一种医用植入异质金属复合结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，涉及医用植入假体技术领域，包括如下步骤：步骤一，基于选区激光融化技术或激光粉末床熔融技术，分别根据不同的打印策略将钛合金粉末制备成多孔骨架；步骤二，使镁融化后填充在多孔骨架的孔隙内部；步骤三，将步骤二中制备的钛镁互穿相复合结构冷却至室温，并在钛镁互穿相复合结构表面覆盖一层羟基磷灰石涂层，本发明专利技术通过增材制造的方法制备满足盆骨各区域力学性能的钛合金多孔晶格点阵结构作为骨架，再分别通过镁无压渗透或者热等静压的方法对骨架孔隙进行填充，制备完成的钛镁互穿相复合结构符合盆骨修复以及髋关节置换所需的植入骨要求。换所需的植入骨要求。换所需的植入骨要求。

【技术实现步骤摘要】
一种医用植入异质金属复合结构的制备方法


[0001]本专利技术涉及医用植入假体
，具体涉及一种医用植入异质金属复合结构的制备方法。

技术介绍

[0002]骨盆是人体躯干与肢体连接的重要骨性结构，随着交通事故以及自然灾害频发，发生意外导致人体盆骨受损甚至永久性创伤的事件越来越多，且伴随着人口老龄化带来的器官退化以及骨科疾病问题，如何更加高效快捷地针对盆骨以及髋关节进行骨修复以及骨置换成为了临床医学的热门问题。
[0003]常见的医用植入合金如钛合金以及镁合金都是生物相容性良好的可医用骨植入材料，但现阶段都存在缺点与不足，钛合金强度虽高却是惰性金属，植入人体后促骨性较差，成骨周期长；而镁合金虽然具备良好促骨活性，但是植入人体后易降解，无法长期存在，因此如何有效结合多种材料的优势且规避掉不足，成为未来医用植入物的主要研究方向。
[0004]除此之外，根据2022年自然骨标准，针对盆骨以及髋关节置换部分的植入物，其杨氏模量应达到10Gpa~20Gpa，且强度需要达到180Mpa以上。然而，钛合金以及镁合金的杨氏模量分别为113.8Gpa和45Gpa，远远超过自然骨的杨氏模量标准，会产生“应力屏蔽”行为，从而导致术后骨骼不能得到锻炼而渐渐萎缩。而根据现有研究，采用热旋压以及微波烧结等方法制备出的传统钛合金
‑
镁合金复合结构，虽然抗压强度可达180Mpa以上，但杨氏模量大幅降低为3Gpa~8Gpa，无法满足盆骨强度要求，因此采用何种适合的工艺制备钛合金
‑
镁合金复合结构，使其消除“应力屏蔽”的同时保留强度，变得尤为重要。
[0005]盆骨在进行骨修复以及骨置换手术后往往会面临外来冲击带来二次受损的风险，而现有的骨科植入制备方法如铸造或机加工等传统的加工工艺，需要定制模具或者切削大量原料，对于单件或者少量的高精度产品来说生产成本较高。而利用增材制造的工艺，可以大幅缩减时间和成本。
[0006]综上所述，使用增材制造技术制备合金骨架并采用合适的工艺手段将钛合金与镁合金复合强化，最终形成一种能够满足医疗要求的医用植入异质金属复合结构变得十分必要。

