一种个性化定制型多孔钽植入物及其制备方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于骨替代植入物的生物制造领域，具体涉及一种个性化定制型多孔钽植入物及其制备方法。
【背景技术】
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[0002]目前医学上采用的骨替代植入物普遍是钛合金，但是与钛合金相比，钽具有更加优良的性能。一方面，钽的生物相容性比钛合金更好，钽表面可以生成一层氧化物薄膜，在常温下不与酸碱反应，因此植入人体后不会被腐蚀掉；另一方面，钽的弹性模量与人体骨的弹性模量接近，植入人体后可以有效的避免应力遮挡效应，促进新骨的生成。目前制备多孔钽的方法主要有两种，一种是将有机泡沫高温碳化，再利用气相沉积的方法在碳支架上面沉积钽，这种方法成本较高，支架强度不足，孔洞为非球形的多边形孔洞；另一种是用液体材料作为分散剂和造孔剂，然后干燥烧结成多孔钽，这种方法不容易得到适宜细胞生长的球形孔洞，孔洞的一致性差。两种方法制备的多孔钽的孔洞容易被堵塞，造成新骨和支架不能良好的融合。
【发明内容】
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[0003]本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种个性化定制型多孔钽植入物及其制备方法。
[0004]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0005]一种个性化定制型多孔钽植入物的制备方法，包括如下的步骤:
[0006]I)在三维建模软件中重建骨组织三维模型，然后将骨组织三维模型导入到反求软件中，设计出个性化骨植入物三维模型；
[0007]2)对个性化骨植入物三维模型进行抽壳处理，得到抽壳后模型外壳，然后在抽壳后模型外壳内部添加纵横交错的网架，得到内部含有网架的个性化骨植入物三维壳体模型，其中，三维壳体模型的厚度h为0.5?2.5mm,网架直径d为0.5?2.5_，相邻网架之间的间距为I?1mm ；
[0008]3)利用3D打印机制备步骤2)中的内部含有网架的个性化骨植入物三维壳体模型，得到3D打印物理模型；
[0009]4)将可烧失小球、钽粉和分散剂混合均匀，配置成混合浆料；
[0010]5)将步骤4)中得到的混合浆料注入到步骤3)制备的3D打印物理模型中，对注入模型的混合浆料加压3?5Mpa，然后在真空中干燥处理，得到素坯；
[0011]6)将步骤5)中得到的素坯置入真空炉中，在1000?1200摄氏度的温度下，进行脱脂处理，得到脱脂后的低强度多孔钽体；
[0012]7)将步骤6)中得到的脱脂后的低强度多孔钽体放置到1800?2500摄氏度的高温真空炉中烧结强化，得到个性化定制型多孔钽植入物，其中，该个性化定制型多孔钽植入物包括多孔钽支架钽体，纵横交错的网架烧失后形成多孔钽支架钽体上的多孔钽支架主管道结构，混合浆料中的可烧失小球和分散剂烧失后，形成若干连通的多孔钽支架孔洞结构。
[0013]本发明进一步的改进在于，步骤I)中，利用骨组织的CT或MRI多平面重建图像在三维建模软件中重建骨组织三维模型。
[0014]本发明进一步的改进在于，步骤4)中，可烧失小球的材料为可发性聚苯乙烯树月旨，可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂，可发性聚甲基丙烯酸甲脂树脂，或石蜡中的一种；可烧失小球的直径为0.3?1.5mm，钽粉粒度为3?50 μ m，分散剂为质量分数30%?50%三乙二醇水溶液、质量分数3 0Z0?9%聚乙烯醇水溶液或糠醛树脂中的一种。
[0015]本发明进一步的改进在于，步骤4)中，可烧失小球与钽粉的体积比为2?4.5:1，可烧失小球和钽粉总体积与分散剂的体积比为4?8:1。
[0016]本发明进一步的改进在于，步骤6)中，真空炉中通有保护气，将素坯以4?10°C/min的速率升温到1000?1200°C，保温I?2小时后冷却至室温。
[0017]本发明进一步的改进在于，步骤6)中，保护气为还原性气体或惰性气体；其中，还原性气体为氢气或一氧化碳，惰性气体为氩气。
[0018]本发明进一步的改进在于，步骤7)中，真空炉中通有保护气，将脱脂后的低强度多孔钽体升温至1200?1400°C，保温I?2小时，再升温至1800?2500°C，保温0.5?I小时，再冷却至1300?1400°C，保温I?2小时，最后随炉冷却至室温，得到脱脂后的低强度多孔钽体。
[0019]一种个性化定制型多孔钽植入物的制备方法，保护气为还原性气体或惰性气体；其中，还原性气体为氢气或一氧化碳，惰性气体为氩气。
