一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨及制备方法，涉及陶瓷仿生人骨技术领域。该方法包括步骤：S1、配制梯度固相含量的陶瓷浆料；S2、打印出各固相含量的坯体；S3、对坯体进行脱脂、烧结，得到各固相含量的陶瓷件，测量各陶瓷件的收缩率；S4、以其中一固含量的陶瓷件收缩率为基准，根据仿生人骨的多层结构模型调整基准陶瓷件的相邻层陶瓷件的设计尺寸；S5，按调整后的仿生人骨模型打印出坯体，脱脂、烧结，得到仿生人骨。本发明专利技术预先获得梯度固含量的陶瓷件及收缩率，重新设计仿生人骨模型尺寸，进而制备出梯度材料的仿生人骨，且仿生人骨中各层的结合面不会出现裂纹和弯曲，仿生人骨里的孔隙率和抗弯强度呈梯度变化。生人骨里的孔隙率和抗弯强度呈梯度变化。生人骨里的孔隙率和抗弯强度呈梯度变化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨及制备方法


[0001]本专利技术涉及陶瓷仿生人骨
，尤其涉及一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨及制备方法。

技术介绍

[0002]氮化硅(Si3N4)陶瓷是一种高性能的结构陶瓷，具有高强度、高硬度、良好的化学稳定性和减摩耐磨性。已被广泛应用于航空航天、机械电子、化工冶金等高端
同时，学者们研究发现Si3N4具有良好的生物相容性，且具有部分射线可透过性。例如：在拍X线片时，得到最清晰影像的就是人体骨骼组织。含有钙盐的骨骼组织是密度最大的正常人体组织，其含有的钙元素可大量吸收X射线。与人体骨骼一样，各种金属也能大量吸收X射线，在感光底片上留下自己的影子。很多金属甚至能完全吸收X射线。在拍摄X线片时，患者身上有项链、硬币或者体内装有金属植入物等金属做的东西，就会遮住医生想要看的人体结构，影响检查的效果。金属制品的密度很高，会在计算机重建的X射线投影图像上留下以金属异物为核心的大片的异常图像，称为金属伪影。伪影不仅会遮蔽金属周围的人体组织，造成图像质量的下降，甚至会形成大片位置偏移的阴影，使图像根本无法观察。因此Si3N4陶瓷也被视为一种可取代金属合金的新型生物医用材料，在骨缺损的修复或替换领域具有重大的应用潜能。
[0003]在高端生物医疗领域，往往要求生物医疗材料产品具有复杂的结构和功能。例如：人骨本质上是非均一结构，其孔隙和杨氏模量是由外向内逐渐变化的。因此使用单一性能的材料难以从结构和功能上制备出完全接近人骨的材料，使用多材料或梯度材料才有望制备出结构和性能更接近人体的生物医用材料。受制于陶瓷材料硬度高、韧性低的特点，传统工艺(如磨削加工、注射成型等)无法加工出复杂结构件或几何曲面较高部件。数字光处理(DLP)成型具有无模具成型的特点，成型过程自动化程度高，尺寸精度高，系统分辨率较高，非常适合于制作结构复杂的模型或零件，且能按照个性化需求制备复杂结构，从而为复杂结构和功能的产品制备提供了可行的方法。
[0004]梯度材料3D打印陶瓷目前存在的问题是由于梯度材料内不同层的脱脂、烧结后收缩率不一样，相邻层的结合面处将产生应力，从而会导致结合面生成裂纹，并出现弯曲现象。例如：利用3D打印Si3N4制备生物陶瓷人体骨骼中，要求Si3N4孔隙率由外向里依次增加。当用DLP打印后，由于仿生人骨里的梯度层在脱脂、共烧时各层的收缩率不一致。为了减少烧结收缩的失配，必须使得两者的收缩行为尽量接近。但是在仿生人骨材料的组成和颗粒尺寸固定的情况下，相应的烧结收缩率的调整空间有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是仿生人骨梯度陶瓷材料的组成和颗粒尺寸固定，不同层的烧结收缩率失配进而导致结合面出现裂纹，影响质量。
[0006]对此，本专利技术提供了一种基于数字光处理成型技术制备的仿生人骨及其方法。其
原理是：先通过实验测试出单一固相在烧结后的线收缩率；随后，在设计仿生人骨打印模型时，以相邻层的其中一层收缩率为基准，按比例扩大或缩小另一层的尺寸，从而在烧结后，相邻两层收缩后的尺寸保持一致。
[0007]具体地，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、配制梯度固相含量的陶瓷浆料；
[0010]S2、采用数字光处理成型技术打印出各固相含量的坯体；
