本發(fā)明涉及一種髖關(guān)節(jié)臼的成形方法，尤其是涉及一種低磨超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼的成形方法，屬于骨植入體制造
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，是一種分子量超過150萬的高分子聚合物，擁有高度有序的片晶鑲嵌在無規(guī)的無定形區(qū)獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)、極高的分子量及較高的分子纏結(jié)密度賦予其優(yōu)異的性能，如，低摩擦系數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的生物相容性及自潤(rùn)滑性等。因而，被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)替換材料，已成為最重要的人工髖關(guān)節(jié)臼用高分子材料。人日常活動(dòng)及運(yùn)動(dòng)帶來的循環(huán)作用應(yīng)力，對(duì)UHMWPE髖關(guān)節(jié)臼的耐磨性、強(qiáng)度要求提出了苛刻的要求。臨床應(yīng)用表明，UHMWPE的硬度和耐磨損性能相對(duì)較低，長(zhǎng)期服役過程中發(fā)生蠕變而使人工關(guān)節(jié)臼產(chǎn)生較大磨損，致使耐磨性成為影響UHMWPE人工髖關(guān)節(jié)臼在人體復(fù)雜的生理環(huán)境下服役壽命的主要因素。此外，磨損產(chǎn)生的UHMWPE顆粒聚積并誘發(fā)軟組織炎癥，導(dǎo)致假體周圍發(fā)生骨溶解、關(guān)節(jié)的松動(dòng)。為延長(zhǎng)UHMWPE人工髖關(guān)節(jié)臼在人體內(nèi)的服役壽命，亟需提高其服役性能。目前，UHMWPE人工髖關(guān)節(jié)臼主要通過壓制燒結(jié)成形。CN105031721A將超高分子量聚乙烯粉末、維生素E粉末和單層氧化石墨烯進(jìn)行混合，壓模成型髖關(guān)節(jié)臼的胚體后進(jìn)行輻照交聯(lián)處理，降低了磨損率。石國軍等熱壓成形偶聯(lián)玻璃微珠/超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，其力學(xué)性能及磨損性能得到提升。但壓制燒結(jié)成形易使UHMWPE在高溫下停留時(shí)間過長(zhǎng)而氧化降解，極易造成斷鏈反應(yīng)的發(fā)生，形成含雙鍵、自由基等對(duì)人體有潛在危害的物質(zhì)；其次，因UHMWPE顆粒的擴(kuò)散系數(shù)極小，在壓制成形過程中顆粒間的界面不能完全消除，易引起結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致其性能的下降。此外，壓制成形工藝制造精度不高，需后處理，制造周期長(zhǎng)。近年來，激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)已發(fā)展成為快速制造領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，具有可直接成形復(fù)雜形狀非金屬零件，加工效率高、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。UHMWPE人工髖關(guān)節(jié)臼的制造對(duì)傳統(tǒng)的加工方法提出了挑戰(zhàn)，而SLS技術(shù)為其提供了一個(gè)有效的途徑。SLS成形高分子材料過程中，通過對(duì)其粉末在微米尺度內(nèi)瞬間快速熔化與凝固，有效降低其在高溫下停留時(shí)間，極大提高其成形性能。CN105172154A提供了一種超高分子量聚乙烯的選區(qū)激光燒結(jié)成型方法，切實(shí)解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼的精密制造。CN103450537B提供了一種石墨烯/UHMWPE熱壓成型方法，提高了其抗靜電性能。然而，基于SLS技術(shù)的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼的成形方法在醫(yī)用低磨人工髖關(guān)節(jié)臼精密制造領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)中并未涉及。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種低磨超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼的成形方法，該方法基于SLS技術(shù)獨(dú)特的成形工藝方法，結(jié)合碳納米管、石墨烯納米碳材料優(yōu)異的低磨性能，成形石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼具有較低的磨損率，以大幅延長(zhǎng)其在人體復(fù)雜生理環(huán)境中的服役壽命。技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明可采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種低磨超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼的成形方法，其特征在于：利用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)成形低磨超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼，包括以下步驟：(1)超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體的制備：分別稱量石墨烯、碳納米管及超高分子量聚乙烯粉體，將石墨烯與碳納米管納米粉體置于乙醇/十六烷基苯磺酸鈉分散劑中進(jìn)行超聲分散30分鐘，得到穩(wěn)定的石墨烯/碳納米管復(fù)合納米粉體分散體系，再將超高分子量聚乙烯粉體置于所述的石墨烯/碳納米管復(fù)合納米粉體分散體系中進(jìn)行超聲攪拌混合60分鐘后，經(jīng)真空干燥處理，獲得超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體；(2)髖關(guān)節(jié)臼模型前處理：利用CAD軟件對(duì)髖關(guān)節(jié)臼進(jìn)行三維實(shí)體建模，并采用路徑規(guī)劃軟件對(duì)其進(jìn)行分層切片處理；(3)激光選區(qū)燒結(jié)成形：在激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備中，通入保護(hù)氣氛，將醫(yī)用純鈦基板進(jìn)行預(yù)熱處理后，將所述的超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體經(jīng)激光選區(qū)燒結(jié)成形。