个性化3D打印多孔钛基钽涂层接骨板及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有骨诱导活性的个性化3D打印多孔钛基钽金属涂层接骨板，其以钛金属粉末或钛合金金属粉末为基材，通过3D打印加工制作的具有空隙结构的多孔钛基接骨板的表面形成钽涂层而制备得到，所述多孔钛基钽金属涂层接骨板的孔隙率为50％～80％，抗弯强度为50MPa～150MPa，弹性模量为2GPa～30GPa，所述空隙的直径为200μm～800μm，所述钽涂层的厚度为30～60μm，具备足够的强度，同时具有良好的骨诱导性能。本发明专利技术的接骨板与骨折处解剖结构相符合地植入接骨板，可与骨组织形成优良的骨整合，避免了现有接骨板长期植入体内后存在容易松动和断裂，从而达到永久性生物内固定。

Personalized 3D Printed Porous Titanium-based Tantalum Coated Bone Plate and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
个性化3D打印多孔钛基钽涂层接骨板及其制备方法
本专利技术涉及一种医用内固定器械，特别涉及一种用于治疗四肢长骨骨折医用固定的具有骨诱导活性的个性化3D打印多孔钛基钽涂层接骨板及其制备方法。
技术介绍
对于四肢长骨干骨折，临床多采用切开复位内固定术，传统的骨科手术接骨板弯曲的弧度、螺钉植入过程中，为了确保准确性和避免损伤周围神经、血管、器官等重要结构，往往需要依赖术者的经验以及术中多次透视接骨板、螺钉位置，造成手术时间长、接骨板与骨不能紧密结合、螺钉松动失效的风险。目前治疗四肢骨折常用的接骨板材料为钛金属，虽然钛金属还具有优异的强韧性、抗腐蚀能力和优良的疲劳性能，但由于钛金属属于生物惰性材料，缺乏生物活性，在临床使用中容易出现于骨组织结合强度低，创口不易愈合等问题。这是由于钛金属与骨组织的弹性模量差异巨大，在承载情况下容易出现“应力屏蔽”现象，从而导致手术治疗的失败。在金属加工技术快速发展的形势下，为了弥补钛合金材料的缺陷，完善其对于骨组织缺损修复重建性能，一些研究者提出多孔金属植入物的设计概念，来解决钛金属植入物的应力遮挡效应，并取得了较好的效果。虽然多孔化设计减轻或避免应力遮挡效应的发生，同时多孔结构也为新生骨组织长入带来空间，有助于植入体和骨组织形成生物结合的稳定固定，最终成为一个整体。但并没有从根本上解决钛金属材料的性质，如何提高钛金属植入体内的骨整合能力，是材料学家和临床医生需要共同解决的问题。历史上，有两种不同的机制被用于描述骨与种植体的结合：化学键合和生物结合。生物结合机制是基于骨基质的化学组成提出的。生物结合是一个复杂的过程，涉及到胶原蛋白与含碳酸根磷灰石的混合，此外，胶原纤维可以自由生长进粗糙表面的孔结构中，因此，生物结合受到种植体表面孔结构的影响非常显著。尤其是骨修复过程中，成骨细胞对应力和应变十分敏感，结合界面的受力情况将直接影响骨胶原的生长。种植体植入后会改变细胞外基质环境，种植体的表面是最早与生物组织接触部分。因此，种植体的表面特征对植入手术的成败起到关键性作用。在对种植体材料的表面进行设计时，必须考虑细胞外基质环境的改变，应当以细胞与细胞外基质的应答机制为设计依据。近年来，金属钽具有优异的延展性和韧性以及易加工性，特别是它超强的耐腐蚀性、良好的生物相容性，受到医疗工作者的广泛关注。但因钽金属密度高，不易加工成型，临床应用受到限制。随着科学技术的发展和进步，美国捷迈公司利用化学气相沉积技术，制备多孔钽金属植入材料而应用于临床，取得了较好的临床效果。