CN115737906A - 一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法 - Google Patents

一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法 Download PDF

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李亚庚
王鲁宁
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Abstract

本发明提供一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法，涉及医疗技术领域。该可控降解骨填充材料，其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构，一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，具体包括以下步骤，S1.材料选择，选择可降解的金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的金属粉末材料成分相同的合金作为基板，S2.基材处理。通过使用增材制造技术控制其打印参数所制备的骨填充材料可精确控制可降解金属骨填充材料的孔型和孔隙率，从而精准控制实现制造不同结构，提高模量匹配度和多孔可降解金属降解速率的匹配度，选择不同可降解金属，控制多孔可降解金属的多孔结构，从而改变降解微环境，影响降解行为。

Description

一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体为一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法。
背景技术
大段骨缺损难以自愈，通常需要骨植入物进行治疗，黄金标准自体骨移植有供给有限、多次手术等局限性，亟需开发满足各方面要求的人工骨填充材料，可降解金属可在体内逐渐降解吸收，是一种新型的骨填充材料，然而，人骨是高度层级化的组织，多孔可降解金属材料在骨的不同部位具有不同的降解速率，需要开发能够满足骨组织不同位置降解需求的骨再生材料。
目前现有市场上常见的骨填充材料主要包括磷酸钙陶瓷、硫酸钙和生物玻璃材料，陶瓷材料是应用最多的一类，材料存在自身脆性过大，弹性模量难以匹配、降解速度过快或无法体内降解的问题，广泛应用受到很大限制。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法，解决了材料存在自身脆性过大，弹性模量难以匹配、降解速度过快或无法体内降解的问题，广泛应用受到很大限制问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种可控降解骨填充材料，其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构。
优选的，一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，具体包括以下步骤：
S1.材料选择
选择可降解的金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的金属粉末材料成分相同的合金作为基板；
S2.基材处理
金属粉末使用前用200目筛网进行筛粉，将选择好的基板使用酸溶液和清水进行清洗和去除杂质；
S3.基材预热
将选择完成的金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，对选择完成的基板进行预热，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率；
S4.模型设计
通过模拟骨缺损并测量所需缺失骨段数据，使用三维制图软件设计骨填充材料的三维模型，并以OBJ或STL格式保存所述三维模型，三维模型进行结构与形状创建，有利于第一时间观察，避免结构与形状与实际需要差异过大，无法使用；
S5.激光融化成型
通过将OBJ或STL格式的所述三维模型导入分层软件中，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，将三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；
S6.判断与重复
对已成型的单层截面进行观察与判断，确定成型后，重复S5步骤，形成完整的模型成型；
S7.模型分离
将打印完成的所述骨填充材料与所述基板分离，获得所述骨填充材料成品；
S8.模型冷却与抛光
待模型自然冷却至室温后，采用盐酸和硝酸或磷酸和其他酸组成的酒精溶液对所述骨填充材料进行抛光处理。
优选的，所述金属粉末材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或者钼基金属，所用镁基金属、锌基金属、铁基金属或者钼基金属在人体内具有不同降解率，便于根据不同情况使用更适配的材料。
优选的，所述金属粉末材料加热温度为60-120℃，干燥时间为4-8个小时。
优选的，所述基板进行预热，预热温度为50-500℃。
优选的，所述盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
优选的，所述骨填充材料由镁合金、锌合金、铁合金或钼合金构成。
优选的，所述激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为20-90μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的45％-75％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°。
(三)有益效果
本发明提供了一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法。具备以下有益效果：
1、本发明提供了一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法，通过使用增材制造技术控制其打印参数所制备的骨填充材料可精确控制可降解金属骨填充材料的孔型和孔隙率，从而精准控制实现制造不同结构，提高模量匹配度和多孔可降解金属降解速率的匹配度。
2、本发明提供了一种可控降解骨填充材料及其增材制造方法，通过该制备方法选择不同可降解金属，控制多孔可降解金属的多孔结构，从而改变降解微环境，影响降解行为。
