CN101927346A - 基于三维打印技术的医用多孔纯钛植入体成型的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三维打印技术的医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，包括：(1)将纯钛粉末与水溶性的粘结材料混合，研磨；(2)将粉末输送到平台上；将设计好的钛植入体CAD文件输入三维打印设备配套软件，指导设备工作；打印头在钛粉末上喷射粘结剂形成二维平面，加工完一层后，工作台下降，进行下一层的加工，逐层堆积成型，直到所加工物品喷涂成型完成；成型后，放置，扫除未粘结的粉末得到初成型的物品，然后烧结，即得。本发明的方法简单，成本低，适合于工业化生产；所得的多孔纯钛植入体与自然骨的匹配度高，形成的多孔结构有利于其与骨组织更好的结合。
Description
技术领域
本发明属个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备领域，特别是涉及一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法。
背景技术
钛与其他金属相比，具有优良的机械性能、耐腐蚀性、化学稳定性和生物安全性、及相对较低的价格。上世纪四十年代，Bothe等人最早将钛作为医用植入性材料进行了动物实验，发现钛与骨组织之间无不良反应，至此开启了钛在生物医学领域的应用。目前其作为医用植入性材料在临床上应用广泛并获得了成功。但它们相对于人体骨组织具有较高的弹性模量(钛约100～110GPa、人骨约为2～40GPa)，因而容易使两者结合界面间的弹性形变不匹配而产生应力屏蔽效应，从而影响植入体的初期稳定性和长期的修复效果。为了改善这一问题，学者们提出多孔纯钛植入体的概念。大量开放连通的孔隙不仅降低了钛的弹性模量，使之与人体自然骨相匹配；而且其多孔的结构也有利于骨细胞的粘附生长和体内营养物的传输。因此，有关多孔纯钛植入体的研究，特别是其制备方法与性能的研究已成为了一个热点。
目前多孔纯钛植入体的制备技术主要有粉末松装烧结法、凝胶注模法、浆料发泡法等等，这些方法都需要用到模具。然而医用植入材料的最大特点是尺寸因人而异、形状复杂、微小细节丰富，这就对其成型技术提出了较高的要求，而传统工艺在制作复杂三维形态的试件时存在不足，无法很好的做到个体化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，该方法简单，成本低，适合于工业化生产。
本发明的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，包括：
(1)将纯钛粉末与水溶性的粘结材料按重量比5-10∶91-95混合，然后研磨，使粉末不结块；
(2)将上述研磨后的粉末输送到平台上，滚压铺层；将设计好的钛植入体CAD文件输入三维打印设备配套软件，指导设备工作；打印头在钛粉末上喷射粘结剂将粉末粘结在一起，形成二维平面，加工完一层后，工作台下降，进行下一层的加工，逐层堆积成型，直到所加工物品喷涂成型完成；成型后，放置直至粘结剂变干，扫除未粘结的粉末得到初成型的物品，然后烧结，即得。
所述步骤(1)中的纯钛粉末的粒径为30-50μm。
所述步骤(1)中的粘结材料为聚乙烯醇。
所述步骤(2)中的粘结剂为浓度为1％的聚乙烯吡咯烷酮。
所述步骤(2)每一层粘结剂喷2遍。
所述步骤(2)工作台下降0.1-0.15mm。
所述步骤(3)中的烧结分为两个阶段：第一阶段为去除加入的水溶性的粘结材料，温度从室温上升至450℃-500℃；在200-300℃时，温度上升速率为2℃/min，其余为5℃/min；在450℃-500℃保持1小时，自然冷却；第二阶段烧结到1200-1400℃，完成钛植入体的最终成型制备，温度上升速率为5℃/min，在最高温度保持90分钟，自然冷却；在烧结的全程，氩气保护，压力为5-25MPa。
三维打印技术(Three Dimensional Printing，3DP)是一项基于喷射的快速成型技术，可以成型数树脂、金属、陶瓷等多种粉末材料。根据CAD模型，打印头在薄层粉末上喷射粘结剂形成二维平面，并逐层堆积成型，然后对初成型的模型进行烧结，获得最终的模型。因此说，三维打印技术结合CAD是一种真正意义上的数字化、个体化加工。它具有设备简单，精度高(40-50μm)，成本低(无需激光系统)，体积小，工作中无污染，成型速度快等优点。更为重要的是，一方面，我们可以通过调节三维打印成型工艺参数及烧结的温度来控制最终钛植入体的弹性模量，使之达到与人自然骨相匹配的范围，这就可以避免由于钛植入体与骨组织之间力学性能不匹配而造成界面的应力集中，从而影响植入体的长期效果。另一方面，通过三维打印技术成型的钛植入体表面形成50-150μm的微孔，这将更有利于钛植入体与骨组织之间的结合，从而获得更好的远期疗效。
