生物医用多孔纯钛植入材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种3D打印技术，具体地说，涉及一种生物医用多孔植入材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]3D打印(3Dprinting)，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
[0003]近年来，随着生活水平的提高，人类已进入高龄化阶段，人体硬组织发生病变或受到损伤是普遍存在的问题，通常需要通过手术来替换或修复病变或损伤的硬组织。传统的骨替代材料均采用致密的金属或合金，如钴基合金、不锈钢、钛基合金等可用于髋关节置换术。与多孔结构的人骨相比，这些合金具有高强度高韧性和高弹性模量，植入后会产生应力屏蔽，从而导致植入体与人骨结合发生松动，并出现局部骨吸收现象。
[0004]其中，相对于其他金属，钛及钛合金具有密度小(接近人骨)、比强度高、弹性模量较低、耐腐性好、生物相容性优异等优点，得到了广泛的应用。然而，钛及钛合金与骨的弹性模量仍然不匹配。为解决上述问题，在医用金属材料中引入孔隙，通过调整孔隙的形状和大小、孔隙率和三维连通率以达到与骨相匹配的力学性能。此外，多孔结构有利于成骨细胞的生长，促进新骨组织重建，使植入体同骨之间形成三维生物锁定，提高前者植入体的稳固性。
[0005]目前，制备生物医用多孔材料的传统方法包括粉末冶金法、金属沉积法、凝胶注模法、燃烧合成法。现有的这些传统的方法无法实现对孔隙形状、孔隙大小、孔隙率和孔隙三维连通率的精确成型控制一精确可控成型，对于非常复杂的结构则无法成型。
[0006]后续,又研制出选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)法制备多孔材料。现有的一种选择性激光烧结制备生物多孔不锈钢植入材料的方法，首先采用覆膜法制备热塑性聚合物包覆的316L不锈钢粉末；然后采用选择性激光烧结技术成形覆膜金属粉末，得到预成形坯；最后通过热脱脂和二次烧结得到多孔的金属植入材料。选择性激光烧结技术(SLS)虽可以制备复杂多孔结构，但孔隙精度不够精确，且需要渗金属等后续处理，流程复杂。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种生物医用多孔纯钛植入材料的制备方法，解决现有技术中制备复杂多孔结构存在的孔隙精度不够精确，且需要渗金属等后续处理，流程复杂的问题，能够更加精确地控制多孔结构的成形尺寸，实现多孔结构的一次成型。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种致密度和力学性能高的生物医用多孔纯钛植入材料，植入人体后，其多孔结构有利于成骨细胞的生长，促进新骨组织重建，提高植入材料的稳固性。
[0009]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0010]一种生物医用多孔纯钛植入材料的制备方法，包括以下步骤:
[0011]S1、采用绘图软件构建植入材料的三维模型，并通过分层软件将其进行切片处理，将得到的二维截面信息以SLM格式保存后输送到SLM成形机的计算机控制系统，以提供激光扫描时的加工路径；
[0012]S2、采用铺粉装置在SLM成形机的工作台上铺放一层厚度为30?70 μ m的钛粉末，工作台上设有一基板，初次铺粉前调整基板的水平度并将基板进行预热，下次铺粉时不需要预热；
[0013]S3、激光束以90?100W功率、0.10?0.20mm扫描间距和275?540mm/s的扫描速度在计算机控制系统的指导下对钛粉末进行选择性激光熔化得到植入材料的一层截面，同时工作台下降一层粉末的高度；
[0014]S4、重复步骤S2和步骤S3，直至扫描完模型的最后一层截面，植入材料的三维模型成型；
[0015]S5、SLM成形机自动停止工作，三维模型冷却至室温后，从SLM成形机内取出基板，从基板上取下三维模型并做喷砂处理，即得到多孔纯钛植入体材料；