附图说明
图1为本发明中铁基填充材料在相同时间内的相同结构不同孔隙率的降解速率对比图表；
图2为本发明中铁基填充材料在相同时间内的同一位置不同结构的降解速率对比图表；
图3为本发明中锌基填充材料在相同时间内的相同结构不同孔隙率的降解速率对比图表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
本发明实施例提供一种可控降解铁基合金骨填充材料，其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构。
一种可控降解骨铁基合金填充材料的增材制备方法，具体包括以下步骤：
S1.材料选择
选择可降解的铁基金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的铁基金属粉末材料成分相同的铁基合金作为基板；
S2.基材处理
铁基金属粉末使用前用200目筛网进行筛粉，将选择好的铁基金属基板使用酸溶液和清水进行清洗和去除杂质；
S3.基材预热
将选择完成的铁基金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，对选择完成的铁基金属基板进行预热，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率；
S4.模型设计
通过模拟骨缺损并测量所需缺失骨段数据，使用三维制图软件设计骨填充材料的三维模型，并以OBJ或STL格式保存所述三维模型，三维模型进行结构与形状创建，有利于第一时间观察，避免结构与形状与实际需要差异过大，无法使用；
S5.激光融化成型
通过将OBJ或STL格式的所述三维模型导入分层软件中，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，将三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；
S6.判断与重复
对已成型的单层截面进行观察与判断，确定成型后，重复S5步骤，形成完整的模型成型；
S7.模型分离
将打印完成的所述骨填充材料与所述基板分离，获得所述骨填充材料成品；
S8.模型冷却与抛光
待模型自然冷却至室温后，采用盐酸和硝酸酒精溶液对所述骨填充材料进行抛光处理。
金属粉末材料为铁基金属，金属粉末材料加热温度为80℃，干燥时间为5个小时，铁基金属基板进行预热，预热温度为100℃，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率，盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为3％，盐酸和硝酸的体积比为1，骨填充材料铁基合金构成，激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为60μm，激光功率为100W，激光扫描速率为1000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的55％，铺粉厚度为20μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为50°，铁基金属制作的骨填充材料需具有良好的生物相容性，便于在体内可完全降解并被人体吸收和代谢，同时对人体无害，降解速率一般，其相同铁基材料，不同结构28天内降解速率对比图见附图1。
根据附图中图2，同一填充材料不同位置的降解速率，比如dense-out这个结构，中间部分的设计与S0.2相同，但是28天降解后，Dense-out中间部分的降解速率为8％，大于S0.2这个结构中间部分的降解速率。
实施例二：
本发明实施例提供一种可控降解锌基合金骨填充材料，其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构。
一种可控降解骨锌基合金填充材料的增材制备方法，具体包括以下步骤：
S1.材料选择
选择可降解的锌基金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的锌基金属粉末材料成分相同的锌基合金作为基板；
S2.基材处理
锌基金属粉末使用前用200目筛网进行筛粉，将选择好的锌基合金基板使用酸溶液和清水进行清洗和去除杂质；
S3.基材预热
将选择完成的锌基金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，对选择完成的锌基合金基板进行预热，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率；
S4.模型设计
通过模拟骨缺损并测量所需缺失骨段数据，使用三维制图软件设计骨填充材料的三维模型，并以OBJ或STL格式保存所述三维模型，三维模型进行结构与形状创建，有利于第一时间观察，避免结构与形状与实际需要差异过大，无法使用；
S5.激光融化成型
通过将OBJ或STL格式的所述三维模型导入分层软件中，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，将三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；
S6.判断与重复
对已成型的单层截面进行观察与判断，确定成型后，重复S5步骤，形成完整的模型成型；
S7.模型分离
将打印完成的所述锌基合金骨填充材料与所述锌基合金基板分离，获得所述锌基合金骨填充材料成品；
S8.模型冷却与抛光
待模型自然冷却至室温后，采用盐酸和硝酸的酒精溶液对所述骨填充材料进行抛光处理。
金属粉末材料为锌基金属，金属粉末材料加热温度为100℃，干燥时间为6个小时，基板进行预热，预热温度为150℃，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率，盐酸和硝酸在酒精中各自的体积浓度范围为4％，盐酸和硝酸的体积比为1，骨填充材料由锌合金构成，28天后67％、74％和81％孔隙率的多孔锌合金降解速率分别为6％、8％和12％，见附图2，激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为70μm，激光功率为150W，激光扫描速率为1500mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的65％，铺粉厚度为50μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为70°，锌基金属制作的骨填充材料需具有良好的生物相容性，便于在体内可完全降解并被人体吸收和代谢，同时对人体无害，其降解率与铁基合金和镁基合金相比，更加平稳。
