应视为对本公开的具体限制。
实施例1
本发明实施例提供一种人工骨的制备方法,所述人工骨呈中空筒状,包括内层和外层,以及上下关节面,所述制备方法包括以下步骤:
(a)通过计算机辅助软件进行人工骨数据采集,设计CAD模型后切片处理保存为STL文件,将STL文件输入增材制造设备进行制造,
(b)通过高速电子束在真空下轰击钛合金粉末使其熔化,然后逐层成型,得到中空筒状第一半成品12,
(c)在中空筒状第一半成品12的外壁上进行电子束熔丝沉积得到第二半成品13,丝材为钛合金丝材,
(d)在第二半成品13的上下两端通过激光熔化钛合金粉末来制造关节面,然后在关节面上激光烧结成形陶瓷衬底,得到预制品,
(e)对预制品进行表面修整、清洁和消毒,得到人工骨。
其中,在设计人工骨CAD模型时,按照蜂窝网格状设计,沿人工骨径向自内而外,蜂窝网格单元边长从450mm至250mm,孔隙率从85%至75%,且沿人工骨径向自内而外,相邻2个蜂窝单元的边长梯度减小,相邻2个蜂巢单元边长的比值恒定,将人工骨设置地沿径向自内而外,越来越致密。
在步骤(d)中,所述陶瓷衬底选用的材料为聚乙交酯、硅酸盐基生物陶瓷与纳米碳材料的组合物,且通过陶瓷粉末激光烧结成形在人工骨关节面上。
在步骤(d)中,在激光熔化钛合金粉末来制造关节面的过程中,加工工艺参数设置包括扫描速率450-500mm/s,激光功率为175-200W,激光光斑直径为60-65微米,激光扫描间距为70微米。
在步骤(b)和步骤(d)中,所述钛合金粉末呈球形,平均粒径为16-20微米,平均最大粒径为15-25微米。
步骤(b)(c)(d)中的钛合金成分一致,包括14-16%(重量)的铊和3-5%(重量)的锆,0.1%(重量)的银,其余由钛和不可避免的杂质组成,各组分之和为100%。步骤(b)和(d)中,需要将钛合金粉末进行球磨混料处理,使钛合金粉末成球形。步骤(c)中,需要将钛合金粉末制成丝材。
在步骤(b)和步骤(c)的成型过程中,提供真空环境,采用高速电子束轰击钛合金粉末和钛合金丝材,产生的动能转化为热能来熔化钛合金。
在步骤(d)中的成型过程中,提供惰性气体保护的密闭舱,避免钛合金粉末在激光成型中发生氧化,降低沉积层的表面张力,提高层与层之间的浸润性。
在第一半成品12和第二半成品13以及预制品成型后,均需要先冷却至室温,再进行后续操作。冷却操作是采用分段冷却处理,包括,在高温保温结束后,第一阶段,以100℃/h冷却到1000℃,保持3h;第二阶段,以90℃/h水冷却到500℃,保持4h;第三阶段,以110℃/h空冷至常温。
实施例2
本发明实施例提供一种人工骨的制备方法,步骤(d)中,加工工艺参数设置包括扫描速率450mm/s,激光功率为175W,激光光斑直径为60微米,激光扫描间距为70微米。其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例3
本发明实施例提供一种人工骨的制备方法,步骤(d)中,加工工艺参数设置包括扫描速率500mm/s,激光功率为200W,激光光斑直径为65微米,激光扫描间距为70微米。其余工艺步骤与实施例1相同。
Claims (1)
1.一种人工骨的制备方法,所述人工骨呈中空筒状,包括内层和外层,以及上下关节面,所述制备方法包括以下步骤:
(a)通过计算机辅助软件进行人工骨数据采集,设计CAD模型后切片处理保存为STL文件,将STL文件输入增材制造设备进行制造;
(b)通过高速电子束在真空下轰击钛合金粉末使其熔化,然后逐层成型,得到中空筒状第一半成品;
(c)在中空筒状第一半成品的外壁上进行电子束熔丝沉积得到第二半成品,丝材为钛合金丝材;
(d)在第二半成品的上下两端通过激光熔化钛合金粉末来制造关节面,然后在关节面上激光烧结成形陶瓷衬底,得到预制品;
(e)对预制品进行表面修整、清洁和消毒,得到人工骨;
步骤(b)中采用EBM技术,打印过程在真空中进行;
步骤(c)中采用EBF技术,打印过程在真空中进行,通过调整送丝速率和丝材的粗细来调节打印速度和打印精度;
步骤(d)中制造关节面采用LENS技术,制造过程提供惰性气体保护的密闭舱;
其中,所述人工骨内部按照蜂窝网格状设计,沿人工骨径向自内而外,蜂窝网格单元边长从450至250mm,孔隙率从85%至75%,且沿人工骨径向自内而外,相邻2个蜂窝网格单元的边长梯度减小,相邻2个蜂窝网格单元边长的比值恒定;
所述陶瓷衬底采用聚乙交酯、硅酸盐基生物陶瓷与纳米碳材料的组合物;
步骤(d)中,在激光熔化钛合金粉末来制造关节面的过程中,加工工艺参数设置包括扫描速率450-500mm/s,激光功率为175-200W,激光光斑直径为60-65微米,激光扫描间距为70微米;
步骤(b)(c)(d)中,所述钛合金粉末或钛合金丝材的成分一致,包括重量百分比14-16%的铊和重量百分比3-5%的锆,重量百分比0.1%的银,其余由钛和不可避免的杂质组成,各组分之和为100%;
步骤(b)(d)中的钛合金粉末呈球形,平均粒径为16-20微米,平均最大粒径为15-25微米。
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