CN112807493A - 一种胆道植入体及其制作方法 - Google Patents

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一种胆道植入体及其制作方法，所述胆道植入体主体为管状结构，采用镍钛形状记忆合金通过激光选区熔化工艺制作而成，该胆道植入体在轴向上包含自下而上排列的第一分区段位Ⅰ、第二分区段位Ⅱ和第三分区段位Ⅲ，至少第一分区段位Ⅰ和第三分区段位Ⅲ在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围，所述不同的相变温度范围是通过在铺粉和扫描熔化过程中保持粉末成分不变，在不同的分区段位改变激光扫描参数，同时配合对其中至少部分铺粉层激光扫描次数的改变来获得。本发明根据胆道植入体在使用中的功能(例如胆肠吻合)进行相变分区设计，借助激光选区熔化的能量控制技术实现了快速制作，在确保力学性能的基础上提高了功能区的相变控制精度。

Description

一种胆道植入体及其制作方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造的具有形状记忆效应的胆道植入体以及采用形状记忆合金通过激光选区熔化工艺制造该胆道植入体的方法。
背景技术
金属激光选区熔化(SLM)技术是利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化、快速凝固的一种技术，在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。由于金属激光选区熔化(SLM)技术能够将实体零件离散为一个个独立的片层，逐层制造，因此除了能成型复杂的形状，在零件制造过程中也容易随时调整激光加工参数以满足产品控制要求。
形状记忆合金(SMA)可以通过材料内部发生的热弹性马氏体相变实现形状记忆，在临床医疗领域内有着广泛的应用，植入人体的一些人造组织或辅助支架例如一些人造骨骼和腔内支架很多是采用金属激光选区熔化(SLM)工艺来制造，其中，胆道支架是一种比较特殊的腔内支架，以常见的胆肠吻合支架为例，采用记忆合金制造时，支架轴向上不同部位可能需要不同的温度记忆效应，以形成支架的一段为上段，以连接导流管的一段为下段，以二者之间的部分为中段，上段对胆道进行支撑，需要具有以人体体温为基准的温度范围的形状记忆能力，下段连接导流管，为了防止不必要的松脱，相变温度范围要远离上段所具有的温度范围。
目前，采用金属激光选区熔化(SLM)工艺来规划同一工件不同部位的相变温度，成熟的手段主要有成分调整法和热处理法，以镍钛合金为例，由于相变温度和镍、钛两种元素的原子比高度相关，只要调整两种元素的原子比就能在不同部位获得不同的相变温度，热处理法是指通过对制造部位热处理的方式来影响内部相组成，对镍钛合金而言是通过引入Ni4Ti3二相粒子来达到改变镍、钛相对含量进而调整相变温度的效果，这两种方式中前者操作复杂、精度低，后者的调节效果则非常难以预料和控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种胆道植入体及其制作方法，根据胆道植入体在使用中的功能进行相变分区设计，借助激光选区熔化的能量控制技术实现快速制作，在确保力学性能的基础上提高功能区的相变控制精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种胆道植入体，主体为管状结构，采用形状记忆合金通过增材制造工艺制作而成，该胆道植入体在轴向上包含多个分区段位，至少其中两种分区段位在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围。
优选的，所述增材制造工艺为金属激光选区熔化工艺。
优选的，所述形状记忆合金为镍钛合金。
一种胆道植入体的制作方法，制作如上所述的胆道植入体，包括如下步骤：
步骤1，根据人体胆道需要支撑的部位的医学影像数据设计胆道植入体模型；
步骤2，将胆道植入体模型导入激光选区熔化设备，以轴向为增材制造的打印方向对胆道植入体模型进行分层切片，规划每一层切片的激光扫描路径和激光扫描参数；
步骤3，对基板进行预热后，激光选区熔化设备按照程序进行镍钛合金粉末的铺粉和扫描熔化，所述铺粉和扫描熔化交替进行，直至得到胆道植入体构件，其中：
沿着打印方向，该胆道植入体在轴向上包含至少三个分区段位：第一分区段位、第二分区段位和第三分区段位，所述第一分区段位、第二分区段位和第三分区段位沿着打印方向自下而上排列，第二分区段位位于第一分区段位和第三分区段位中间，其中，至少所述第一分区段位和第三分区段位在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围，所述不同的相变温度范围是通过在铺粉和扫描熔化过程中，保持所铺设的镍钛合金粉末成分不变化，在不同的分区段位改变激光扫描参数，同时配合对其中至少部分铺粉层激光扫描次数的改变来获得，具体的，在打印第一分区段位时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，在打印第三分区段位时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，至少对第三分区段位内的部分铺粉层增加激光扫描次数至≥2次。
优选的，在所述步骤3中，具体的，在打印第一分区段位时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第一激光扫描参数在第一分区段位的各铺粉层中恒定，在打印第三分区段位时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第二激光扫描参数在第三分区段位的至少部分铺粉层之间变化。
