一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法技术

一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法，本发明专利技术通过CT扫描设备对骨缺损处进行三维扫描获取图像数据，设计出可以移植骨头的尺寸及形态，用UG三维制图软件设计出具有梯度孔隙率的内凹六边形支架结构，梯度支架力学性能更好，有利于细胞和血管生长及骨的长入，减少骨吸收；并实现成分的梯度改变，从具有良好生物相容性和低弹性模量的Ti

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种髋关节成分和结构双梯度功能骨骼支架，具体涉及一种3D打印双梯度骨骼支架的制备方法及消除支架残余应力的热处理工艺。

技术介绍

[0002]全髋关节置换术（THR），这是迄今为止最常见的骨科手术之一。虽然植入物的平均寿命为7
‑
12年，但大约10%的植入假体需要在10年内进行修整。 THR植入物的寿命有限，最大的失效模式是骨质溶解和无菌性松动。特别是对于越来越多的年轻患者，因为他们的生活方式积极。这可能会产生对体内持续时间更长的植入物的需求。
[0003]传统的加工方法难以制备结构复杂的多孔金属支架，而增材制造（3D打印）技术可以制备结构、形状和性能可控的支架。因此3D打印是制备多孔金属支架最有效的方法之一。多孔金属支架的设计是一个关键问题，因为单元类型、孔径、孔隙率和分布等支架特征对其力学性能和生物相容性有显着影响。人体真骨具有梯度微结构，因此，开发具有梯度结构的多孔支架是未来的发展趋势，实验证明，梯度结构比单一结构具有更好的力学性能，既能满足物质运输的需要，又能满足力学性能的要求。
[0004]金属多孔植入物应无毒、无排斥、无过敏，这就要求我们选择合适的金属作为原材料。良好的生物相容性还体现在合理的多孔形状和分布上，可以促进骨组织细胞的粘附和生长。此外，金属多孔支架应具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，因此，所选材料既要有良好的生物相容性还要具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，但不同成分的材料相结合会出现不相容性。 SLM工艺流程以高温度梯度为特征，这导致热应力的累积，并且快速凝固促进了偏析现象的发生和非平衡相的存在，这就需要进行后处理来消除残余应力，改善骨骼支架的力学性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种借助3D打印SLM实现梯度成分和梯度孔隙率、具有良好生物相容性、耐腐蚀性和耐磨性的内凹六边形髋关节植入物的制备方法及消除残余应力的热处理工艺，通过该方法，在传统骨骼植入物的基础上通过改变支架直径设计出具有梯度孔隙率的内凹六边形结构，在成分上，选用对骨骼友好且弹性模量低的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr用于茎和壳，股骨头和髋臼衬里使用优异的耐磨性Co
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Cr
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Mo合金。
[0006]梯度结构有利于细胞和血管生长，利于骨的长入，梯度成分改善了冶金不相容性，减少故障并获得了更好的界面结合，以最大限度地减少磨损引起的骨溶解和无菌松动，对打印完成的功能骨骼支架进行热处理以消除残余应力，消除变形带来的危害，提高了植入支架的寿命，并在支架表面沉积HA涂层，进一步增强细胞活性。
[0007]1.骨骼支架建模
[0008]通过CT扫描设备对骨缺损处进行三维扫描获取图像数据，根据破损骨头，利用三维软件重新设计出可以移植骨头的尺寸及形态。用UG三维制图软件设计出多孔复合模型，
将模型与健康骨骼进行比对，校验模型尺寸是否合适，有无偏差，支架采用梯度孔隙率内凹六边形结构设计，内凹六边形角度分别为60
°
和120
°
，通过控制支架直径实现孔隙率减小再增大的梯度孔隙率，支架尺寸为7cm
×
7cm
×ꢀ
7cm，从上往下，第一层支架直径为3mm，孔径为450μm，孔隙率为60%，体积为26.438cm3，第二层支架直径为2mm，孔径为650μm，孔隙率为70%，体积为12.596cm3，第三层支架直径为1mm，孔径为900μm，孔隙率为85%，体积为2.79cm3，第四层同第二层，第五层同第一层，实现孔隙率为60%，70%，85%，70%，60%的对称梯度孔隙率结构，具有更好的力学性能，有利于细胞和血管生长，利于骨的长入。
[0009]2.粉末制备
[0010]通过等离子旋转电极工艺，依靠离心力在惰性气体环境中凝固并在表面张力作用下球化制备成分为Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr（wt.%）的合金粉末样品，筛选粉末直径在30
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50μm之间。
[0011]通过气体雾化法制得Co
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Cr
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Mo合金球形粉末，标称成分 (wt.%) 为27 Cr，5.2 Mo，0.3 C，1.2 Fe，0.7 Mn，2.8 Ni，1.6 Si，粉末直径在30
‑
50μm之间。
[0012]3.混合粉末制备
[0013]将Ti
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35Nb
‑
5Ta
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7Zr合金粉末命名为粉末1；将Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr合金粉末和Co
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Cr
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Mo合金粉末按照质量百分比：75%的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr和25%的Co
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Cr
