一种复合3D打印植入物假体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合3D打印植入物假体及其制备方法，包括如下步骤：通过三维软件整体设计假体及复合层物理连接结构，得到假体及物理连接结构的数字化模型；用搅拌机把基体材料粉与复合粉按设计比例均匀混合后放入3D打印机内，用3D打印机将数字化模型打印成型，得到具有物理连接结构的假体坯体；将所述坯体进行热处理或烧结成型；本发明专利技术提供的制作方法解决了现有技术制作的假体因单一材料的局限导致的性能不良的问题。致的性能不良的问题。致的性能不良的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种复合3D打印植入物假体及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种医学领域中的植入物假体，尤其涉及一种复合3D打印植入物假体及其制备方法。

技术介绍

[0002]植入物假体作为医疗器械中风险最高的器械产品，因长期植入人体，对假体的材料、生物相容性及机械、化学等各方面性能要求极高，这也导致了植入物假体材料的应用十分有限，因此植入物假体在性能和功能上都在不同程度上受到材料的局限。
[0003]如今，学术界和市场公认的植入物级别的生物相容性良好的金属材料主要有钛、锆、铌、钽、铂这五种元素及其化合物。此外在不同领域的医学实践和长期植入人体的临床使用中，有些生物相容性欠佳的材料因其优越的性能至今仍被广泛采用。比如在骨科领域中传统的人工关节的骨摩擦面为钴基合金，其耐磨性能远高于钛、钽及合金，因此钴基合金在现代人工关节的应用上仍被广泛使用。除了金属材料外，高分子材料如超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮等也因其良好的生物相容性和良好的物理化学特性在骨科领域广泛应用。
[0004]单一材料的植入物假体因材料的局限性能和使用受到很多限制，比如上文提到的作为骨摩擦面的钴基合金，虽然因其腐蚀或磨损的产物(钴离子、微粒)对宿主骨及软组织的毒性的报导引起骨科医生的广泛关注，但因其他生物相容性更好材料的耐磨性都比不上钴基合金，除了表面陶瓷化的锆铌合金(Oxidized Zirconium)，但此产品由于其高昂的价格和技术壁垒在市场上没有被广大器械厂商采用，所以迄今为止全球大部分厂商对于人工关节耐磨面仍然采用钴基合金。现在行业研究的方向在朝着在钴基合金上做生物固定面的方向发展，但其生物固定面的多孔结构因直接和骨骼接触，更面临钴离子释放的问题，行业现在普遍解决方案是采用涂层技术把钴基合金“封装”起来，但无法在根本上解决问题。
[0005]3D打印相关技术的兴起给医疗器械的生产提供了全新的方法，由于其可定制性使得在医疗领域应用的前景广阔。选择性激光融熔(SLM,Selective Laser Melting)或电子束融熔(EBM，Electron Beam Melting)3D打印技术是金属材料快速成型的一种普通方法，通过对金属粉末的选区烧结或熔融，复杂的部件可以逐层地打印出来。此技术已经开始在人工关节的髋臼杯、脊柱的椎间融合器上进行了临床实验并开始在定制化产品上商用。此种3D打印技术的结构原理决定其是无法进行不同部位复合材料的打印。粘合剂喷射(BJ,Binder Jetting)技术是新兴的3D打印技术，是采用粘合剂喷射层层堆积成胚体后再对胚体进行去除粘合剂并烧结一次成型的快速打印技术。因这种3D打印方式结构上可设计多个喷嘴和料盒，所以可采用多种材料来实现复合3D打印的功能，此功能还处于早期阶段，很多金属打印还不能实现，但前景和技术被看好。采用定向能量沉积技术(DED,Direct Energy Deposition)坯体成型技术是通过热源直接把丝材或粉料加热熔融沉积成所需的结构，现主要应用在修复领域，比如对航空发动机等部件的损坏部分进行整修，鲜有应用在医疗领域的案例。
[0006]本文提出了一种复合3D打印植入物假体的方法，采用选择性激光融熔或电子束融
熔、粘合剂喷射、定向能量沉积技术三类不同的3D打印技术实现复合3D打印，产生了一种复合3D打印植入物假体及其制备方法。此植入物假体可以兼具复合材料中各种材料所拥有的优点，而且可使设计得到极大拓展，使得开发新型的植入物假体成为可能。比如上文提到的钴基合金生物固定面有毒离子释放问题，可以采用选择性激光融熔或电子束融熔3D打印含有生物固定面的钛合金基体，再采用定向能量沉积3D打印技术复合出钴基合金耐磨层，或直接采用粘合剂喷射方式用多喷头的3D打印机打印出钴基合金耐磨层和钛合金基体的复合材料植入物假体，通过烧结一次成型。此外，对于类似于上文提到的表面陶瓷化的锆铌合金(Oxidized Zirconium)假体，如采用单一3D打印具有生物固定面的植入物假体，采用氧化技术因在氧化过程中产品会整体被氧化，使得生物固定面的多孔结构全部被陶瓷化，从而容易碎裂导致产品失效，这也是多年来市场上没有生物固定面的表面陶瓷化植入物假体的原因之一。而采用复合3D打印技术就可以解决此问题，具体制备方法可参见本专利技术的相关描述。此外复合方式还可以选择在基体材料里添加微量元素的材料，使得基体材料具备微量元素具备的特殊功能，比如在钛合金基体里加入少量的铜可使得假体具备一定的抗菌功能，加入一定比例的羟基磷灰石(骨主要成分)可促使“骨长入”，此类复合材料也可使得植入物假体的功能得到很好地拓展。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种复合3D打印植入物假体的制作方法，其采用的技术方案是：
[0008]一种复合3D打印植入物假体的制作方法，包括如下步骤：
