CN116250948A - 一种基于tpms的3d打印仿生多孔种植体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，先进行仿生多孔种植体建模，将Gyroid结构应用在种植体上，通过调节孔隙率、孔径等参数，匹配皮质骨及松质骨的强度及弹性模量，设计仿生多孔种植体从而改善应力屏蔽效应。匹配了皮质骨及松质骨的强度及弹性模量，有效提高结合强度，提升骨结合速率，提高种植成功率；运用3D打印技术实现仿生多孔种植体的制备，并通过表面处理增加种植体表面粗糙度，进一步增加骨‑种植体的接触面积，提供理想的可供细胞粘附和组织长入的空间，促进细胞迁移和成骨细胞的粘附，从而促进骨结合。利用本发明的制备方法可以获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构种植体。

Description

一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法
技术领域
本发明涉及牙体种植修复技术领域，更具体的说是涉及一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法。
背景技术
口腔种植修复作为治疗牙列缺损的一种常用方式，与传统的固定与可摘义齿修复相比，具有美观、舒适、不伤邻牙等优点。种植成功的关键是种植体与骨界面之间的骨结合。
三周期极小曲面(Triply periodic minimal surface,TPMS)是基于隐式函数的平均曲率为零的曲面结构，与人骨相近，具有良好的力学传导性能。其优点包括：1.具有良好的拓扑优化性，在激光选区熔融工艺成形过程中能够提供更好的自支撑性；2.具有光滑接头的无限连续的表面确保了更少的应力集中和更高的机械性能；3.通过调整曲面方程的参数，可以实现对结构单元形状和尺寸的精确控制。其中Gyroid结构具有高比表面积、高渗透率的特点，其表面开放的孔隙有利于细胞长入，从而促进骨结合。
然而TPMS结构复杂，传统的仿生多孔种植体制备方式存在一定的局限性。
因此，如何提供一种简单易行的基于TPMS的仿生多孔种植体的制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，通过调节孔隙率、孔径等参数，匹配皮质骨及松质骨的强度及弹性模量，并通过3D打印技术制备仿生多孔种植体，改善应力屏蔽效应；同时，对种植体进行SLA处理，增加骨-种植体的接触面积，促进细胞迁移和成骨细胞的粘附，从而促进骨结合。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，包括以下步骤：
S1.仿生多孔种植体建模：构建种植体实体模型，并构建Gyroid结构模型；将所述种植体实体模型中的多孔段与所述Gyroid结构模型进行布尔运算，得到种植体多孔骨内部分，所述种植体多孔骨内部分替换所述种植体实体模型中的多孔段后构建成最终多孔种植体模型，导出为STL格式；
S2.加支撑及切片：将所述最终种植体模型的实体面朝向基板，添加锥支撑，切片，导出为CLS格式；
S3.3D打印仿生多孔种植体：将CLS格式的所述最终种植体模型导入3D打印机中，进行打印成型，调整优化打印参数，打印制备出仿生多孔种植体；
S4.热处理：对打印后的所述仿生多孔种植体进行退火处理；
S5.表面处理：将退火处理后的所述仿生多孔种植体进行大颗粒喷砂酸蚀SLA处理，吹干后完成所述仿生多孔种植体的制备。
优选的，所述实体模型包括颈段、多孔段、螺纹和中央螺丝；
所述颈段为光滑实心结构，位于所述多孔段上方，所述颈段高度为1.5-2.5mm，颈段最宽处直径为3.5-6.5mm；
所述多孔段完全位于骨水平以下并采用Gyroid结构，所述多孔段高度为8-12mm，直径为2.7-4.5mm，下方0.5-1.0mm设置为圆角；
所述螺纹位于所述多孔段外侧且所述螺纹反支撑螺纹，截面为等腰直角三角形，螺纹高度为6.0-11.5mm，螺距为0.8-1.5mm，螺纹宽度为0.2-0.5mm；