优选的，所述第二分区段位不具有在使用中的形状记忆效应，或者，所述第二分区段位具有在使用中的形状记忆效应，但相变温度范围不同于所述第三分区段位的相变温度范围，与所述第一分区段位的相变温度范围相同或者不同。
优选的，所述激光扫描参数是激光扫描间距、激光扫描功率和激光扫描速度中的一种或多种。
优选的，在打印各分区段位，尤其是第三分区段位时，优选同时改变至少两种激光扫描参数。
优选的，所述第三分区段位的相变温度范围以人体腔内体温为基准。
优选的，所述镍钛合金为镍原子含量在50.0％到51.5％之间的镍钛合金。
本发明的有益效果在于：
本发明的胆道植入体及其制作方法，根据胆道植入体在使用中的功能进行相变分区设计，借助激光选区熔化的能量控制技术实现快速制作，通过沿着打印方向将胆道植入体在轴向上分为第一分区段位、第二分区段位和第三分区段位，可以使第一分区段位对应胆道植入体的导流管连接端，使第三分区段位对应胆道植入体的支架支撑段，进而通过在打印第一分区段位时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，在打印第三分区段位时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，使第一分区段位和第三分区段位分别根据套管安装需要和腔内展开需要具有不同的相变温度范围。
本发明的方法在执行激光选区熔化时，针对作为主要功能区的第三分区段位，选用在铺粉层之间变化的第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，使第三分区段位自身在轴向上也有了梯度相变效果，在实际应用中可以起到例如使得胆道植入体的支架支撑段术后能够在腔内随着受温缓和伸展，而对第三分区段位内的部分铺粉层增加激光扫描次数至≥2次则可以替代例如单纯升高激光扫描功率或单纯减小激光扫描速度的手段，从而不会使得激光扫描功率的上限值过高或者激光扫描速度的下限值过低，超出按理论或者经验证的正常工艺路线所确定的使构件保持最佳内部质量的加工参数边界值，从而在确保力学性能的基础上提高功能区的相变控制精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1的胆道植入体结构示意图。
图中：第一分区段位——Ⅰ，第二分区段位——Ⅱ，第三分区段位——Ⅲ。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。
实施例1
一种胆道植入体，其结构示意如图1，主体为管状结构，采用镍钛形状记忆合金通过激光选区熔化工艺制作而成，该胆道植入体在轴向上包含三个分区段位：第一分区段位Ⅰ、第二分区段位Ⅱ和第三分区段位Ⅲ，所述第一分区段位Ⅰ、第二分区段位Ⅱ和第三分区段位Ⅲ沿着打印方向自下而上排列，第二分区段位Ⅱ位于第一分区段位Ⅰ和第三分区段位Ⅲ中间，其中，至少所述第一分区段位Ⅰ和第三分区段位Ⅲ在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围。
作为举例而非限制，所述第一分区段位Ⅰ是用于胆肠吻合的胆道植入体中用于与导流管套接的一段，所述第三分区段位Ⅲ是具有可延展支架的胆道支架支撑段，所述第二分区段位Ⅱ为二者之间的连接延伸段，根据以上功能，所述第三分区段位的相变温度范围以人体腔内体温为基准，所述第一分区段位Ⅰ为了防止不必要的松脱，为了便于实现套接而设计的相变温度范围要远离第三分区段位Ⅲ所具有的相变温度范围。
实施例2
制作实施例1所介绍的胆道植入体的方法，包括如下步骤：
步骤1，根据人体胆道需要支撑的部位的医学影像数据设计胆道植入体模型；
步骤2，将胆道植入体模型导入激光选区熔化设备，以轴向为增材制造的打印方向对胆道植入体模型进行分层切片，规划每一层切片的激光扫描路径和激光扫描参数；
步骤3，对基板进行预热后，激光选区熔化设备按照程序进行镍钛合金粉末(优选镍原子含量在50.0％到51.5％之间)的铺粉和扫描熔化，所述铺粉和扫描熔化交替进行，直至得到胆道植入体构件，其中：
沿着打印方向，该胆道植入体在轴向上包含三个分区段位：第一分区段位Ⅰ、第二分区段位Ⅱ和第三分区段位Ⅲ，所述第一分区段位Ⅰ、第二分区段位Ⅱ和第三分区段位Ⅲ沿着打印方向自下而上排列，第二分区段位Ⅱ位于第一分区段位Ⅰ和第三分区段位Ⅲ中间，其中，所述第一分区段位Ⅰ和第三分区段位Ⅲ在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围，所述不同的相变温度范围是通过在铺粉和扫描熔化过程中，保持所铺设的镍钛合金粉末成分不变化，在不同的分区段位改变激光扫描参数，同时配合对其中至少部分铺粉层激光扫描次数的改变来获得，具体的，在打印第一分区段位Ⅰ时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，在打印第三分区段位Ⅲ时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，至少对第三分区段位Ⅲ内的部分铺粉层增加激光扫描次数至≥2次。优选的，在打印第一分区段位Ⅰ时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第一激光扫描参数在第一分区段位Ⅰ的各铺粉层中恒定，在打印第三分区段位Ⅲ时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第二激光扫描参数在第三分区段位Ⅲ的至少部分铺粉层之间变化。