進(jìn)一步地，上述步驟(1)中，所述石墨烯質(zhì)量百分比為1～15％、碳納米管質(zhì)量百分比為1～15％，剩余為超高分子量聚乙烯。進(jìn)一步地，上述步驟(1)中，所述真空干燥處理溫度為40℃，干燥時(shí)間為40分鐘。進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，所述髖關(guān)節(jié)臼模型進(jìn)行分層切片處理的層厚均為30μm。進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述的保護(hù)氣氛為高純度氬氣，純度為99.99％。進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述的激光選區(qū)燒結(jié)成形，其基板預(yù)熱溫度為40～100℃。進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述的激光選區(qū)燒結(jié)成形，其激光功率為20～100W，激光掃描速度為100～3000mm/s，掃描間距為30～80μm。現(xiàn)有技術(shù)制造超高分子量聚乙烯人工髖關(guān)節(jié)臼主要通過壓制成形獲得，需將超高分子量聚乙烯粉末與增強(qiáng)體通過球磨方法實(shí)現(xiàn)其兩者的混合，對(duì)于納米增強(qiáng)體而言，其團(tuán)聚效應(yīng)明顯，通過球磨法難以將粉末混合均勻，易造成復(fù)合粉末壓制成形后微區(qū)成分的差異，進(jìn)而導(dǎo)致微觀組織不均勻及對(duì)性能產(chǎn)生不利影響；其次，因UHMWPE的熱導(dǎo)率極低，壓制成形易使其在較高溫度下停留時(shí)間過長(zhǎng)而發(fā)生氧化降解，造成斷鏈反應(yīng)的發(fā)生，形成含雙鍵、自由基等對(duì)人體有潛在危害的物質(zhì)，且在壓制成形過程中顆粒間的界面不能完全消除，易引起結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致其使用性能的下降；另一方面，較差的增強(qiáng)體/UHMWPE界面潤(rùn)濕特性不利于其耐磨性的提高。本發(fā)明的成形方法基于石墨烯及碳納米管優(yōu)異的自潤(rùn)滑特性，將石墨烯、碳納米管與超高分子量聚乙烯通過簡(jiǎn)單的液相攪拌分散處理可直接獲得球形度高、粉末流動(dòng)性優(yōu)良的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料粉末，進(jìn)而保證后續(xù)SLS成形的鋪粉提供了均勻致密的粉床，同時(shí)以改善其耐磨性能；此外，石墨烯及碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，在SLS成形過程中有助于提高熔體的導(dǎo)熱性，進(jìn)而有效避免其在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致其性能的下降。本發(fā)明基于石墨烯及碳納米管優(yōu)異的性能，創(chuàng)新性地運(yùn)用先進(jìn)的SLS成形石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼，不僅提升了其耐磨性能、延長(zhǎng)其在人體內(nèi)的服役壽命，也實(shí)現(xiàn)了人工髖關(guān)節(jié)臼的精密制造。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：1、成形工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。采用SLS成形石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼，無需壓制模具及加熱系統(tǒng)，同時(shí)無需復(fù)雜的后處理，大幅降低生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；2、創(chuàng)新地運(yùn)用石墨烯及碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)熱特性，以提升UHMWPE復(fù)合材料熔體的導(dǎo)熱性能，有效避免其在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致其性能的下降，使人工髖關(guān)節(jié)臼的成形性能得到大幅提升。3、基于石墨烯及碳納米管優(yōu)異的自潤(rùn)滑特性，利用簡(jiǎn)單易行的液相攪拌分散處理，實(shí)現(xiàn)了石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合粉體的制備，賦予粉末優(yōu)良的流動(dòng)性及均勻性等優(yōu)點(diǎn)，滿足SLS成形所需粉末的需求，以增強(qiáng)UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼的耐磨性及人體服役性能。附圖說明圖1為實(shí)施例1成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的摩擦系數(shù)圖；圖2為實(shí)施例1成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的磨損形貌圖；圖3為實(shí)施例2成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的摩擦系數(shù)圖；圖4為實(shí)施例2成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的磨損形貌圖；圖5為實(shí)施例3成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的摩擦系數(shù)圖；圖6為實(shí)施例3成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的磨損形貌圖；圖7為實(shí)施例4成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的摩擦系數(shù)圖；圖8為實(shí)施例5成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的磨損形貌圖；具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1本發(fā)明的低磨超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼成形方法，利用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)成形超高分子量聚乙烯復(fù)合材料髖關(guān)節(jié)臼，其成形方法包括：(1)超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