所述中央螺丝为光滑实心结构，位于种植体中上2/3的位置，与种植体多孔段相接触位置，所述中央螺丝从上至下依次包括外展段、螺纹段和底角段，其中所述外展段的外展角度为5°-8°，螺纹段高度为1.5-4.0mm，直径为1.5-3.0mm，螺纹段的螺纹角度为55°-60°，牙距为0.3-0.4mm；于多孔段内部设置一与中央螺丝螺纹契合的薄壁，其厚度为0.1-0.3mm。
优选的，所述Gyroid结构模型为均一孔隙率Gyroid结构或梯度孔隙率Gyroid结构，孔隙率区间为50％-90％，所述梯度孔隙率Gyroid结构自上而下孔隙率逐渐增大。
优选的，所述锥支撑的直径为0.2-0.4mm；所述切片厚度为20-40μm。
优选的，所述仿生多孔种植体的打印材料为Ti6Al4V或纯钛。
优选的，所述打印参数包括：激光功率为80-300w，激光扫描速度为600-2000mm/s，连续或岛状扫描的扫面策略，铺粉厚度为每层20-40μm。
优选的，S4的具体内容包括：
将所述仿生多孔种植体放入热处理炉中，通入氩气或抽真空，10min后开始加热，加热至700-900℃，退火120-180min，空冷至150℃以下开盖关气。
优选的，S5的具体内容包括：
将热处理后的所述仿生多孔种植体清洗后，使用Al2O3砂砾在喷砂机内对所述仿生多孔种植体进行喷砂处理，清洗后置于盐酸和硫酸的混合溶液中进行酸蚀，清洗吹干后妥善保存待后续使用。
优选的，所述Al2O3砂砾为60-150目Al2O3单砂或混砂；其中喷砂距离为8-20mm，喷砂角度为45°-90°，喷砂压强为0.2-0.5MPa，喷砂时间为10-40s。
优选的，所述酸蚀过程中所采用的盐酸和硫酸的混合溶液中：V(H2SO4):V(HCl):V(H2O)＝1:1:2；酸蚀温度控制在70℃-90℃，酸蚀时间为20-40min；
酸蚀后进行清洗的方法具体为：将试件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗10-20min。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明先进行仿生多孔种植体建模，将Gyroid结构应用在种植体上，通过调节孔隙率、孔径等参数，匹配皮质骨及松质骨的强度及弹性模量，设计仿生多孔种植体从而改善应力屏蔽效应，有效提高结合强度，提升骨结合速率，提高种植成功率；
(2)TPMS连续光滑的表面使其具有更少的应力集中和更高的机械性能；利用本发明的制备方法可以获得力学性能及生物相容性优良的复杂多孔结构种植体；
(3)运用3D打印技术实现仿生多孔种植体的制备，并通过表面处理增加种植体表面粗糙度，进一步增加骨-种植体的接触面积，提供理想的可供细胞粘附和组织长入的空间，促进细胞迁移和成骨细胞的粘附，从而促进骨结合。
(4)TPMS函数更简易地实现结构参数的变化，克服了传统桁架晶胞结构设计中的缺点，可以自动获得复杂微结构和高质量表面的多孔骨支架数字化模型；
(5)SLA处理可增加骨-种植体的接触面积，促进细胞迁移和成骨细胞的粘附，从而促进骨结合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的仿生多孔种植体模型结构示意图；
图2为本发明实施例提供的仿生多孔种植体的中央螺丝模型结构示意图。
其中，1-种植体颈段，2-种植体螺纹，3-种植体多孔骨内部分，4-种植体中央螺丝，5-中央螺丝外展段，6-中央螺丝螺纹段，7-中央螺丝底角段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明实施例公开了一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，包括以下步骤：
S1.仿生多孔种植体建模：构建种植体实体模型，并构建Gyroid结构模型；将种植体实体模型中的多孔段与Gyroid结构模型进行布尔运算，得到种植体多孔骨内部分，种植体多孔骨内部分替换种植体实体模型中的多孔段后构建成最终多孔种植体模型，导出为STL格式；
S2.加支撑及切片：将最终种植体模型的实体面朝向基板，添加锥支撑，切片，导出为CLS格式；
S3.3D打印仿生多孔种植体：将CLS格式的最终种植体模型导入3D打印机中，进行打印成型，调整优化打印参数，打印制备出仿生多孔种植体；
S4.热处理：对打印后的仿生多孔种植体进行退火处理；