[0009]S1：通过三维软件设计的植入物假体(1)，得到数字化假体模型，其中，所述假体坯体上有复合面(101),在复合面(101)上具有物理连接结构或不具有物理连接结构；
[0010]S2
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1：将3D打印用的基体材料粉与一种或一种以上的复合粉按设计的比例进行混合，依次置于搅拌设备中，将充分混合均匀后得到复合3D打印复合粉装入3D打印机的机体内，用3D打印机将步骤S1得到的数字化假体模型一体打印成型，得到假体坯体；
[0011]S2
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2：将3D打印用的基体材料粉或丝材与一种或一种以上的复合粉或丝材(根据复合材料的数量对3D打印机进行料盒、喷头数量和相关组件和功能的拓展)分别放入3D打印机的多个料盒内，用3D打印机将步骤S1得到的数字化假体模型一体打印成型，得到假体坯体；
[0012]S3：对步骤S2
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1获得的一次预成型假体，放入热处理炉中进行热处理；对步骤S2
‑
2获得的一次预成型假体，需放入脱脂炉中脱脂，脱脂后放入烧结炉进行烧结处理；得到二次预成型假体；
[0013]S4:对步骤S3获得的二次预成型假体，当材料为钛合金、锆铌合金且对假体有表面陶瓷化的需要时，将其置入热处理炉中进行表面氧化处理，对其他材料假体不做此操作，得到三次预成型假体；
[0014]S5：对在步骤S4中进行表面氧化处理且步骤S1中不具有物理连接结构的二次预成型假体通过机加工去除步骤S4在复合面(101)表面氧化形成的氧化层，对没有在步骤S3中进行表面氧化处理的或在步骤S3中进行氧化处理但在步骤S1中具有物理连接结构的三次预成型假体不做此操作，得到四次预成型假体；
[0015]S6：对步骤S4获得的四次预成型假体放入3D打印机中，假体采用专用夹具固定，使复合面(101)显露在激光头加工区域，对其需要加工的区域进行多孔面结构或实体材料的打印，得到复合成型假体；
[0016]上述技术方案进一步的，步骤S1中，所述假体坯体具有物理连接结构，
[0017]进一步的，所述假体的物理连接结构(图3)由多个孔洞组成，所述孔洞为倒梯形的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合3D打印植入物假体及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S 1：通过三维软件设计的植入物假体(1)，得到数字化假体模型，其中，所述假体坯体上有复合面(101),在复合面(101)上具有物理连接结构或不具有物理连接结构；S2
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1：将3D打印用的基体材料粉与一种或一种以上的复合粉按设计的比例进行混合，依次置于搅拌设备中，将充分混合均匀后得到复合3D打印复合粉装入3D打印机的机体内，用3D打印机将步骤S1得到的数字化假体模型一体打印成型，得到假体坯体；S2
‑
2：将3D打印用的基体材料粉或丝材与一种或一种以上的复合粉或丝材(根据复合材料的数量对3D打印机进行料盒、喷头数量和相关组件和功能的拓展)分别放入3D打印机的多个料盒内，用3D打印机将步骤S1得到的数字化假体模型一体打印成型，得到假体坯体；S3：对步骤S2
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1获得的一次预成型假体，放入热处理炉中进行热处理；对步骤S2
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2获得的一次预成型假体，需放入脱脂炉中脱脂，脱脂后放入烧结炉进行烧结处理；得到二次预成型假体；S4:对步骤S3获得的二次预成型假体，当材料为钛合金、锆铌合金且对假体有耐磨或类似镀膜的其他需求时，将其置入热处理炉中进行表面氧化处理，对其他材料假体不做此操作，得到三次预成型假体；S5：对在步骤S4中进行表面氧化处理且步骤S1中不具有物理连接结构的二次预成型假体通过机加工去除步骤S4在复合面(101)表面氧化形成的氧化层，对没有在步骤S3中进行表面氧化处理的或在步骤S3中进行氧化处理但在步骤S1中具有物理连接结构的三次预成型假体不做此操作，得到四次预成型假体；S6：对步骤S4获得的四次预成型假体放入3D打印机中，假体采用专用夹具固定，使复合面(101)显露在激光头加工区域，对其需要加工的区域进行多孔面结构或实体材料的打印，得到复合成型假体；2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S1中，所述假体(1)具有复合面(101)，所述复合面具有物理连接结构；所述物理连接结构上具有多个孔洞，所述孔洞界为倒梯形的连接凹槽，所述连接凹槽口部直径为100
‑
300um，深300
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800um，所述连接凹槽底部的直径小于凹槽口部的直径；没有物理连接结构且需要表面氧化处理的假体需增加机加工工艺去除复合面(101)上陶瓷化的氧化面。3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦如，李庆桐，
申请(专利权)人：苏州诺桥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：