[0016]其中，所述三维模型是以十四面体单元为点阵的多孔结构模型，所述三维模型由所述十四面体单元重复堆积而成。
[0017]进一步,所述十四面体单元的臂径为400 μ m,孔径为1000 μ m,边长为810 μ m。
[0018]进一步,所述基板的厚度为0.5-lmm。
[0019]进一步，所述激光束的补偿因子为0-40um。
[0020]进一步，步骤S2中，在SLM成形机的腔体内充入氩气作为保护气体。
[0021]进一步，步骤S2中，SLM成形机的腔体内氧气的浓度低于0.1%。
[0022]一种生物医用多孔纯钛植入材料，包括植入材料本体，所述植入材料本体采用选择性激光熔化金属粉末技术制成，所述金属粉末为纯钛粉末，所述植入材料本体是以十四面体单元为点阵的多孔结构，所述植入材料本体由所述十四面体单元重复堆积而成，所述十四面体单元的臂径为400 μ m,孔径为1000 μ m,边长为810 μ m。
[0023]与现有技术相比，本发明提出新型的生物相容多孔结构设计，能对多孔结构孔隙的形状、空间分布、大小进行精确控制，一体化制备复杂多孔结构，不需要后续热处理或渗金属，流程简单，孔隙精度精确，且制得的多孔纯钛植入体材料致密度和力学性能高，植入人体后，其多孔结构有利于成骨细胞的生长，促进新骨组织重建，使多孔纯钛植入体材料同骨之间形成三维生物锁定，提高多孔纯钛植入体材料的稳固性，满足人体对植入材料的各种需求。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的十四面体单元结构的模型示意图；
[0025]图2为本发明的以十四面体单元结构为点阵的多孔结构模型示意图；
[0026]图3为本发明的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体实施例对本发明生物医用多孔纯钛植入材料及其制备方法作进一步说明。
[0028]选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting)是先进的增材制造技术,它不需要模具，通过粉末材料“层层堆积”，完全熔化每层粉末的原理，通过计算机辅助设计数据模型，快速制造出复杂的三维实体模型的精确可控制造。
[0029]请参阅图1、图2和图3，本发明公开了一种生物医用多孔纯钛植入材料的制备方法，包括以下步骤:
[0030]S1、采用绘图软件构建植入材料的三维模型，并通过分层软件将其进行切片处理，将得到的二维截面信息以SLM格式保存后输送到SLM成形机的计算机控制系统，以提供激光扫描时的加工路径。
[0031]所述绘图软件可以为CAD、Solidworks、UG、ProE等工程制图软件,根据所需制备植入材料的实际结构，设计和建立实际多孔结构的三维模型，并保存为STL格式，然后导入到Autofab软件中对三维模型进行分层处理，并设定加工参数，保存并导出SLM格式的文件至SLM成形机的计算机控制系统。
[0032]请参阅图1和图2，本发明所述三维模型是以十四面体单元为点阵的多孔结构模型，所述三维模型由所述十四面体单元重复堆积而成，所述十四面体单元的臂径为400 μ m，孔径为1000 μ m，边长为810 μ m。具体地，所述加工参数包括激光的功率、扫描间距、扫描速度和补偿因子。本发明中，设定激光的扫描功率为90?100W，扫描间距为0.10?0.20mm,扫描速度为275?540mm/s,光斑补偿因子设定为0_40um。
[0033]S2、采用铺粉装置在SLM成形机的工作台上铺放一层厚度为30?70 μ m的钛粉末，工作台上设有一基板，初次铺粉前调整基板的水平度并将基板进行预热，下次铺粉时不需要预热。
[0034]请参阅图2，在SLM成形机的工作台上设置有0.5-lmm厚的基板，所述基板在三维模型的成型过程中提供散热和受力支撑。在三维模型的底部增加的基板太薄或太厚，会影响所述三维模型的成型质量，使得所述三维模型变形。较佳地，在三维模型的底部增加0.5mm厚的基板。
[0035]激光束进行扫描之前，先调整SLM成形机腔体内的加工环境，在SLM成形机的腔体内充入氩气作为保护气体，SLM成形机的腔体内