[發(fā)明專(zhuān)利]3D打印原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體的方法及植入體

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710355334.4
• 申請(qǐng)日: 2017-05-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107225242A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏木建;劉愛(ài)輝;林岳賓;李年蓮;丁紅燕;侯志偉;陳中;葉瑋
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 淮陰工學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): B22F3/105
• 分類(lèi)號(hào): B22F3/105;B22F5/00;B33Y10/00;B33Y80/00;A61L27/08;A61L27/06;A61L27/02;A61L27/10;A61L27/50
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 竇賢宇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種3D打印原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體的方法，特別是一種基于激光3D打印的高性能鈦合金骨植入體的成形方法，屬于高性能醫(yī)用骨植入器械制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

據(jù)報(bào)道，隨人口老齡化程度的不斷加劇及意外傷害事故逐年急劇增長(zhǎng)，人工骨植入體的需求因有效緩解疼痛、穩(wěn)定關(guān)節(jié)、矯正畸形、骨骼重建等功效而呈明顯上升趨勢(shì)。鈦合金骨植入體因擁有良好的生物相容性、力學(xué)性能、耐腐蝕性和可加工性而在臨床上得到廣泛應(yīng)用。但因其缺乏優(yōu)異的耐磨性、抗疲勞性等，易在人體服役過(guò)程中產(chǎn)生磨屑而引起其周?chē)梭w組織的感染，導(dǎo)致其過(guò)早失效，從而致使二次手術(shù)的概率大幅增加。

陶瓷具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐磨損性能等特性，因而被用于改善醫(yī)用鈦合金骨植入體的綜合性能。目前，提高鈦合金骨植入體的性能主要通過(guò)以下途徑：一是利用材料表面改性技術(shù)（如，物理氣相沉積、激光熔覆、滲碳等）在醫(yī)用鈦合金表面沉積一層陶瓷膜，以提升其性能。但因膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度有限，極易在人體復(fù)雜的生理環(huán)境及交變/循環(huán)載荷應(yīng)力交互作用下產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂，導(dǎo)致其提前失效；二是將微米或納米尺度的陶瓷顆粒加入鈦合金熔體中，冷卻凝固后形成陶瓷顆粒增強(qiáng)的鈦合金，以期提高其性能。然而，較弱的陶瓷/鈦合金的界面潤(rùn)濕特性及結(jié)合強(qiáng)度嚴(yán)重阻礙了其性能的提升。現(xiàn)階段，陶瓷顆粒的原位合成已成為有效提升陶瓷/鈦合金界面特性的重要途徑。現(xiàn)有技術(shù)一將碳化硼及石墨加入海綿鈦中，采用真空熔煉技術(shù)，原位自生反應(yīng)生成TiB短纖維和TiC顆粒增強(qiáng)鈦合金，獲得良好的綜合機(jī)械性能。現(xiàn)有技術(shù)二將SiC陶瓷加入鈦粉中，通過(guò)真空感應(yīng)熔煉法，原位自生兩陶瓷相（TiC與Ti₅Si₃）增強(qiáng)鈦合金，提高了其綜合性能。但真空熔煉法存在真空度較高、能耗高、成形精度低等問(wèn)題，已嚴(yán)重限制其性能的提升。

隨著激光應(yīng)用技術(shù)與智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，被譽(yù)為第四次“工業(yè)革命”的增材制造技術(shù)因其制造精密度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于生物醫(yī)療、航空航天及汽車(chē)制造等諸多領(lǐng)域。尤其是能一次性成形空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁構(gòu)件，大幅簡(jiǎn)化成形工藝，縮短加工周期?，F(xiàn)有技術(shù)三利用3D打印技術(shù)成形高強(qiáng)度鈦合金醫(yī)用植入體，具有成本低、性能優(yōu)越等特點(diǎn)。

因此，基于先進(jìn)的激光選區(qū)熔化（SLM）激光3D打印制造技術(shù)，成形原位自生陶瓷增強(qiáng)鈦合金骨植入體，能有效改善當(dāng)前鈦合金骨植入體的綜合性能，顯著延長(zhǎng)其在人體內(nèi)的服役壽命，降低患者的病痛與二次手術(shù)費(fèi)用，具有良好的社會(huì)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種3D打印原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體的方法，該方法基于原位自生陶瓷相良好的陶瓷/金屬界面潤(rùn)濕特性，采用先進(jìn)的激光3D打印技術(shù)進(jìn)行成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體，以進(jìn)一步提升其在人體復(fù)雜生理環(huán)境下的綜合服役性能。

為解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明可采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種3D打印原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體的方法，包括以下步驟：

步驟1：掃描病變處骨骼，獲取三維數(shù)據(jù)模型，并對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)和分層切片處理；

步驟2：將碳納米管加入到無(wú)水乙醇中，并向其中加入表面活性劑，超聲振蕩分散，然后在真空干燥箱中干燥，獲得分散性能符合預(yù)期的碳納米管；

步驟3：將鈦合金粉、硼粉及碳納米管按質(zhì)量比稱(chēng)量后，利用高能球磨機(jī)對(duì)混合粉末進(jìn)行球磨混合，得到均勻混合的成形粉末；

步驟4：將步驟1中經(jīng)處理的骨骼三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入激光3D打印設(shè)備系統(tǒng)，再將高純氬氣(＞99.99%，優(yōu)選＞99.999%）與高純氮?dú)猓ǎ?9.99%，優(yōu)選＞99.999%）混合后勻速通入設(shè)備成形腔中，對(duì)所述的成形粉末進(jìn)行3D打印成形原位自生多級(jí)納米陶瓷相強(qiáng)化鈦合金骨植入體；

步驟5：將步驟4中所述的鈦合金骨植入體在超凈環(huán)境下進(jìn)行清洗、滅菌及干燥處理，真空封裝保存?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面：步驟1中，所述模型進(jìn)行分層切片處理的層厚為20～30 μm。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面：步驟2中，所述表面活性劑為十六烷基磺酸鈉或十六烷基三甲基溴化銨，超聲振蕩分散時(shí)間為25~35min，真空干燥溫度為55~65℃，干燥時(shí)間為1.5~2.5h。優(yōu)選的，超聲振蕩分散時(shí)間為30 min，真空干燥溫度為60°C，干燥時(shí)間為2 h。