技术实现思路

[0007]针对上述医用金属植入材料在人体内的“应力屏蔽”现象以及多材料结合强度问题，本专利技术创新性的提出一种钛镁互穿相结构，通过增材制造的方法制备满足盆骨各区域力学性能的钛合金晶格点阵结构作为骨架，再分别通过镁无压渗透或者热等静压的方法对骨架孔隙进行填充，从而完成制备，制备完成的钛镁互穿相复合结构，其杨氏模量可以通过控制晶格点阵结构的孔隙率进行调控，杨氏模量在10Gpa~20Gpa范围内，抗压强度可以达到180Mpa以上，符合盆骨修复以及髋关节置换所需的植入骨要求；所制备的钛镁互穿相复合结构在表面添加了一层羟基磷灰石涂层，羟基磷灰石涂层的存在有效延缓了镁的降解且进
一步促进了损伤骨骼的成型。
[0008]为实现上述方案，本专利技术提出如下技术方案：一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，包括如下步骤：步骤一，基于选区激光融化技术或激光粉末床熔融技术，分别根据不同的打印策略将钛合金粉末制备成多孔骨架；步骤二，使镁融化后填充在多孔骨架的孔隙内部；步骤三，将步骤二中制备的钛镁互穿相复合结构冷却至室温，并在钛镁互穿相复合结构表面覆盖一层羟基磷灰石涂层。
[0009]优选的，所述步骤一中，利用选区激光融化技术制备多孔骨架的具体方法为：打印前，用高纯氩气吹扫选择性激光熔融设备的材料成型室，直至成型室内氧含量低于0.1%，打印基板被预热到200
°
C，并确保打印多孔骨架的尺寸精度，在激光功率为100 W，激光扫描速度为1200mm/s，层厚为30μm的条件下利用选区激光融化技术对中位直径为35μm的钛合金粉末进行分层连续打印。
[0010]优选的，所述步骤二中，使镁融化后填充在多孔骨架孔隙内部的具体方法为：将打印好的多孔骨架放置在不锈钢模具上，再把镁块平稳摆放在多孔骨架上，将不锈钢模具安放在石墨电阻炉中的固定装置上以完成渗透前准备工作，其中所用不锈钢模具的实际高度要保证高于镁块平面，加热石墨电阻炉至800℃，在流动的氩气中加热10分钟，期间熔融的镁块会在没有外部载荷的条件下凭借自身重力流入多孔骨架孔隙内，在石墨电阻炉中冷却并完成渗透过程。
[0011]优选的，所述步骤一中，利用激光粉末床熔融技术制备多孔骨架的具体方法为：利用激光粉末床设备以扫描速度1200 mm/s，激光功率155W为工艺参数，采取激光粉末床熔融技术处理中位直径为35mm的钛合金粉末，扫描过程中，采用锯齿形图案减小相邻两层之间的热应力，扫描角度在前一层上交替90
°
。
[0012]优选的，所述步骤二中，使镁融化后填充在多孔骨架孔隙内部的具体方法为：将制备的多孔骨架放置在氧化铝陶瓷模具中，再将镁粉均匀撒入多孔骨架的孔隙内，通过机械振动的方式使镁粉充分填充至多孔骨架的内部孔隙中，将氧化铝陶瓷模具平稳放置在热等静压烧结炉内，将热等静压烧结炉内部抽真空后通入氩气，利用热等静压工艺将多孔骨架与镁粉混合，将热等静压烧结炉在氩气环境中加热到900℃，在150MPa的压力下，加热4小时，加热过程中，镁粉熔融，在压力和温度的作用下和多孔骨架紧密贴合。
[0013]优选的，所述步骤三中，在钛镁互穿相复合结构表面覆盖一层羟基磷灰石涂层的具体方法为：使用电泳沉积法制备羟基磷灰石涂层；将制备好的钛镁互穿相复合结构作为阴极，惰性电极石墨片作为阳极，阴
‑
阳两个极片保持平行，并且阴
‑
阳两极间距保持在20mm，竖直插入装有HA悬浮液的石英玻璃烧杯中，加入2%体积分数的浓硝酸做电解质，用氨水调节pH值，使pH值稳定在4~6之间，采用恒压的模式，在设定好的电压下进行一定时间的电泳沉积，沉积过程中，羟基磷灰石涂层会逐渐覆盖在作为阴极的钛镁互穿相复合结构表面，待羟基磷灰石涂层完全覆盖钛镁互穿相复合结构表面后，关闭电源，取出样品，将其进行干燥。
[0014]优选的，所述步骤一中，多孔骨架为晶格点阵结构。
[0015]优选的，所述步骤一中，晶格点阵结构为体心立方点阵结构、闭合四方梁
‑
0型结构
或闭合弧形梁
‑
0型结构。
