CN112743835B - 一种医用护具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种医用护具，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，采用3D打印工艺制得，粉末原料中优选包括以质量分数计不低于5％、不超过25％的以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末，优选在机械破碎法获得的聚乳酸粉末中加入以质量分数计占聚乳酸粉末0.01‑5％的纳米银抗菌添加剂。将采用三维软件设计好的医用护具的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用10‑200W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成打印。本发明的方案可用于医用口罩、护目镜、防护服配件等的制造，整体上提高材料安全性和可定制性，为在新型冠状病毒疫情防控背景下，快速开发更安全高效的医用护具提供了基础和条件。

Description

一种医用护具及其制造方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种基于粉末原料和激光选区烧结(SLS)工艺3D打印的医用护具及其制造方法。
背景技术
医用护具主要包括医用口罩、护目镜、防护服及其配件，在功能上给予一线医护人员很好的保护，现有的医用口罩和护目镜等多为标准化产品，使用灵活但个体匹配性不足，使用者穿戴医用口罩、护目镜等护具后，面部存在大面积裸露和空隙，从而极大的增加了使用者受细菌、病毒特别是类似新型冠状病毒这种高传染性病毒感染的风险，而单纯靠将护具与面部压紧贴合又会导致佩戴者脸上产生压痕，时间长了还会造成脸部伤害。
随着3D打印技术的发展，3D打印技术在医疗行业的应用也越来越广泛，在产品的个性化定制和制造过程中的品控方面都有非常明显的优势，例如激光选区烧结(SLS)工艺已经在一些定制化医用护具的制造中得到了验证，但目前制约激光选区烧结(SLS)工艺大规模工业化应用的因素还很多，其中原料是最重要的因素之一，原料问题一方面是原料的安全性问题，一方面是与激光选区烧结(SLS)工艺的工艺匹配性问题，激光选区烧结(SLS)工艺基于粉末原料进行逐层铺粉和烧结，粉末原料需要有足够的细度以保证成型精度，又要有适当的流动性以便于铺粉。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种医用护具及其制造方法，采用激光选区烧结(SLS)工艺，以机械破碎法获得的具有抗菌性能的聚乳酸为主要粉末材料制备安全无毒的医用护具，通过配合溶剂析出法制备的高球形度聚乳酸粉末提高工艺匹配度，通过对制备工艺和条件进行优选确保激光选区烧结(SLS)工艺的可操作性和成型精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种医用护具，含有以质量分数计不低于65％的聚乳酸材料，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，采用3D打印工艺制得。
这里“机械破碎法”应当理解为获得最终粒度粉末所主要采用的工艺，“主要原料”可不作具体限定，只要以质量分数计，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末在整个3D打印粉末原料中占比最高即可。
优选的，上述医用护具，所述3D打印工艺是激光选区烧结(SLS)工艺。
优选的，上述医用护具，所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末粒径为25-50μm，优选30-40μm。
优选的，上述医用护具，所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末中含有以质量分数计占所述聚乳酸粉末0.01-5％的抗菌添加剂，所述抗菌添加剂优选银纳米颗粒。
优选的，上述医用护具，制造所述医用护具的3D打印粉末原料中还包括以质量分数计不低于5％、不超过25％的以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末，并且，以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末为球形，粉末粒径为30-80μm，优选40-60μm。
这里“溶剂析出法”是指现有技术中将聚乳酸和有机溶剂混合加热熔融然后降温析出聚乳酸粉末的方法。
优选的，上述医用护具，所述银纳米颗粒被无机助分散剂负载后加入聚乳酸原料中，并且无机助分散剂连同银纳米颗粒在聚乳酸粉末中的总占比以质量分数计不低于3％、不超过18％，所述无机助分散剂优选钙盐。
