[發(fā)明專利]聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310675564.0
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103707507A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳文征;趙繼;姜振華;張海博;趙帝
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法。

背景技術(shù)

聚醚醚酮是由英國ICI公司于1977年率先開發(fā)出的一種新型工程塑料，其既具有熱固性塑料的耐高溫性能、優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度(高強(qiáng)度、高彈性模量、高斷裂韌性)、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射和電氣性能，又具有熱塑性材料的易加工性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，聚醚醚酮具有優(yōu)良生物相容性，和金屬材料的植入體相比，其彈性模量和人骨彈性模量更接近，大大降低了由于金屬材料和人體骨骼彈性模量差距過大而造成的應(yīng)力遮擋、骨吸收、骨發(fā)炎、二次手術(shù)等問題。并且將聚醚醚酮人工骨植入人體后，其力學(xué)性能完全能滿足人體正常的生理需要，是一種非常好的可以替代金屬的人體植入材料。

3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，通過分層軟件和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。3D打印最大的特點(diǎn)在于不需要對加工零件開模，節(jié)省了制造模具的時(shí)間和成本，只需要對零件進(jìn)行三維造型，生成加工軌跡，便能制造出所需的零件，縮短了制造周期，尤其適用于人工骨等個(gè)性化單件小批量加工。

目前聚醚醚酮材料只能通過注塑或機(jī)械加工等傳統(tǒng)加工方式成形，其最大的缺點(diǎn)在于因零件形狀不同需要制造不同的模具，這就大大增加了制造成本，而且對于應(yīng)用于臨床的個(gè)性化人工骨，制造的模具無法再次利用，造成了資源浪費(fèi)。同時(shí)，由于開模具需要很長的時(shí)間，對于急需植入人工骨的患者來說需要等待的時(shí)間過長。因此，開模具來制造人工骨的技術(shù)不僅成本高而且不能滿足由于患者骨骼形狀各異對植入人工骨的個(gè)性化需求。現(xiàn)有商業(yè)化的3D打印機(jī)只能打印一些特定的材料，如ABS、PLA、鈦合金等，不能進(jìn)行聚醚醚酮的3D打印制造。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，旨在解決目前聚醚醚酮材料基本采用注塑、模壓等傳統(tǒng)加工技術(shù)成形，其制造成本高、零件形狀單一、生產(chǎn)周期長、不能進(jìn)行聚醚醚酮的3D打印制造等問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法包括：獲取患者待植入部位的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)、從獲取的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中提取出所需要的骨組織數(shù)據(jù)、建立仿生人工骨的三維數(shù)字模型、對人工骨三維數(shù)字模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化、將人工骨數(shù)字模型輸入自制聚醚醚酮3D打印系統(tǒng)進(jìn)行人工骨的三維實(shí)體制造、進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)、動物試驗(yàn)、臨床試驗(yàn)。具體步驟如下：

步驟一、采用CT、MRI、超聲等醫(yī)療儀器獲取患者待植入部位的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)。

步驟二、將步驟一中獲取的患者待植入部位的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，對醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出所需要的骨組織數(shù)據(jù)。

步驟三、對步驟二中對提取的骨組織數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用逆向工程實(shí)現(xiàn)人工骨三維數(shù)字模型建立。

步驟四、利用三維建模軟件將步驟三建立的人工骨三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)成3D打印系統(tǒng)可以識別的STL等格式文件。

步驟五、將人工骨的STL文件輸入自制聚醚醚酮3D打印系統(tǒng)進(jìn)行人工骨的三維實(shí)體制造。

第一步，將直徑為1.6mm的聚醚醚酮絲用烘干箱以100℃-140℃的溫度干燥12小時(shí)。

第二步，通過自制溫控系統(tǒng)將3D打印系統(tǒng)噴頭預(yù)熱到T₁(340℃-355℃)，鋁合金基板預(yù)熱到T₂(110℃-120℃)，打印室預(yù)熱到T₃(200℃～230℃)。

第三步，通過控制系統(tǒng)將直徑為0.3mm的3D打印噴嘴調(diào)至距打印平臺0.2mm，隨后雙齒輪送絲機(jī)構(gòu)將直徑為1.6mm的聚醚醚酮絲以勻速送入已經(jīng)預(yù)熱的噴頭，3D打印系統(tǒng)噴頭根據(jù)分層軟件生成的人工骨軌跡行進(jìn)，打印出聚醚醚酮人工骨的第一層，而后按噴頭按照控制系統(tǒng)規(guī)劃的軌跡路徑，分別打印第2,3層，直至完成仿生聚醚醚酮人工骨的3D打印。

第四步，為了減輕聚醚醚酮人工骨在成形過程中的因內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的脆斷、分層、翹曲等問題，將打印室溫度T₃由200℃～230℃以5℃-10℃／min的速度逐漸冷卻到室溫，然后再從打印室中取出仿生聚醚醚酮人工骨。

步驟六、將采用3D打印技術(shù)制造的聚醚醚酮仿生人工骨進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)，動物試驗(yàn)，最終進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

進(jìn)一步，由于聚醚醚酮的內(nèi)聚力強(qiáng)，不易與其他材料粘結(jié)，在分層加工中會產(chǎn)生與底板粘接不牢的情況，需要將定制的聚醚醚酮薄膜粘貼在可以加熱的鋁合金基板表層，增強(qiáng)人工骨最底層的粘接力，有助于提高人工骨的成形質(zhì)量和精度。