但是，这种方法，钽的使用量比较大，高昂的原料价格大大限制了它的应用。因此，将金属钽涂层制备于钛合金基体上，既利用了金属钽优异的耐腐蚀和生物相容性又发挥了钛合金自身的原料相对低廉且易加工的优势，为金属钽在医疗领域的应用提供了新的思路。申请号为CN201510338752.3的中国专利技术专利，公开了一种可植入医疗器件，钽涂层椎弓根螺钉的制备方法，该专利申请中的接骨螺钉可用钽制备金属涂层，在反应温度为950℃情况下，制备的涂层厚度仅为2～4微米，最佳为3微米，制备的涂层厚度极其薄弱，且从附图中可以看出涂层不均匀，有部分脱落。还有，制备出的多孔钽金属涂层的晶体颗粒在40～50微米左右，不利于细胞和大分子物质的粘附。因此，需要一种新的工艺方法，提高钽金属表面的粗糙度、减小晶粒尺寸，更有利于细胞和大分子的粘附，增加植入体的初始稳定性。
技术实现思路
本专利技术针对上述传统金属接骨板在材料特性上有很多弊端，毒性金属离子释放造成感染及无菌松动、应力遮挡、二次取出、形状不匹配等的问题，而研究设计一种采用3D打印技术制作多孔钛基接骨板并进行钽涂层，该接骨板可个性化制作、永久植入、避免应力遮挡、具有较高组织相容性和生物力学性能，并可诱导骨组织生成。本专利技术采用的技术方案如下：一种具有骨诱导活性的个性化3D打印多孔钛基钽金属涂层接骨板，其以钛金属粉末或钛合金金属粉末为基材，通过3D打印加工制作的具有空隙结构的多孔钛基接骨板的表面形成钽涂层而制备得到，所述多孔钛基钽金属涂层接骨板的孔隙率为50％～80％，抗弯强度为50MPa～150MPa，弹性模量为2GPa～30GPa，所述空隙的直径为200μm～800μm，所述钽涂层的厚度为30～60μm。在上述技术方案中，所述孔隙结构为相互连通的多孔结构。所述多孔结构为规则的多孔结构或者通过Micro-CT扫描获得的骨小梁多孔结构。在上述技术方案中，所述多孔钛基接骨板包括本体，所述本体包括位于所述本体的四周边缘的外加强筋、位于所述外加强筋内侧的内加强筋、空隙结构以及螺孔。优选地，所述外加强筋呈连续的结构，厚度为1mm～2mm；所述内加强筋呈网状结构，均匀分布于外加强筋内侧的本体中。通过设置外加强筋和内加强筋可加强作为空隙结构的钛基接骨板的力学强度。在优选的结构中，在所述钛基接骨板中，多孔部分和实体部分的比例约为4～5:1，更优选5:1。在优选的结构中，多孔钛基接骨板的两端为弧形，弧度为15°～90°，优选为20°～45°，接骨板的宽度为10mm～30mm，长度为40～200mm，厚度为2mm～5mm。在通常情况下，可以根据不同植入部位对接骨板力学性能要求不同，适当调整接骨板厚度以及空隙结构，根据植入部位的特点可以采用合适的宽度、长度与弧度。在上述技术方案中，所述螺孔为型面沉孔，便于螺钉固定后，不会由于螺钉的突起，对周围组织产生刺激，所述螺孔直径为3mm～5mm。螺孔位于接骨板的中心线，两端的螺孔距可以根据接骨板长度适当调整得到。本专利技术还提供一种个性化3D打印多孔钛基钽金属涂层接骨板的制备方法，包括以下步骤：(1)基于患者骨折处的CT扫描数据，利用三维图像软件获得骨折处的3D几何图像；(2)基于患者的骨折处的3D几何图像，利用三维图像软件设计出个性化定制的接骨板的外形和空隙结构，获得目标接骨板的三维几何图像，将该目标接骨板的三维几何图像文件导入到3D打印机，以钛金属粉末或钛合金金属粉末为原料，在氩气气氛保护下进行3D打印，制得多孔钛基接骨板；(3)将打印制得的钛基接骨板置于喷砂机中喷砂处理，除去表面粘连的钛金属粉末或钛合金金属粉末，依次使用丙酮、酒精和蒸馏水超声清洗15～30分钟，在40℃下烘干；(4)将烘干后的多孔钛基接骨板进行热处理，来消除残余应力，并使接骨板表面平滑，所述热处理温度为1200～2000℃，升温速率为5℃/min，达到热处理温度后保温1小时，随炉冷却；(5)将热处理后的多孔钛基接骨板用无水乙醇浸泡，超声震荡清洗30～60min后，用氮气吹干，利用化学气相沉积方法在多孔钛基接骨板表面沉积钽金属，制得多孔钛基钽金属涂层接骨板。