【技术实现步骤摘要】
一种定制医用多孔钛镁复合材料3D打印肩关节肱骨头
[0001]本专利技术涉及一种植入性的假体，尤其涉及的是一种定制具有人体亲和性且力学性能接近人骨的多孔钛合金3D打印可再生肩关节肱骨头，应用于医疗植入领域。
技术介绍
[0002]目前，针对肩关节骨性关节炎、类风湿关节炎、肱骨头缺血性坏死等疾病的治疗，临床上已广泛采用置换人工肩关节假体的方式来实现。现有的肩关节假体大都由肱骨头和肱骨柄组成，其结构设计多样，而为增加其结构自身的连接稳定性，个别设计尤为复杂，组成部件较多，不利于置换手术的高效进行。同时，现有设计的肩关节假体都存在因与人体生物组织间的连接稳定性不高、生物相容性较差等缺陷，而极易导致置换后固定效果变差出现松动、脱落，缩短了其使用寿命等共性问题。
[0003]本专利技术专利提供了一种运用3D打印技术快速制备具有良好的生物活性、耐腐蚀性强且力学性能接近人骨的可再生多孔钛镁复合材料肩关节肱骨的制备方法。运用3D打印技术简化了手术的复杂性，提高手术成功率；电磁场和超声冲击交互作用细化晶粒，获得力学性能良好的肱骨；通过电子束辐照处理的肱骨具有微米和纳米多级微孔复合结构的表面，能够刺激周围组织反应活性，成骨细胞黏附和伸展良好，更具人体亲和性同时有效避免应力屏蔽，有利于与骨组织的结合，缩短愈合时间；磁控溅射技术制备出载锶微纳米化涂层可以实现锶的持续缓慢释放；有利于提高成骨分化活性，并有助于加强细胞间连接，进而更有助于提高成骨细胞体外生物活性，提高肩关节肱骨与人体生物组织间的连接稳定性。
技术实现思路
>[0004]本专利技术专利的目的是针对现在用于医学领域的植入物合金的性能缺陷，为了减少植入体与周围骨组织的不匹配，实现人工植入物转移到相邻的骨骼的刚度优化加载，提供了一种具有良好的生物活性、耐腐蚀性强且力学性能接近人骨的可再生多孔钛镁复合材料肩关节肱骨。
[0005]本专利技术专利的技术方案是：用CT扫描病人肩关节得到肱骨的CT断层图像数据，根据CT断层图像数据建立符合肩关节肱骨三维模型，并导入3D打印机中，利用3D打印机将不同比例混合的医用纳米多孔钛镁复合材料粉末逐层打印成肱骨。再对成品进行电子束辐照处理、氮化处理以及通过磁控溅射技术制备出载锶微纳米化涂层。其具体方案如下：1、建立三维模型首先通过CT扫描设备，对人体需要进行骨骼替换部位的骨骼组织结构进行扫描，并建立该部位骨骼组织结构的三维结构数据模型。
[0006]2、纳米复合材料粉末的制备将金属Ti粉末、Mg颗粒、Si颗粒、Ca颗粒、Cu颗粒、Ag颗粒、Ni粉和Mo粉按摩尔量比：（25
‑
45）：（15
‑
30）：（20
‑
35）：（5
‑
10）：（3
‑
6）：（5
‑
15）：（3
‑
8）：（0.1
‑
0.5）均匀混合配制好后，将混合物进行高能球磨处理，使其最大球直径不超过100nm，得到超细粉末。对粉末加入变
质剂后进行辐照预热，在30分钟内持续对混合物料进行搅拌作用，并同时将原料温度匀速加热至150℃，并保温备用。搅拌作业采用磁性搅拌，预热热源为辐射热源。
[0007]3、3D打印加工成型将制备得到的混合物料添加到激光3D打印系统中，由激光3D打印系统根据保存的骨骼成型加工程序将混合物料加工成型为骨骼毛坯件，在3D打印装置中施加外部磁场和超声冲击辅助设备，通过电磁场和超声冲击的交互作用，细化晶粒，提高骨骼综合力学性能。激光3D打印系统运行时的激光功率为300W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为50um，激光光斑为60um。超声冲击装置以冲击速度为0.1m
‑
0.3m/min对成形层进行2
‑
3min冲击处理。外部磁场通过励磁线圈通电对试样产生交变磁场，电子调压器施加的最大电流为20A，产生的是大交变磁场为66.1mT。然后将骨骼毛坯件置于乙醇中超声清洗，烘干。
[0008]4、电子束辐照处理使用Nadezhda
‑
2型强流脉冲电子束系统对肱骨处理，使表面在原有凹陷的基础上产生大量微米和亚微米级孔洞，尺寸0.5
‑
5μm。主要参数范围:加速电压25keV，脉宽2.5μm，脉冲间隔10s，靶极距80mm，脉冲次数15次，制备出具有微米和纳米多级微孔复合结构的表面，能够刺激周围组织反应活性，成骨细胞黏附和伸展良好。
[0009]将骨骼置于3%氯化钙、10%盐酸、60%硫酸和水(余量)的混合溶液中，处理时间2min，温度130℃，已有的孔洞内壁和洞嵴产生更小的纳米级孔洞，取出试样置于去离子水中超声清洗，烘干。
[0010]5、氮化处理将经过以上处理的骨骼毛坯件置于等离子高温氮化炉内进行氮化处理，然后将完成氮化处理后将骨骼毛坯件自然冷却至常温即可得到成品多孔钛合金骨骼件。氮化处理时间为4
‑
8小时，处理温度为500℃
‑
750℃，氮气纯度为99.9%，氮气流量为50
‑
100ml/min，氮气压力为1
‑
2.1倍标准大气压。