上述医用护具的制造方法，至少包括如下步骤：
(1)原料准备
以聚乳酸颗粒为原料，通过机械破碎法获得粒径为25-50μm、优选30-40μm的聚乳酸粉末，所述机械破碎法采用深冷处理工艺，先通过筛选或者初步破碎的方式获得粒径5m以下的聚乳酸颗粒，对粒径5m以下的聚乳酸颗粒在低于-30℃的条件下深冷处理不低于4h，接着进行机械研磨，直至得到上述粒径为25-50μm、优选30-40μm的聚乳酸粉末，将以机械破碎法获得的该聚乳酸粉末作为主要原料，与以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末混合，得到用作医用护具的3D打印粉末原料，其中，以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末为球形，粉末粒径为30-80μm，优选40-60μm，在3D打印粉末原料中的占比以质量分数计不低于5％、不超过25％；
(2)3D打印
将采用三维软件设计好的医用护具的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用10-200W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成整个医用护具的打印。
优选的，上述医用护具的制造方法，步骤(1)中，至少所述机械破碎法制备的聚乳酸粉末中含有抗菌添加剂。
优选的，上述医用护具的制造方法，所述抗菌添加剂为银纳米颗粒，其预先加入到深冷处理前的聚乳酸颗粒原料中，加入方法是先将无机助分散剂负载的银纳米颗粒加入到聚乳酸材料中得到混合物材料，将所述混合物材料制粒得到所述聚乳酸颗粒原料，以质量分数计，所述银纳米颗粒占所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末的0.01-5％，所述无机助分散剂连同银纳米颗粒占所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末的3％以上、18％以下，所述无机助分散剂优选钙盐。
具体的，上述医用护具的制造方法，步骤(2)中，3D打印的医用护具为医用口罩、医用口罩配件、护目镜、护目镜配件、防护服配件中的一种或多种。
本发明的有益效果在于：
本发明的医用护具及其制造方法，采用激光选区烧结(SLS)工艺，以机械破碎法获得的具有抗菌性能的聚乳酸为主要粉末材料制备安全无毒的医用护具，通过配合溶剂析出法制备的高球形度聚乳酸粉末提高工艺匹配度，其中以机械破碎法制备聚乳酸粉末不使用大量溶剂，易于工业化生产，通过本发明设计的特殊的深冷处理和破碎研磨手段制备的微米级粉末粒径细且均匀，可以部分乃至全部替代溶剂析出法制备的聚乳酸粉末用于激光选区烧结(SLS)工艺，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，配合一定量的溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末可以获得两方面的效果，一是利用后者提高粉末的整体流动性，便于铺粉操作，一是通过两种不同方式获得的粉末可以在形状和粒径上级配和互补，从而进一步提高与激光选区烧结(SLS)工艺的工艺匹配度，减少烧结缺陷，确保制件的成型精度，另外，以机械破碎法制备聚乳酸粉末也为抗菌添加剂-纳米银的加入创造了很有利的条件，制备过程中以环保且具有生物相容性的钙盐作为纳米银的负载材料，不仅起到助分散作用，还特别有助于在深冷处理后更容易地对聚乳酸颗粒进行研磨破碎。
本发明的方案可扩展应用于各种医用护具如医用口罩、医用口罩配件、护目镜、护目镜配件、防护服配件等的制造，整体上提高这些医用护具的材料安全性和可定制性，为在新型冠状病毒疫情防控背景下，快速开发更安全高效的医用护具提供了基础和条件。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。
实施例1
一种医用护具，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末为辅助原料，采用激光选区烧结(SLS)工艺3D打印工艺制得，其中，以质量分数计，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末占92％，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末占8％，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末平均粒径为40.5μm，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末平均粒径为51μm。