其相同锌基材料，不同孔隙率28天内降解速率对比图见附图3。
实施例三：
本发明实施例提供一种可控降解镁基合金骨填充材料，其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构。
一种可控降解多孔镁基合金骨填充材料的增材制备方法，具体包括以下步骤：
S1.材料选择
选择可降解,镁基金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的金属粉末材料成分相同的镁基合金作为基板；
S2.基材处理
镁基金属粉末使用前用200目筛网进行筛粉，将选择好的镁基基板使用酸溶液和清水进行清洗和去除杂质；
S3.基材预热
将选择完成的镁基金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，对选择完成的镁基基板进行预热，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率；
S4.模型设计
通过模拟骨缺损并测量所需缺失骨段数据，使用三维制图软件设计骨填充材料的三维模型，并以OBJ或STL格式保存所述三维模型，三维模型进行结构与形状创建，有利于第一时间观察，避免结构与形状与实际需要差异过大，无法使用；
S5.激光融化成型
通过将OBJ或STL格式的所述三维模型导入分层软件中，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，将三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；
S6.判断与重复
对已成型的单层截面进行观察与判断，确定成型后，重复S5步骤，形成完整的模型成型；
S7.模型分离
将打印完成的所述镁基合金骨填充材料与所述镁基合金基板分离，获得所述镁基合金骨填充材料成品；
S8.模型冷却与抛光
待模型自然冷却至室温后，采用磷酸的酒精溶液对所述镁基合金骨填充材料进行抛光处理。
金属粉末材料为镁基金属，金属粉末材料加热温度为120℃，干燥时间为8个小时，镁基合金基板进行预热，预热温度为200℃，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率，磷酸在酒精中各自的体积浓度范围为5％，骨填充材料由镁合金构成，激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为90μm，激光功率为200W，激光扫描速率为2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的75％，铺粉厚度为70μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为90°，镁基金属制作的骨填充材料需具有良好的生物相容性，便于在体内可完全降解并被人体吸收和代谢，同时对人体无害，镁基金属处于人体内降解速率较快，且吸收率高。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种可控降解骨填充材料，其特征在于：其内部具有多层且多孔的不限于结构梯度形状的基础结构单元，其外壁为多孔结构。
2.一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.材料选择
选择可降解的金属粉末材料做为骨架基层，选择与做为骨架基层的金属粉末材料成分相同的合金作为基板；
S2.基材处理
金属粉末使用前用200目筛网进行筛粉，将选择好的基板使用酸溶液和清水进行清洗和去除杂质；
S3.基材预热
将选择完成的金属粉末材料在真空干燥箱中进行加热干燥，对选择完成的基板进行预热，加热处理以便后续工序使用，加快工作效率；
S4.模型设计
通过模拟骨缺损并测量所需缺失骨段数据，使用三维制图软件设计骨填充材料的三维模型，并以OBJ或STL格式保存所述三维模型，三维模型进行结构与形状创建，有利于第一时间观察，避免结构与形状与实际需要差异过大，无法使用；
S5.激光融化成型
通过将OBJ或STL格式的所述三维模型导入分层软件中，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片，将三维数据信息转换成一系列的二维平面数据，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的路径、激光扫描速度、搭接率等工艺参数，沿由二维平面数据所确定的扫描轨迹生成每一层的数控加工程序，设置所述激光粉末床的熔融打印参数并进行打印；
S6.判断与重复
对已成型的单层截面进行观察与判断，确定成型后，重复S5步骤，形成完整的模型成型；
S7.模型分离
将打印完成的所述骨填充材料与所述基板分离，获得所述骨填充材料成品；
S8.模型冷却与抛光
待模型自然冷却至室温后，采用盐酸和硝酸或磷酸和其他酸组成的酒精溶液对所述骨填充材料进行抛光处理。
3.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于：所述金属粉末材料为镁基金属、锌基金属、铁基金属或者钼基金属。
4.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于：所述金属粉末材料加热温度为60-120℃，干燥时间为4-8个小时。
5.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于：所述基板进行预热，预热温度为50-500℃。
6.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制备方法，其特征在于：所述盐酸和硝酸或磷酸以及其他酸在酒精中各自的体积浓度范围为1％-5％，盐酸和硝酸的体积比为1。
7.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于：所述骨填充材料由镁合金、锌合金、铁合金或钼合金构成。
8.根据权利要求2所述的一种可控降解骨填充材料的增材制造方法，其特征在于：所述激光粉末床的熔融打印参数为：激光光斑直径为20-90μm，激光功率为40-200W，激光扫描速率为100-2000mm/s，激光填充间距为激光光斑直径的45％-75％，铺粉厚度为20-80μm，相邻铺粉层之间激光扫描方向的夹角为45-90°。
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