[0011]6、磁控溅射技术制备载锶微纳米化涂层将骨骼件依次用丙酮溶液、无水乙醇和去离子水依次超声清洗10min
×
3次，在空气中自然干燥，之后置于0.5wt%HF溶液，酸蚀时间30min。再以丙酮溶液、无水乙醇、去离子水依次超声清洗之后，以钛酸锶为靶材进行磁控溅射处理，溅射参数为功率80w，溅射时间1200s。再以丙酮溶液、无水乙醇、去离子水依次超声清洗之后，γ射线照射消毒，塑封备用。
[0012]第三步到第五步加工作业中，均是在惰性气体保护环境下进行，惰性气体为氩气。
[0013]本专利技术的积极进步效果在于：1、3D打印多孔肩关节肱骨结构，更接近人体自然骨骼，简化了手术的复杂性，提高手术成功率。
[0014]2、在打印成分的设计上具有独特创新，不同的区域材料的成分通过程序控制发生变化，能控制多孔肩关节的整体力学性能。
[0015]3、电子束辐照处理3D打印制备出具有微米和纳米多级微孔复合结构的表面，能够刺激周围组织反应活性，成骨细胞黏附和伸展良好，更具人体亲和性同时有效避免应力屏蔽，有利于与骨组织的结合，缩短愈合时间。
[0016]4、材料成分的优势：金属银和铜可以起到抗菌杀毒的作用；金属镁的降解行为使它成为生物可降解植入材料，植入后可在人体内自行降解，为骨组织向内生长，以及置入骨
骼与人体骨组织愈合提供可能；金属钼为人体中多种酶的组成部分，可以提高骨细胞的生长速度和金属骨骼的降解速度；金属铌有极好的抗蚀性和稳定性，几乎不会与人体里的各种液体物质发生作用，具有良好的生物相容性；钙元素是人体中含量最多的无机盐，是构成骨骼最为重要的物质，肱骨中的钙元素可以作为骨细胞生长的原料，可以大幅提高骨细胞的生长速度。
[0017]5、通过 HF 酸蚀+磁控溅射的方法可本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种定制医用多孔钛镁复合材料3D打印肩关节肱骨头，其特征在于：用CT扫描病人肩关节得到肱骨的CT断层图像数据，根据CT断层图像数据建立符合肩关节肱骨三维模型，以Ti粉、Mg、Si、Ca、Cu、Ag、Ni和Mo多类医用纳米金属混合作为指骨骨骼的基体材料，逐层打印肱骨骨骼，再进行电子束辐照处理、氮化处理和添加载锶微纳米化涂层，通过该方法制备的肱骨具有良好的生物活性、耐腐蚀性强且力学性能接近人骨；其具体工艺方案为：（1）建立三维模型：首先通过CT扫描设备，对人体需要进行骨骼替换部位的骨骼组织结构进行扫描，并建立该部位骨骼组织结构的三维结构数据模型；（2）纳米复合材料粉末的制备：将金属Ti粉末、Mg颗粒、Si颗粒、Ca颗粒、Cu颗粒、Ag颗粒、Ni粉和Mo粉按一定的摩尔量比均匀混合配制好后，将混合物进行高能球磨处理，使其最大球直径不超过100nm，得到超细粉末；对粉末加入变质剂后进行辐照预热，在30分钟内持续对混合物料进行搅拌作用，并同时将原料温度匀速加热至150℃，并保温备用；搅拌作业采用磁性搅拌，预热热源为辐射热源；（3）3D打印加工成型：将制备得到的混合物料添加到激光3D打印系统中，由激光3D打印系统根据保存的骨骼成型加工程序将混合物料加工成型为骨骼毛坯件，在3D打印装置中施加外部磁场和超声冲击辅助设备，通过电磁场和超声冲击的交互作用，细化晶粒，提高骨骼综合力学性能；然后将骨骼毛坯件置于乙醇中超声清洗，烘干；（4）电子束辐照处理：使用Nadezhda
‑
2型强流脉冲电子束系统对肱骨处理，使表面在原有凹陷的基础上产生大量微米和亚微米级孔洞，尺寸0.5
‑
5μm；将骨骼置于3%氯化钙、10%盐酸、60%硫酸和水(余量)的混合溶液中，处理时间2min，温度130℃，已有的孔洞内壁和洞嵴产生更小的纳米级孔洞，取出试样置于去离子水中超声清洗，烘干；（5）氮化处理：将经过以上处理的骨骼毛坯件置于等离子高温氮化炉内进行氮化处理，然后将完成氮化处理后将骨骼毛坯件自然冷却至常温即可得到成品多孔钛合金骨骼件；氮化处理时间为4
‑
8小时，处理温度为500℃
‑
750℃，氮气纯度为99.9%，氮气流量为50
‑
100ml/min，氮气压力为1
‑
2.1倍标准大气压；（6）磁控溅射技术制备载锶微纳米化涂层：将骨骼件依次用丙酮溶液、无水乙醇和去离子水依次超声清洗10min
×
3次，在空气中自然干燥，之后置于0.5wt%HF溶液，酸蚀时间30min；再以丙酮溶液、无水乙醇、去离子水依次超声清洗之后，以钛酸锶为靶材进行磁控溅射处理，溅射参数为功率80w，溅射时间1200s；再以丙酮溶液、无水乙醇、去离子水依次超声清洗之后，γ射线照射消毒，塑封备用。2.根据权利要求1所述的一种定制医用多孔钛镁复合材料3D打印肩关节肱骨头，其特征在于：金属Ti粉末、Mg、Si、Ca、Cu、Ag、铌粉和钼粉按摩尔量比：（25
【专利技术属性】
技术研发人员：徐淑波，薛现猛，孙海波，张森，赵晨浩，张世超，李婷婷，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。