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Mo混合均匀后得到金属混合粉末2；按照质量百分比：50%的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr和50%的Co
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Cr
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Mo混合均匀后得到金属混合粉末3；按照质量百分比：25%的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr和75%的Co
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Cr
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Mo混合均匀后得到金属混合粉末4；将Co
‑
Cr
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Mo合金粉末命名为粉末5。
[0014]4.双梯度骨骼支架的打印
[0015]将预先设计好的梯度骨骼支架模型导入SLM打印机中，逐层打印，打印过程中激光功率为180W，扫描速度为1200mm/s，激光直径为50μm，扫描间距为0.03mm，打印第一层时料斗里装入粉末1，成形成分为100%Ti
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35Nb
‑
5Ta
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7Zr合金的骨骼支架，支架直径为0.6mm，孔隙率为60%；第二层，装入粉末2成形成分为25%Co
‑
Cr
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Mo合金的骨骼支架，支架直径为0.4mm，孔隙率为70%；第三层，装入粉末3成形成分为50%Co
‑
Cr
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Mo合金的骨骼支架，支架直径为0.2mm，孔隙率为80%；第四层，装入粉末4成形成分为75%Co
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Cr
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Mo合金的骨骼支架，支架直径为0.4mm，孔隙率为70%；第五层，装入粉末5成形成分为100%Co
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Cr
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Mo合金的骨骼支架，支架直径为0.6mm，孔隙率为60%；每一次换粉时，都要将粉末完全清出，并用酒精擦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法，其特征是通过CT扫描设备对骨缺损处进行三维扫描获取图像数据，用UG三维制图软件设计出孔隙率为60%，70%，85%，70%，60%的内凹六边形对称梯度多孔骨骼支架结构，并在第一层Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr合金上成形了含有25%，50%，75% 和100% Co
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Cr
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Mo合金的梯度结构，从而实现成分和结构的双梯度，并对打印后的功能支架进行退火热处理以消除残余应力，沉积HA涂层增强细胞活性，通过该方法制备的骨骼支架具有良好的生物相容性，最大限度地减少了磨损引起的骨溶解和无菌松动，改善了力学性能，提高了植入支架的寿命。2.根据权利要求1所述的一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法，其特征在于，支架具有连续对称的梯度孔隙率，基于内凹六边形结构，从上往下，第一层支架直径为3mm，孔径为450μm，孔隙率为60%，体积为26.438cm3，第二层支架直径为2mm，孔径为650μm，孔隙率为70%，体积为12.596cm3，第三层支架直径为1mm，孔径为900μm，孔隙率为85%，体积为2.79cm3，第四层同第二层，第五层同第一层。3.根据权利要求1所述的一种3D打印髋关节去应力热处理双梯度骨骼支架的制备方法，其特征在于，将通过等离子旋转电极工艺制备的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr合金粉末命名为粉末1，将通过气体雾化法制备的Co
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Cr
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Mo合金球形粉末命名为粉末5，粉末直径在30
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50μm之间，并按照质量百分比：75%的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr和25%的Co
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Cr
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Mo混合均匀后得到金属混合粉末2；按照质量百分比：50%的Ti
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35Nb
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5Ta
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7Zr和50%的Co

【专利技术属性】
技术研发人员：徐淑波，胡馨支，鞠晓瑜，马锡全，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：