S5.表面处理：将退火处理后的仿生多孔种植体进行大颗粒喷砂酸蚀SLA处理，吹干后完成仿生多孔种植体的制备。
在本实施例中，分别通过Solidworks 19.0完成种植体实体模型的各部分外形，并将各实体模型导出为STL格式；在MSLattice中设计Gyroid结构，导出STL格式Gyroid结构实体模型；将种植体各部分实体模型及Gyroid结构模型导入Magics 23.0中，进行布尔运算，得到最终种植体模型，导出为STL格式实体模型。
为了进一步实施上述技术方案，实体模型包括颈段、多孔段、螺纹和中央螺丝；
颈段为光滑实心结构，位于多孔段上方，颈段高度为1.5-2.5mm，颈段最宽处直径为3.5-6.5mm；
多孔段完全位于骨水平以下并采用Gyroid结构，多孔段高度为8-12mm，直径为2.7-4.5mm，下方0.5-1.0mm设置为圆角；
螺纹位于多孔段外侧且螺纹反支撑螺纹，截面为等腰直角三角形，螺纹高度为6.0-11.5mm，螺距为0.8-1.5mm，螺纹宽度为0.2-0.5mm；
中央螺丝为光滑实心结构，位于种植体中上2/3的位置，与种植体多孔段相接触位置，中央螺丝从上至下依次包括外展段、螺纹段和底角段，其中外展段的外展角度为5°-8°，螺纹段高度为1.5-4.0mm，直径为1.5-3.0mm，螺纹段的螺纹角度为55°-60°，牙距为0.3-0.4mm；于多孔段内部设置一与中央螺丝螺纹契合的薄壁，其厚度为0.1-0.3mm。
需要说明的是：
设置薄壁的目的是旋入中央螺丝时中央螺丝与实体面接触。
为了进一步实施上述技术方案，Gyroid结构模型为均一孔隙率Gyroid结构或梯度孔隙率Gyroid结构，孔隙率区间为50％-90％，梯度孔隙率Gyroid结构自上而下孔隙率逐渐增大。
在本实施例中，在MSLattice中设计的Gyroid结构模型，单胞边长为1.5-3.0mm，Gyroid结构模型长、宽大于5mm，Gyroid结构模型高与多孔段高度一致。
为了进一步实施上述技术方案，锥支撑的直径为0.2-0.4mm；切片厚度为20-40μm。
在本实施例中，将STL格式模型导入AutoFab中加支撑。
为了进一步实施上述技术方案，仿生多孔种植体的打印材料为Ti6Al4V或纯钛。
为了进一步实施上述技术方案，打印参数包括：激光功率为80-300w，激光扫描速度为600-2000mm/s，连续或岛状扫描的扫面策略，铺粉厚度为每层20-40μm。
为了进一步实施上述技术方案，S4的具体内容包括：
将仿生多孔种植体放入热处理炉中，通入氩气或抽真空，10min后开始加热，加热至700-900℃，退火120-180min，空冷至150℃以下开盖关气。
为了进一步实施上述技术方案，S5的具体内容包括：
将热处理后的仿生多孔种植体清洗后，使用Al2O3砂砾在喷砂机内对仿生多孔种植体进行喷砂处理，清洗后置于盐酸和硫酸的混合溶液中进行酸蚀，清洗吹干后妥善保存待后续使用。
为了进一步实施上述技术方案，Al2O3砂砾为60-150目Al2O3单砂或混砂；其中喷砂距离为8-20mm，喷砂角度为45°-90°，喷砂压强为0.2-0.5MPa，喷砂时间为10-40s。
为了进一步实施上述技术方案，酸蚀过程中所采用的盐酸和硫酸的混合溶液中：V(H2SO4):V(HCl):V(H2O)＝1:1:2；酸蚀温度控制在70℃-90℃，酸蚀时间为20-40min；
酸蚀后进行清洗的方法具体为：将试件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗10-20min。
需要说明的是：本发明不仅适用于软组织水平种植体，也适用于其他种植体设计,并且还适用于除了gyriod结构以外的TPMS结构。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.仿生多孔种植体建模：构建种植体实体模型，并构建Gyroid结构模型；将所述种植体实体模型中的多孔段与所述Gyroid结构模型进行布尔运算，得到种植体多孔骨内部分，所述种植体多孔骨内部分替换所述种植体实体模型中的多孔段后构建成最终多孔种植体模型，导出为STL格式；
S2.加支撑及切片：将所述最终多孔种植体模型的颈段底面朝向基板，添加锥支撑，切片，导出为CLS格式；