在本实施例中，第二分区段位Ⅱ不作特别限定，可以不具有在使用中的形状记忆效应(在腔内以及自然环境的极端温度条件下不相变)，或者，所述第二分区段位Ⅱ具有在使用中的形状记忆效应，但相变温度范围不同于所述第三分区段位Ⅲ的相变温度范围，与所述第一分区段位Ⅰ的相变温度范围相同或者不同。
优选的，所述激光扫描参数是激光扫描间距、激光扫描功率和激光扫描速度中的一种或多种，在打印各分区段位，尤其是第三分区段位Ⅲ时，可以同时改变至少两种激光扫描参数，例如在减小(大幅)激光扫描功率的同时也适当减小(小幅)激光扫描速度，从而缓和力学性能和相变温度的变化幅度。
实施例3
本实施例以镍原子含量为50.5％的镍钛合金按照实施例2的方法制备实施例1的胆道植入体，激光选区熔化设备采用的是Nd:YAG激光器，以100W的不变功率对第一分区段位Ⅰ的各铺粉层进行激光扫描，在扫描速度超过0.9m/s后能得到相变温度在0℃以下的相变段位，以从120W到80W的递减功率对第三分区段位Ⅲ的各铺粉层进行激光扫描，在平均约0.4m/s的扫描速度下能得到相变温度区间在36.5±7.1℃范围的相变段位。
实施例4
本实施例在实施例3的基础上将扫描第三分区段位Ⅲ的激光扫描功率分布在110-120W之间的部分改为分别在105W和110W功率下对每个铺粉层激光扫描2次，均超过110W功率所能达到的相变温度区间高点，且接近于120W功率所能达到的相变温度区间高点。
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 (10)

1.一种胆道植入体，主体为管状结构，采用形状记忆合金通过增材制造工艺制作而成，其特征在于，该胆道植入体在轴向上包含多个分区段位，至少其中两种分区段位在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围。
2.根据权利要求1所述的一种胆道植入体，其特征在于，所述增材制造工艺为金属激光选区熔化工艺。
3.根据权利要求1或2所述的一种胆道植入体，其特征在于，所述形状记忆合金为镍钛合金。
4.一种胆道植入体的制作方法，制作权利要求1-3任一项所述的胆道植入体，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据人体胆道需要支撑的部位的医学影像数据设计胆道植入体模型；
步骤2，将胆道植入体模型导入激光选区熔化设备，以轴向为增材制造的打印方向对胆道植入体模型进行分层切片，规划每一层切片的激光扫描路径和激光扫描参数；
步骤3，对基板进行预热后，激光选区熔化设备按照程序进行镍钛合金粉末的铺粉和扫描熔化，所述铺粉和扫描熔化交替进行，直至得到胆道植入体构件，其中：
沿着打印方向，该胆道植入体在轴向上包含至少三个分区段位：第一分区段位(Ⅰ)、第二分区段位(Ⅱ)和第三分区段位(Ⅲ)，所述第一分区段位(Ⅰ)、第二分区段位(Ⅱ)和第三分区段位(Ⅲ)沿着打印方向自下而上排列，第二分区段位(Ⅱ)位于第一分区段位(Ⅰ)和第三分区段位(Ⅲ)中间，其中，至少所述第一分区段位(Ⅰ)和第三分区段位(Ⅲ)在使用中具有形状记忆效应并且具有不同的相变温度范围，所述不同的相变温度范围是通过在铺粉和扫描熔化过程中，保持所铺设的镍钛合金粉末成分不变化，在不同的分区段位改变激光扫描参数，同时配合对其中至少部分铺粉层激光扫描次数的改变来获得，具体的，在打印第一分区段位(Ⅰ)时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，在打印第三分区段位(Ⅲ)时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层，至少对第三分区段位(Ⅲ)内的部分铺粉层增加激光扫描次数至≥2次。
5.根据权利要求4所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，在所述步骤3中，具体的，在打印第一分区段位(Ⅰ)时，采用第一激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第一激光扫描参数在第一分区段位(Ⅰ)的各铺粉层中恒定，在打印第三分区段位(Ⅲ)时，采用第二激光扫描参数扫描熔化各铺粉层并且所述第二激光扫描参数在第三分区段位(Ⅲ)的至少部分铺粉层之间变化。
6.根据权利要求4所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，所述第二分区段位(Ⅱ)不具有在使用中的形状记忆效应，或者，所述第二分区段位(Ⅱ)具有在使用中的形状记忆效应，但相变温度范围不同于所述第三分区段位(Ⅲ)的相变温度范围，与所述第一分区段位(Ⅰ)的相变温度范围相同或者不同。
7.根据权利要求4所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，所述激光扫描参数是激光扫描间距、激光扫描功率和激光扫描速度中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，在打印各分区段位，尤其是第三分区段位(Ⅲ)时，优选同时改变至少两种激光扫描参数。
9.根据权利要求4所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，所述第三分区段位(Ⅲ)的相变温度范围以人体腔内体温为基准。
10.根据权利要求4所述的一种胆道植入体的制作方法，其特征在于，所述镍钛合金为镍原子含量在50.0％到51.5％之间的镍钛合金。
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