有益效果
(1)本发明的方法简单，成本低，能成型三维复杂形态的试件，从而实现个体化，适合于工业化生产；
(2)本发明所得多孔纯钛植入体与自然骨的匹配度高，形成的多孔结构有利于其与骨组织的更好结合。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，包括：
(1)将粒径为30μm左右的纯钛粉末与水溶性的粘结材料(聚乙烯醇)按重量比5∶95混合，然后研磨，使粉末不结块；
(2)将上述研磨后的粉末输送到平台上，滚压铺层；设计钛植入体试件大小为36mm×12mm×6mm，并将其输入三维打印设备配套软件。根据试件CAD每一层截面的信息，打印头在钛粉末上喷射粘结剂(浓度为1％聚乙烯吡咯烷酮)形成二维平面，每一层粘结剂喷2遍。加工完一层后，工作台下降0.1mm，进行下一层的加工，逐层堆积成型，直至最终试件完成。试件成型完成后，放置24小时。然后对试件进行烧结处理。烧结分为两个阶段。第一阶段温度从室温上升至450℃。在200-300℃时，温度上升速率为2℃/min，其余温度段为5℃/min。在450℃保持1小时，自然冷却。第二阶段烧结到1300℃，完成钛植入体的最终成型制备，温度上升速率为5℃/min，在最高温度保持90分钟，自然冷却。在烧结的全程，氩气保护，压力为5-25MPa。经测试，试件的孔隙率为54.03％，体积密度为2.13g/cm3，显微硬度为145.4HV，抗压强度为45.8MPa，弹性模量为2.23GPa。
实施例2
一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，包括：
(1)将粒径为30μm左右的纯钛粉末与水溶性的粘结材料(聚乙烯醇)按重量比10∶90混合，然后研磨，使粉末不结块；
(2)将上述研磨后的粉末输送到平台上，滚压铺层。设计钛植入体试件大小为36mm×12mm×6mm，并将其输入三维打印设备配套软件。根据试件CAD每一层截面的信息，打印头在钛粉末上喷射粘结剂(浓度为1％聚乙烯吡咯烷酮)形成二维平面，每一层粘结剂喷2遍。加工完一层后，工作台下降0.1mm，进行下一层的加工，逐层堆积成型，直至最终试件完成。试件成型完成后，放置24小时。然后对试件进行烧结处理。烧结分为两个阶段。第一阶段温度从室温上升至450℃。在200-300℃时，温度上升速率为2℃/min，其余温度段为5℃/min。在450℃保持1小时，自然冷却。第二阶段烧结到1300℃，完成钛植入体的最终成型制备，温度上升速率为5℃/min，在最高温度保持90分钟，自然冷却。在烧结的全程，氩气保护，压力为5-25MPa。经测试，试件的孔隙率为44.26％，体积密度为2.59g/cm3，显微硬度为151.6HV，抗压强度为61.2MPa，弹性模量为3.25GPa。
Claims (6)
1.一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，包括：
(1)将纯钛粉末与水溶性的粘结材料按重量比5-10∶91-95混合，然后研磨；
(2)将上述研磨后的粉末输送到平台上，滚压铺层；将设计好的钛植入体CAD文件输入三维打印设备配套软件，指导设备工作；打印头在钛粉末上喷射粘结剂将粉末粘结在一起，形成二维平面，加工完一层后，工作台下降，进行下一层的加工，逐层堆积成型，直到所加工物品喷涂成型完成；成型后，放置直至粘结剂变干，扫除未粘结的粉末得到初成型的物品，然后烧结，即得。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的纯钛粉末的粒径为30-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的粘结材料为聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)每一层粘结剂喷2遍。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)工作台下降0.1-0.15mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维打印技术的个体化医用多孔纯钛植入体成型的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的烧结分为两个阶段：第一阶段为去除加入的水溶性的粘结材料，温度从室温上升至450℃-500℃；在200-300℃时，温度上升速率为2℃/min，其余为5℃/min；在450℃-500℃保持1小时，自然冷却；第二阶段烧结到1200-1400℃，完成钛植入体的最终成型制备，温度上升速率为5℃/min，在最高温度保持90分钟，自然冷却；在烧结的全程，氩气保护，压力为5-25MPa。
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