具体地，在上述制备方法中，基于患者的骨折处的3D几何模型(3D几何图像)，使用AutoCAD、ProE、Magics软件设计获得目标接骨板的3D几何图像以及该3D几何图像的.stl格式文件，在步骤(3)中，在BuildingProcessing界面将钛金属粉末或钛合金金属粉末参数包与上述目标接骨板3D几何图像的.stl格式文件合并，获得该目标接骨板在3D打印机设备中可识别的.mtt格式文件，将该.mtt格式文件输入到3D打印设备，在钛金属粉末或钛合金金属粉末为原料进行3D打印，制得多孔钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有骨诱导活性的个性化3D打印多孔钛基钽金属涂层接骨板，其以钛金属粉末或钛合金金属粉末为基材，通过3D打印加工制作的具有空隙结构的多孔钛基接骨板的表面形成钽涂层而制备得到，所述多孔钛基钽金属涂层接骨板的孔隙率为50％～80％，抗弯强度为50MPa～150MPa，弹性模量为2GPa～30GPa，所述空隙的直径为200μm～800μm，所述钽涂层的厚度为30～60μm。

【技术特征摘要】
1.一种具有骨诱导活性的个性化3D打印多孔钛基钽金属涂层接骨板，其以钛金属粉末或钛合金金属粉末为基材，通过3D打印加工制作的具有空隙结构的多孔钛基接骨板的表面形成钽涂层而制备得到，所述多孔钛基钽金属涂层接骨板的孔隙率为50％～80％，抗弯强度为50MPa～150MPa，弹性模量为2GPa～30GPa，所述空隙的直径为200μm～800μm，所述钽涂层的厚度为30～60μm。2.根据权利要求1所述的多孔钛基钽金属涂层接骨板，其特征在于，所述孔隙结构为相互连通的多孔结构。3.根据权利要求2所述的多孔钛基钽金属涂层接骨板，其特征在于，所述多孔结构为规则的多孔结构或者通过Micro-CT扫描获得的骨小梁多孔结构。4.根据权利要求1所述的多孔钛基钽金属涂层接骨板，其特征在于，所述多孔钛基接骨板包括本体，所述本体包括位于所述本体的四周边缘的外加强筋、位于所述外加强筋内侧的内加强筋、空隙结构以及螺孔。5.根据权利要求4所述的多孔钛基钽金属涂层接骨板，其特征在于，所述外加强筋呈连续的结构，所述内加强筋呈网状结构。6.权利要求1～5的任一项所述的多孔钛基钽金属涂层接骨板的制备方法，包括如下步骤：(1)基于患者骨折处的CT扫描数据，利用三维图像软件获得骨折处的3D几何图像；(2)基于患者的骨折处的3D几何图像，利用三维图像软件设计出个性化定制的接骨板的外形和空隙结构，获得目标接骨板的三维几何图像，将该目标接骨板的三维几何图像文件导入到3D打印机，以钛金属粉末或钛合金金属粉末为原料，在氩气气氛保护下进行3D打印，制得多孔钛基接骨板；(3)对打印制得的多孔钛基接骨板进行喷砂处理，除去表面粘连的钛金属粉末或钛合金金属粉末，依次使用丙酮、酒精和蒸馏水超声清洗15～30分钟...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德伟，马志杰，李军雷，
申请(专利权)人：赵德伟，马志杰，李军雷，
类型：发明
国别省市：辽宁,21