[0020]本发明进一步的改进在于:包括多孔钽支架钽体，多孔钽支架钽体上的若干纵横交错的多孔钽支架主管道结构，以及多孔钽支架钽体中的若干连通的多孔钽支架孔洞结构。
[0021]与现有技术相比，本发明具有如下的优点:
[0022]本发明一种个性化定制型多孔钽植入物的制备方法，在三维软件中重建骨组织模型，采用反求工程和3D打印技术，设计制造带有网架结构的个性化植入物薄壳，并利用高温烧结技术，得到包含主管道和具有连通球形孔洞的多孔钽支架，形成主管道；采用可烧失小球作为造孔剂，与钽粉和分散剂均匀混合烧结，制造具有良好一致性的球形连通孔洞的个性化定制型多孔钽植入物。其中，主管道有利于细胞增殖迀移和营养物质的运送，防止球形连通孔洞堵塞，球形连通孔洞有利于细胞的粘附和生长，使植入物与骨良好融合。具体有以下几点优点:
[0023]1、采用反求工程和3D打印技术相结合，设计个性化定制型植入物树脂外壳和网架结构，适应个性化需求，网架结构形成主管道，能防止通道堵塞，有利于营养物质输送。
[0024]2、采用可烧失小球作为造孔剂，能制造出良好一致性的球形连通孔洞，有利于骨细胞的生长，促进植入物与骨的良好融合。
[0025]3、经过脱脂处理后的低强度多孔钽体，碳残留量的质量分数小于3%，具有良好的性能。
[0026]4、得到的多孔钽的弹性模量可以通过改变可烧失小球的直径和粉末浆料的配比来实现，易于控制。
[0027]5、采用烧结成型的方法制造多孔钽的力学强度明显提高，力学性能得到改善。
[0028]本发明一种个性化定制型多孔钽植入物，利用反求工程和3D打印技术设计出的个性化定制型植入物，利用粉末烧结将网架和小球烧失，烧结强化后的植入物不仅具有复杂的主管道，还具有相互连通的球形孔洞，球形孔洞直径为0.3?1.5_，支架孔隙率可达到 60%?80%。
【附图说明】
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[0029]图1是利用CT、MRI等重建多平面骨组织图像在三维建模软件中重建的骨组织三维模型示意图。
[0030]图2是对三维模型抽壳和添加网架结构后的模型纵切面示意图。
[0031]图3是3D打印物理模型纵切面示意图。
[0032]图4是将小球、钽粉、分散剂混合注入物理模型纵切面示意图。
[0033]图5是低温烧结脱脂后的低强度多孔钽体纵切面示意图。
[0034]图6是高温烧结完成后，个性化定制型多孔钽植入物纵切面示意图。
[0035]其中:1、抽壳后模型外壳；2、模型浆料填充空间；3、网架；4、3D打印物理模型；5、混合浆料；6、多孔钽支架孔洞结构；7、多孔钽支架主管道结构；8、多孔钽支架钽体。
【具体实施方式】
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[0036]下面结合附图和实施例对本发明进一步详述描述。
[0037]实施例1:
[0038]如图1至图6所示，本发明一种个性化定制型多孔钽植入物的制备方法，包括以下步骤:
[0039]I)利用骨组织的CT多平面重建图像在在三维建模软件中重建骨组织三维模型(如图1所示)，然后将骨组织三维模型导入到反求软件中，设计出个性化骨植入物三维模型；
[0040]2)对个性化骨植入物三维模型进行抽壳处理，得到抽壳后模型外壳1，然后在抽壳后模型外壳I内部添加纵横交错的网架3，得到内部含有网架3的个性化骨植入物三维壳体模型，其中，纵横交错的网架3之间为模型浆料填充空间2，三维壳体模型的厚度h为1.5mm，网架直径d为1.5mm，相邻网架3之间的间距为4mm，如图2所示；
[0041]3)利用3D打印机制备步骤2)中的内部含有网架的个性化骨植入物三维壳体模型，得到3D打印物理模型4，如图3所示；
[0042]4)取体积比为3.5:1的可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂小球和钽粉，用玻璃棒将其混合均匀配置成混合粉末；
[0043]5)配置质量分数为6%的聚乙烯醇水溶液，在保温箱中40°C保温0.5小时；
[0044]6)将步骤4)的混合粉末和步骤5)的聚乙烯醇水溶液以体积比为4:1均匀混合，用玻璃棒搅拌20分钟，配置成混合浆料5 ;
[0045]7)将步骤6)中得到的混合浆料5注入到步骤3)制备的3D打印物理模型中，对注入模型的混合浆料5加压3?5Mpa，然后在真空中干燥处理I小时，得到素坯，如图4所示;
[0046]8)将步骤7)中得到的素坯置入真空炉中，在还原性气体氢气的保护下，将素坯以8°C /min的速率升温到1000°C，保温I小时后冷却，进行脱脂处理，得到脱脂后的低强度多孔钽体，如图5所示；
[0047]9)将步骤8)中得到的脱脂后的低强度多孔钽体放置到高温真空炉中烧结强化，在惰性气体氩气的氛围保护下，将脱脂后的素坯升温至1200°C，保温2小时，再升温至2000°C，保温0.5小