上述医用护具的制造方法，至少包括如下步骤：
(1)原料准备
以聚乳酸颗粒为原料，通过机械破碎法获得平均粒径为40.5μm的聚乳酸粉末，所述机械破碎法采用深冷处理工艺，选择粒径2m左右的聚乳酸颗粒，对粒径2m左右的聚乳酸颗粒在-36℃的条件下深冷处理8h，接着进行机械研磨，直至得到上述平均粒径为40.5μm的聚乳酸粉末，将以机械破碎法获得的该聚乳酸粉末作为主要原料，与以溶剂析出法制备的平均粒径为51μm的球形聚乳酸粉末按照前面设计的百分比比例混合，得到用作医用护具的3D打印粉末原料，这里用作辅助原料的球形聚乳酸粉末是以现有技术中将聚乳酸和有机溶剂混合加热熔融然后降温析出聚乳酸粉末的方法(即溶剂析出法)所制备；
(2)3D打印
本实施例制作的医用护具为医用防护口罩壳体，将采用三维软件设计好的医用防护口罩壳体的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用90W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成整个医用防护口罩壳体的打印。
本实施例打印得到的医用防护口罩壳体经简单的喷砂处理后表面光滑，与模型高度吻合，轮廓部没有明显尺寸超差，成型精度高。
实施例2
在前述实施例1中可进一步限定在各类型聚乳酸粉末中不添加其它添加剂，这种情况下排除制备过程中的杂质影响，制品中聚乳酸材料理论质量分数可接近100％。
本实施例2提供另外一种医用护具，同样以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末为辅助原料，采用激光选区烧结(SLS)工艺3D打印工艺制得，其中，以质量分数计，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末占85％，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末占15％，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末平均粒径为40.3μm，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末平均粒径为51μm，在本实施例中，在所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末中含有以质量分数计占所述聚乳酸粉末0.5％的抗菌添加剂-纳米银颗粒。
上述医用护具的制造方法，至少包括如下步骤：
(1)原料准备
以预混有0.5％的纳米银颗粒的聚乳酸颗粒为原料，通过机械破碎法获得平均粒径为40.3μm的聚乳酸粉末，所述机械破碎法采用深冷处理工艺，选择粒径2m左右的聚乳酸颗粒(纳米银颗粒在制粒前加入)，对粒径2m左右的聚乳酸颗粒在-36℃的条件下深冷处理8h，接着进行机械研磨，直至得到上述平均粒径为40.3μm的聚乳酸粉末，将以机械破碎法获得的该聚乳酸粉末作为主要原料，与以溶剂析出法制备的平均粒径为51μm的球形聚乳酸粉末(制备方法与实施例1相同)按照前面设计的百分比比例混合，得到用作医用护具的3D打印粉末原料；
(2)3D打印
将采用三维软件设计好的医用防护口罩壳体的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用90W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成整个医用防护口罩壳体的打印。
本实施例打印得到的医用防护口罩壳体经简单的喷砂处理后表面质量与实施例1接近，轮廓精度高，没有因铺粉不均匀导致的烧结缺陷。
实施例3
一种医用护具，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末为辅助原料，采用激光选区烧结(SLS)工艺3D打印工艺制得，其中，以质量分数计，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末占85％，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末占15％，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末平均粒径为36.8μm，以溶剂析出法制备的球形聚乳酸粉末平均粒径为51μm，在本实施例中，在所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末中含有以质量分数计占所述聚乳酸粉末0.5％的抗菌添加剂-纳米银颗粒，该纳米银颗粒是通过以质量分数计占所述聚乳酸粉末6.5％的钙盐(硫酸钙/碳酸钙/氯化钙)加入到聚乳酸原料中的。
上述医用护具的制造方法，至少包括如下步骤：