[0016]优选的，所述步骤一中，体心立方点阵结构是以六面体8个顶点为关键节点，彼此连接形成外部梁，以六个面的面心位置作为内部梁节点，内部梁与外部梁进行连接组合形成体心立方结构。
[0017]优选的，所述步骤一中，闭合四方梁
‑
0型结构是以面心晶格为基础，构建斜体X型梁，斜体X型梁中间利用直柱固定，通过2
‑
3次的镜像构建出基础构型，其中各斜体X型梁之间的连接处为各平面的面心处，通过调控总水平长度a和垂直长度b，建立闭合四方梁
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0型结构。
[0018]优选的，所述步骤一中，闭合弧形梁
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0型结构是以四边形为基础，四边用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，基于选区激光融化技术或激光粉末床熔融技术，分别根据不同的打印策略将钛合金粉末（7）制备成多孔骨架（2）；步骤二，使镁融化后填充在多孔骨架（2）的孔隙内部；步骤三，将步骤二中制备的钛镁互穿相复合结构冷却至室温，并在钛镁互穿相复合结构表面覆盖一层羟基磷灰石涂层。2.根据权利要求1所述的一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，利用选区激光融化技术制备多孔骨架（2）的具体方法为：打印前，用高纯氩气吹扫选择性激光熔融设备（6）的材料成型室，直至成型室内氧含量低于0.1%，打印基板被预热到200
°
C，并确保打印多孔骨架（2）的尺寸精度，在激光功率为100 W，激光扫描速度为1200mm/s，层厚为30μm的条件下利用选区激光融化技术对中位直径为35μm的钛合金粉末（7）进行分层连续打印。3.根据权利要求2所述的一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，使镁融化后填充在多孔骨架（2）孔隙内部的具体方法为：将打印好的多孔骨架（2）放置在不锈钢模具（3）上，再把镁块（1）平稳摆放在多孔骨架（2）上，将不锈钢模具（3）安放在石墨电阻炉（5）中的固定装置（4）上以完成渗透前准备工作，其中所用不锈钢模具（3）的实际高度要保证高于镁块（1）平面，加热石墨电阻炉（5）至800℃，在流动的氩气中加热10分钟，期间熔融的镁块（1）会在没有外部载荷的条件下凭借自身重力流入多孔骨架（2）孔隙内，在石墨电阻炉（5）中冷却并完成渗透过程。4.根据权利要求1所述的一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，利用激光粉末床熔融技术制备多孔骨架（2）的具体方法为：利用激光粉末床设备（11）以扫描速度1200 mm/s，激光功率155W为工艺参数，采取激光粉末床熔融技术处理中位直径为35mm的钛合金粉末（7），扫描过程中，采用锯齿形图案减小相邻两层之间的热应力，扫描角度在前一层上交替90
°
。5.根据权利要求4所述的一种医用植入异质金属复合结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，使镁融化后填充在多孔骨架（2）孔隙内部的具体方法为：将制备的多孔骨架（2）放置在氧化铝陶瓷模具（10）中，再将镁粉（9）均匀撒入多孔骨架（2）的孔隙内，通过机械振动的方式使镁粉（9）充分填充至多孔骨架（2）的内部孔隙中，将氧化铝陶瓷模具（10）平稳放置在热等静压烧结炉（8）内，将热等静压烧结炉（8）内部抽真空后通入氩气，利用热等静压工艺将多孔骨架（2）与镁粉（9）...

【专利技术属性】
技术研发人员：于征磊，信仁龙，池豪杰，王金成，赵欣，刘贺，高德龙，薛浩文，李盼盼，郭云婷，杨亚男，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：