[0011]S3、对坯体进行脱脂、烧结，得到各固相含量的陶瓷件，测量各陶瓷件的收缩率；
[0012]S4、以其中一固含量的陶瓷件收缩率为基准，根据仿生人骨的多层结构模型调整基准陶瓷件的相邻层陶瓷件的设计尺寸；
[0013]S5，按调整后的仿生人骨模型打印出各层坯体，再进行脱脂、烧结，得到仿生人骨。
[0014]具体地，S4的调整方式为扩大或缩小相邻层陶瓷件的设计尺寸。
[0015]进一步的，所述陶瓷浆料的固相含量的范围在30vol％～45vol％之间。
[0016]进一步的，所述陶瓷浆料包括氮化硅粉体、烧结助剂、硅烷偶联剂、树脂、光引发剂以及分散剂。
[0017]进一步的，所述烧结助剂用量占烧结助剂与氮化硅粉体之和的5wt％～15wt％。
[0018]进一步的，所述硅烷偶联剂用量占烧结助剂与氮化硅粉体之和的1wt％～3wt％。
[0019]进一步的，所述烧结助剂选自氧化铝、氧化钇和氧化镁中的任意两种。
[0020]进一步的，所述硅烷偶联剂选自KH550，KH560和KH570中的至少一种。
[0021]进一步的，所述氮化硅粉体为α相氮化硅、纯度大于99.8％。
[0022]具体地，在制备陶瓷浆料时，先将烧结助剂与氮化硅粉体使用行星式球磨机以320
‑
380r/min球磨4
‑
8h，充分混合均匀，再进行干燥、过筛；干燥温度为50
‑
70℃，过筛80
‑
120目。
[0023]进一步的，脱脂的方式为真空脱脂和空气脱脂的结合，具体脱脂为真空与空气2步脱脂法。
[0024]进一步的，烧结温度为1600
‑
2000℃，以1800℃为较佳。
[0025]本专利技术还提供一种仿生人骨，材质为梯度陶瓷材料，该仿生人骨由所述的基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法制得。
[0026]与现有技术相比，本专利技术所能达到的技术效果包括：
[0027]本专利技术提供的基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，根据预先获得梯度固含量的陶瓷件及相应的收缩率，以其中一固含量的陶瓷件收缩率为基准，调整基准陶瓷件的相邻层陶瓷件的设计尺寸，重新设计得到仿生人骨模型，进而可用梯度固含量的陶瓷材料制备出仿生人骨，且仿生人骨中各层的结合面不会出现裂纹和弯曲，仿生人骨里的孔隙率和抗弯强度呈梯度变化。
附图说明
[0028]图1为仿生人骨的三维模型，其中，(a)为单层模型；(b)调整前的仿生人骨模型；(c)为调整后重新设计的仿生人骨模型；
[0029]图2为不同实施案例中的实物图；
[0030]图3为不同固含量的陶瓷件SEM图，其中，(a)为固含量35vol％的陶瓷件SEM形貌；(b)为固含量38vol％的陶瓷件SEM形貌。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0033]还应当理解，在此本专利技术实施例说明书中所使用的术语仅仅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、配制梯度固相含量的陶瓷浆料；S2、采用数字光处理成型技术打印出各固相含量的坯体；S3、对坯体进行脱脂、烧结，得到各固相含量的陶瓷件，测量各陶瓷件的收缩率；S4、以其中一固含量的陶瓷件收缩率为基准，根据仿生人骨的多层结构模型调整基准陶瓷件的相邻层陶瓷件的设计尺寸；S5，按调整后的仿生人骨模型打印出各层坯体，再进行脱脂、烧结，得到仿生人骨。2.如权利要求1所述的基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料的固相含量的范围在30vol％～45vol％之间。3.如权利要求2所述的基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料包括氮化硅粉体、烧结助剂、硅烷偶联剂、树脂、光引发剂以及分散剂。4.如权利要求3所述的基于数字光处理成型技术的仿生人骨制备方法，其特征在于，所述烧结助剂用量占烧结助剂与氮化硅粉体之和的5wt％～15wt％。5.如权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍尚华，黄生武，孙振飞，杨平，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：