(1)原料准备
以预混有0.5％的纳米银颗粒、6.5％的硫酸钙的聚乳酸颗粒为原料，通过机械破碎法获得平均粒径为36.8μm的聚乳酸粉末，所述机械破碎法采用深冷处理工艺，选择粒径2m左右的聚乳酸颗粒(硫酸钙负载的纳米银颗粒在制粒前加入)，对粒径2m左右的聚乳酸颗粒在-36℃的条件下深冷处理8h，接着进行机械研磨，直至得到上述平均粒径为36.8μm的聚乳酸粉末，将以机械破碎法获得的该聚乳酸粉末作为主要原料，与以溶剂析出法制备的平均粒径为51μm的球形聚乳酸粉末(制备方法与实施例1相同)按照前面设计的百分比比例混合，得到用作医用护具的3D打印粉末原料；
(2)3D打印
将采用三维软件设计好的医用防护口罩壳体的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用90W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成整个医用防护口罩壳体的打印。
本实施例打印得到的医用防护口罩壳体经简单的喷砂处理后表面质量和轮廓精度高，没有因铺粉不均匀导致的烧结缺陷，本实施例中占聚乳酸粉末0.5％的纳米银颗粒是通过占聚乳酸粉末6.5％的生物相容性钙盐加入到聚乳酸原料中的，纳米银颗粒是在含有硫酸钙的反应液体中采用一步原位合成法负载到硫酸钙载体上，具体制备方法是在反应液体中事先加入硫酸钙和PVP活性剂，然后通过加入银盐(AgNO3)和还原剂(抗坏血酸/葡萄糖)，一步反应原位合成银纳米颗粒并负载到硫酸钙载体上，清洗过滤干燥得混合添加物。
需要说明的是，如果在聚乳酸制粒前充分搅拌混匀，也可以不使用钙盐来负载纳米银颗粒，但由实施例3可知，实施例3在制备聚乳酸粉末时，所采用的深冷处理和机械研磨工艺与实施例2完全相同，但得到的聚乳酸粉末要远小于实施例2，通过进一步的对照试验，将深冷处理时间或机械研磨时间适当减少20％以内(深冷处理小于7h，研磨时间小于15min)，也能得到不亚于实施例2的聚乳酸粉末细度，可见，钙盐并不仅起助分散作用，其还增加了材料深冷处理后的脆性，从而有助于优化工艺，更容易地对聚乳酸颗粒进行研磨破碎。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种医用护具的制造方法，其特征在于，制备含有以质量分数计不低于65％的聚乳酸材料的医用护具，以机械破碎法获得的聚乳酸粉末为主要原料，采用激光选区烧结(SLS)工艺，至少包括如下步骤：
(1)原料准备
以聚乳酸颗粒为原料，通过机械破碎法获得粒径为30-40μm的聚乳酸粉末，所述机械破碎法采用深冷处理工艺，先通过筛选或者初步破碎的方式获得粒径5m以下的聚乳酸颗粒，对粒径5m以下的聚乳酸颗粒在低于-30℃的条件下深冷处理不低于4h，接着进行机械研磨，直至得到上述粒径为30-40μm的聚乳酸粉末，将以机械破碎法获得的该聚乳酸粉末作为主要原料，与以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末混合，得到用作医用护具的3D打印粉末原料，其中，以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末为球形，粉末粒径为30-80μm，在3D打印粉末原料中的占比以质量分数计不低于5％、不超过25％；
至少所述机械破碎法制备的聚乳酸粉末中含有银纳米颗粒；
银纳米颗粒预先加入到深冷处理前的聚乳酸颗粒原料中，加入方法是先将无机助分散剂负载的银纳米颗粒加入到聚乳酸材料中得到混合物材料，将所述混合物材料制粒得到所述聚乳酸颗粒原料，以质量分数计，所述银纳米颗粒占所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末的0.01-5％，所述无机助分散剂连同银纳米颗粒占所述机械破碎法获得的聚乳酸粉末的3％以上、18％以下；
(2)3D打印
将采用三维软件设计好的医用护具的三维模型进行切片处理后导入到激光选区烧结(SLS)成型设备主机中，在预热条件下铺第一层粉末，采用10-200W的激光功率按规划路径扫描烧结，其后铺粉和烧结交替进行，直至完成整个医用护具的打印。
2.权利要求1所述的一种医用护具的制造方法，其特征在于，以溶剂析出法制备的聚乳酸粉末粒径为40-60μm。
3.权利要求1所述的一种医用护具的制造方法，其特征在于，所述无机助分散剂是钙盐。
4.权利要求1所述的一种医用护具的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，3D打印的医用护具为医用口罩、医用口罩配件、护目镜、护目镜配件、防护服配件中的一种或多种。
5.一种医用护具，其特征在于，采用权利要求1所述的制造方法制造而成。
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