S3.3D打印仿生多孔种植体：将CLS格式的所述最终种植体模型导入3D打印机中，进行打印成型，调整优化打印参数，打印制备出仿生多孔种植体；
S4.热处理：对打印后的所述仿生多孔种植体进行退火处理；
S5.表面处理：将退火处理后的所述仿生多孔种植体进行大颗粒喷砂酸蚀SLA处理，吹干后完成所述仿生多孔种植体的制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述实体模型包括颈段、多孔段、螺纹和中央螺丝；
所述颈段为光滑实心结构，位于所述多孔段上方，所述颈段高度为1.5-2.5mm，颈段最宽处直径为3.5-6.5mm；
所述多孔段完全位于骨水平以下并采用Gyroid结构，所述多孔段高度为8-12mm，直径为2.7-4.5mm，下方0.5-1.0mm设置为圆角；
所述螺纹位于所述多孔段外侧且所述螺纹反支撑螺纹，截面为等腰直角三角形，螺纹高度为6.0-11.5mm，螺距为0.8-1.5mm，螺纹宽度为0.2-0.5mm；
所述中央螺丝为光滑实心结构，位于所述颈段及多孔段中心中上2/3的位置，并设置于所述多孔段内，所述中央螺丝从上至下依次包括外展段、螺纹段和底角段，其中所述外展段的外展角度为5°-8°，螺纹段高度为1.5-4.0mm，直径为1.5-3.0mm，螺纹段的螺纹角度为55°-60°，牙距为0.3-0.4mm；在所述中央螺丝与种植体多孔段相接触的位置上，于多孔段内部设置一与中央螺丝螺纹契合的薄壁，其厚度为0.1-0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述Gyroid结构模型为均一孔隙率Gyroid结构或梯度孔隙率Gyroid结构，孔隙率区间为50％-90％，所述梯度孔隙率Gyroid结构自上而下孔隙率逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述锥支撑的直径为0.2-0.4mm；所述切片厚度为20-40μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述仿生多孔种植体的打印材料为Ti6Al4V或纯钛。
6.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述打印参数包括：激光功率为80-300w，激光扫描速度为600-2000mm/s，连续或岛状扫描的扫面策略，铺粉厚度为每层20-40μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，S4的具体内容包括：
将所述仿生多孔种植体放入热处理炉中，通入氩气或抽真空，10min后开始加热，加热至700-900℃，退火120-180min，空冷至150℃以下开盖关气。
8.根据权利要求1所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，S5的具体内容包括：
将热处理后的所述仿生多孔种植体清洗后，使用Al2O3砂砾在喷砂机内对所述仿生多孔种植体进行喷砂处理，清洗后置于盐酸和硫酸的混合溶液中进行酸蚀，清洗吹干后妥善保存待后续使用。
9.根据权利要求8所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述Al2O3砂砾为60-150目Al2O3单砂或混砂；其中喷砂距离为8-20mm，喷砂角度为45°-90°，喷砂压强为0.2-0.5MPa，喷砂时间为10-40s。
10.根据权利要求8所述的一种基于TPMS的3D打印仿生多孔种植体的制备方法，其特征在于，所述酸蚀过程中所采用的盐酸和硫酸的混合溶液中：V(H2SO4):V(HCl):V(H2O)＝1:1:2；酸蚀温度控制在70℃-90℃，酸蚀时间为20-40min；
酸蚀后进行清洗的方法具体为：将试件分别置于去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水中，超声清洗10-20min。
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