專利名稱：基于三維打印技術(shù)的醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種基于三維 打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦與其他金屬相比，具有優(yōu)良的機械性能、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性和生物安全性、 及相對較低的價格。上世紀四十年代，Bothe等人最早將鈦作為醫(yī)用植入性材料進行了動 物實驗，發(fā)現(xiàn)鈦與骨組織之間無不良反應(yīng)，至此開啟了鈦在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。目前其作 為醫(yī)用植入性材料在臨床上應(yīng)用廣泛并獲得了成功。但它們相對于人體骨組織具有較高的 彈性模量(鈦約100 llOGPa、人骨約為2 40GPa)，因而容易使兩者結(jié)合界面間的彈性 形變不匹配而產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，從而影響植入體的初期穩(wěn)定性和長期的修復效果。為了 改善這一問題，學者們提出多孔純鈦植入體的概念。大量開放連通的孔隙不僅降低了鈦的 彈性模量，使之與人體自然骨相匹配；而且其多孔的結(jié)構(gòu)也有利于骨細胞的粘附生長和體 內(nèi)營養(yǎng)物的傳輸。因此，有關(guān)多孔純鈦植入體的研究，特別是其制備方法與性能的研究已成 為了一個熱點。目前多孔純鈦植入體的制備技術(shù)主要有粉末松裝燒結(jié)法、凝膠注模法、漿料發(fā)泡 法等等，這些方法都需要用到模具。然而醫(yī)用植入材料的最大特點是尺寸因人而異、形狀復 雜、微小細節(jié)豐富，這就對其成型技術(shù)提出了較高的要求，而傳統(tǒng)工藝在制作復雜三維形態(tài) 的試件時存在不足，無法很好的做到個體化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純 鈦植入體成型的制備方法，該方法簡單，成本低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法， 包括(1)將純鈦粉末與水溶性的粘結(jié)材料按重量比5-10 91-95混合，然后研磨，使粉 末不結(jié)塊；(2)將上述研磨后的粉末輸送到平臺上，滾壓鋪層；將設(shè)計好的鈦植入體CAD文件 輸入三維打印設(shè)備配套軟件，指導設(shè)備工作；打印頭在鈦粉末上噴射粘結(jié)劑將粉末粘結(jié)在 一起，形成二維平面，加工完一層后，工作臺下降，進行下一層的加工，逐層堆積成型，直到 所加工物品噴涂成型完成；成型后，放置直至粘結(jié)劑變干，掃除未粘結(jié)的粉末得到初成型的 物品，然后燒結(jié)，即得。所述步驟(1)中的純鈦粉末的粒徑為30-50 u m。所述步驟(1)中的粘結(jié)材料為聚乙烯醇。所述步驟(2)中的粘結(jié)劑為濃度為的聚乙烯吡咯烷酮。所述步驟(2)每一層粘結(jié)劑噴2遍。
所述步驟⑵工作臺下降0. 1-0. 15謹。所述步驟(3)中的燒結(jié)分為兩個階段第一階段為去除加入的水溶性的粘結(jié)材 料，溫度從室溫上升至450°C -500°C ；在200-300°C時，溫度上升速率為2 V /min，其余為 5°C /min ；在450°C _500°C保持1小時，自然冷卻；第二階段燒結(jié)到1200-1400°C，完成鈦植 入體的最終成型制備，溫度上升速率為5°C /min，在最高溫度保持90分鐘，自然冷卻；在燒 結(jié)的全程，氬氣保護，壓力為5-25MPa。三維打印技術(shù)(Three Dimensional Printing，3DP)是一項基于噴射的快速成型 技術(shù)，可以成型數(shù)樹脂、金屬、陶瓷等多種粉末材料。根據(jù)CAD模型，打印頭在薄層粉末上 噴射粘結(jié)劑形成二維平面，并逐層堆積成型，然后對初成型的模型進行燒結(jié)，獲得最終的模 型。因此說，三維打印技術(shù)結(jié)合CAD是一種真正意義上的數(shù)字化、個體化加工。它具有設(shè)備 簡單，精度高(40-50 ym)，成本低(無需激光系統(tǒng))，體積小，工作中無污染，成型速度快等 優(yōu)點。更為重要的是，一方面，我們可以通過調(diào)節(jié)三維打印成型工藝參數(shù)及燒結(jié)的溫度來控 制最終鈦植入體的彈性模量，使之達到與人自然骨相匹配的范圍，這就可以避免由于鈦植 入體與骨組織之間力學性能不匹配而造成界面的應(yīng)力集中，從而影響植入體的長期效果。 另一方面，通過三維打印技術(shù)成型的鈦植入體表面形成50-150 y m的微孔，這將更有利于 鈦植入體與骨組織之間的結(jié)合，從而獲得更好的遠期療效。有益效果(1)本發(fā)明的方法簡單，成本低，能成型三維復雜形態(tài)的試件，從而實現(xiàn)個體化，適 合于工業(yè)化生產(chǎn)；(2)本發(fā)明所得多孔純鈦植入體與自然骨的匹配度高，形成的多孔結(jié)構(gòu)有利于其 與骨組織的更好結(jié)合。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實施例1一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法，包括(1)將粒徑為30 ym左右的純鈦粉末與水溶性的粘結(jié)材料(聚乙烯醇)按重量比 5 95混合，然后研磨，使粉末不結(jié)塊；(2)將上述研磨后的粉末輸送到平臺上，滾壓鋪層；設(shè)計鈦植入體試件大小為 36mmX 12mmX6mm,并將其輸入三維打印設(shè)備配套軟件。根據(jù)試件CAD每一層截面的信息， 打印頭在鈦粉末上噴射粘結(jié)劑(濃度為聚乙烯吡咯烷酮)形成二維平面，每一層粘結(jié)劑 噴2遍。加工完一層后，工作臺下降0. 