體的制備：按石墨烯質(zhì)量百分比為15％、納米管質(zhì)量百分比為15％、超高分子量聚乙烯質(zhì)量百分比為70％分別稱量石墨烯、碳納米管及超高分子量聚乙烯粉體，將石墨烯與碳納米管納米粉體置于乙醇/十六烷基苯磺酸鈉分散劑中進(jìn)行超聲分散30分鐘，得到穩(wěn)定的石墨烯/碳納米管復(fù)合納米粉體分散體系，再將超高分子量聚乙烯粉體置于所述的石墨烯/碳納米管復(fù)合納米粉體分散體系中進(jìn)行超聲攪拌混合60分鐘后，經(jīng)40℃真空干燥處理40分鐘，獲得超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體；(2)髖關(guān)節(jié)臼模型前處理：利用CAD軟件對(duì)髖關(guān)節(jié)臼進(jìn)行三維實(shí)體建模，并采用路徑規(guī)劃軟件對(duì)其進(jìn)行分層切片處理，層厚均為30μm；(3)激光選區(qū)燒結(jié)成形：在激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備中，通入純度為99.99％的高純度氬氣為保護(hù)氣氛，將醫(yī)用純鈦基板進(jìn)行預(yù)熱40℃，將所述的超高分子量聚乙烯復(fù)合粉體在激光功率為20W，激光掃描速度為100mm/s，掃描間距為30μm工藝條件下經(jīng)激光選區(qū)燒結(jié)成形。實(shí)施例2本實(shí)施方式與實(shí)施例1不同的是在步驟(1)中稱量時(shí)，將石墨烯質(zhì)量百分比設(shè)定為8％、納米管質(zhì)量百分比為8％、超高分子量聚乙烯質(zhì)量百分比為84％；在步驟(3)中將激光功率設(shè)定為60W，其他與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3本實(shí)施方式與實(shí)施例2不同的是在步驟(3)中將基板預(yù)熱溫度控制在70℃；在步驟(3)中將激光掃描間距設(shè)定為60μm，其他與實(shí)施例2相同。實(shí)施例4本實(shí)施方式與實(shí)施例3不同的是在步驟(1)中稱量時(shí)，將石墨烯質(zhì)量百分比設(shè)定為1％、納米管質(zhì)量百分比為1％、超高分子量聚乙烯質(zhì)量百分比為98％；在步驟(3)中將激光掃描速度設(shè)定為1600mm/s；在步驟(3)中將激光功率設(shè)定為100W，其他與實(shí)施例3相同。實(shí)施例5本實(shí)施方式與實(shí)施例4不同的是在步驟(3)中將基板預(yù)熱溫度設(shè)定為100℃，其他與實(shí)施例4相同。對(duì)比實(shí)施例采用傳統(tǒng)熱壓法制備的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼在人體內(nèi)的磨損率約為9.8±0.7mg/m3，磨損較高，易引起植入體周圍組織感染，嚴(yán)重降低其在人體中的服役壽命。本發(fā)明的方法是基于石墨烯、碳納米管優(yōu)異的自潤(rùn)滑及導(dǎo)熱性能，創(chuàng)新地運(yùn)用先進(jìn)的激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)，成形低磨的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼，并對(duì)其在人體模擬體液環(huán)境下進(jìn)行耐磨性能測(cè)定，旨在對(duì)比其耐磨特性，以證明本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從圖1、3、5和7可明顯發(fā)現(xiàn)，石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境下的摩擦系數(shù)均較小，且摩擦系數(shù)的波動(dòng)不大，進(jìn)一步說明其工作的平穩(wěn)性；從圖2、4、6和8可以看出，石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境中的腐蝕與磨損的交互作用下，摩擦后的表無明顯磨痕及粘附等磨損特征，仍保持著較為完整的原始表面，以其說明具有良好的抗磨損特性。此外，對(duì)不同工藝參數(shù)成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼在人體模擬體液環(huán)境下的耐磨性能進(jìn)行測(cè)定與評(píng)價(jià)，如表1，磨損率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱壓法制備的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼，以說明基于本發(fā)明成形的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼具有較高的耐磨性能，能滿足高性能人工髖關(guān)節(jié)臼在人體內(nèi)的服役要求。表1本發(fā)明中石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼的耐磨性能實(shí)施例摩擦系數(shù)磨損率(mg/m3)實(shí)施例10.09±0.010.58±0.01實(shí)施例20.05±0.010.21±0.01實(shí)施例30.11±0.011.23±0.01實(shí)施例40.18±0.011.81±0.01實(shí)施例50.14±0.011.55±0.01對(duì)比例9.8±0.7在合適的工藝參數(shù)條件下，可獲得耐磨性高的石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼，有效避免因磨損的UHMWPE顆粒引起組織感染，同時(shí)可延長(zhǎng)其人體內(nèi)的服役壽命。本發(fā)明基于石墨烯及碳納米管優(yōu)異的性能，運(yùn)用先進(jìn)的激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)成形石墨烯/碳納米管/UHMWPE復(fù)合材料人工髖關(guān)節(jié)臼，具有良好的耐磨性；同時(shí)成形工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，為高性能人工髖關(guān)節(jié)臼的量產(chǎn)提供技術(shù)保障。上述描述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，便于該
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)研發(fā)人員的理解和使用發(fā)明。因此，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做的改進(jìn)、修改和等同代替都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3