1mm，進行下一層的加工，逐層堆積成型，直至最終試 件完成。試件成型完成后，放置24小時。然后對試件進行燒結(jié)處理。燒結(jié)分為兩個階段。 第一階段溫度從室溫上升至450°C。在200-300°C時，溫度上升速率為2°C /min，其余溫度 段為5°C /min。在450°C保持1小時，自然冷卻。第二階段燒結(jié)到1300°C，完成鈦植入體的 最終成型制備，溫度上升速率為5°C /min，在最高溫度保持90分鐘，自然冷卻。在燒結(jié)的全程，氬氣保護，壓力為5-25MPa。經(jīng)測試，試件的孔隙率為54. 03%，體積密度為2. 13g/cm3, 顯微硬度為145. 4HV，抗壓強度為45. 8MPa，彈性模量為2. 23GPa。實施例2一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法，包括(1)將粒徑為30 y m左右的純鈦粉末與水溶性的粘結(jié)材料(聚乙烯醇)按重量比 10 90混合，然后研磨，使粉末不結(jié)塊；(2)將上述研磨后的粉末輸送到平臺上，滾壓鋪層。設(shè)計鈦植入體試件大小為 36mmX 12mmX6mm,并將其輸入三維打印設(shè)備配套軟件。根據(jù)試件CAD每一層截面的信息， 打印頭在鈦粉末上噴射粘結(jié)劑(濃度為聚乙烯吡咯烷酮)形成二維平面，每一層粘結(jié)劑 噴2遍。加工完一層后，工作臺下降0. 1mm，進行下一層的加工，逐層堆積成型，直至最終試 件完成。試件成型完成后，放置24小時。然后對試件進行燒結(jié)處理。燒結(jié)分為兩個階段。 第一階段溫度從室溫上升至450°C。在200-300°C時，溫度上升速率為2°C /min，其余溫度 段為5°C /min。在450°C保持1小時，自然冷卻。第二階段燒結(jié)到1300°C，完成鈦植入體的 最終成型制備，溫度上升速率為5°C /min，在最高溫度保持90分鐘，自然冷卻。在燒結(jié)的全 程，氬氣保護，壓力為5-25MPa。經(jīng)測試，試件的孔隙率為44. 26%,體積密度為2. 59g/cm3, 顯微硬度為151. 6HV，抗壓強度為61. 2MPa，彈性模量為3. 25GPa。
權(quán)利要求
一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法，包括(1)將純鈦粉末與水溶性的粘結(jié)材料按重量比5 10∶91 95混合，然后研磨；(2)將上述研磨后的粉末輸送到平臺上，滾壓鋪層；將設(shè)計好的鈦植入體CAD文件輸入三維打印設(shè)備配套軟件，指導設(shè)備工作；打印頭在鈦粉末上噴射粘結(jié)劑將粉末粘結(jié)在一起，形成二維平面，加工完一層后，工作臺下降，進行下一層的加工，逐層堆積成型，直到所加工物品噴涂成型完成；成型后，放置直至粘結(jié)劑變干，掃除未粘結(jié)的粉末得到初成型的物品，然后燒結(jié)，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型 的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的純鈦粉末的粒徑為30-50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型 的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的粘結(jié)材料為聚乙烯醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成型 的制備方法，其特征在于所述步驟(2)每一層粘結(jié)劑噴2遍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體的制 備方法，其特征在于所述步驟(2)工作臺下降0. 1-0. 15mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維打印技術(shù)的個體化醫(yī)用多孔純鈦植入體成 型的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的燒結(jié)分為兩個階段第一階段為去除加入 的水溶性的粘結(jié)材料，溫度從室溫上升至450°C -500°C ；在200-300°C時，溫度上升速率 為2°C /min，其余為5°C /min ；在450°C -500°C保持1小時，自然冷卻；第二階段燒結(jié)到 1200-1400°C，完成鈦植入體的最終成型制備，溫度上升速率為5°C /min，在最高溫度保持 90分鐘，自然冷卻；在燒結(jié)的全程，氬氣保護，壓力為5-25MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三維打印技術(shù)的醫(yī)用多孔純鈦植入體成型的制備方法，包括(1)將純鈦粉末與水溶性的粘結(jié)材料混合，研磨；(2)將粉末輸送到平臺上；將設(shè)計好的鈦植入體CAD文件輸入三維打印設(shè)備配套軟件，指導設(shè)備工作；打印頭在鈦粉末上噴射粘結(jié)劑形成二維平面，加工完一層后，工作臺下降，進行下一層的加工，逐層堆積成型，直到所加工物品噴涂成型完成；成型后，放置，掃除未粘結(jié)的粉末得到初成型的物品，然后燒結(jié)，即得。本發(fā)明的方法簡單，成本低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；所得的多孔純鈦植入體與自然骨的匹配度高，形成的多孔結(jié)構(gòu)有利于其與骨組織更好的結(jié)合。
文檔編號B22F3/00GK101927346SQ20101027583
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者孫健, 張富強, 熊耀陽, 陳萍 申請人:上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院