聚醚醚酮仿生人工骨的3d打印制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用可以替代金属且具有优良生物相容性聚醚醚酮材料进行仿生人工骨的3D打印制造方法，首先利用医学仪器采集患者待植入人工骨部位的骨组织图像数据，接下来利用采集到的数据建立仿生人工骨的三维数字模型，然后对人工骨三维数字模型进行格式转化，并将格式转化后的文件输入3D打印系统进行人工骨的三维实体制造，最后进行细胞毒性试验、动物试验、临床试验。本发明利用自制聚醚醚酮3D打印系统进行人工骨的制造，省去了制造模具的时间和成本，缩短了制造周期，同时根据造型软件的设定随时调整零件形状，实现了对具有优良生物相容性、可植入人体，且熔点高、粘度大、流动性差、结晶类聚合物聚醚醚酮材料人工骨的3D打印制造。
【专利说明】聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法【技术领域】[0001]本发明属于3D打印【技术领域】，尤其涉及一种聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法。
【背景技术】
[0002]聚醚醚酮是由英国ICI公司于1977年率先开发出的一种新型工程塑料，其既具有热固性塑料的耐高温性能、优异的机械强度(高强度、高弹性模量、高断裂韧性)、化学稳定性、耐辐射和电气性能，又具有热塑性材料的易加工性。在生物医学领域，聚醚醚酮具有优良生物相容性，和金属材料的植入体相比，其弹性模量和人骨弹性模量更接近，大大降低了由于金属材料和人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收、骨发炎、二次手术等问题。并且将聚醚醚酮人工骨植入人体后，其力学性能完全能满足人体正常的生理需要，是一种非常好的可以替代金属的人体植入材料。
[0003]3D打印技术，是以计算机三维设计模型为基础，通过分层软件和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。3D打印最大的特点在于不需要对加工零件开模，节省了制造模具的时间和成本，只需要对零件进行三维造型，生成加工轨迹，便能制造出所需的零件，缩短了制造周期，尤其适用于人工骨等个性化单件小批量加工。
[0004]目前聚醚醚酮材料只能通过注塑或机械加工等传统加工方式成形，其最大的缺点在于因零件形状不同需要制造不同的模具，这就大大增加了制造成本，而且对于应用于临床的个性化人工骨，制造的模具无法再次利用，造成了资源浪费。同时，由于开模具需要很长的时间，对于急需植入人工骨的患者来说需要等待的时间过长。因此，开模具来制造人工骨的技术不仅成本高而且不能满足由于患者骨骼形状各异对植入人工骨的个性化需求。现有商业化的3D打印机只能打印一些特定的材料，如ABS、PLA、钛合金等，不能进行聚醚醚酮的3D打印制造。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，旨在解决目前聚醚醚酮材料基本采用注塑、模压等传统加工技术成形，其制造成本高、零件形状单一、生产周期长、不能进行聚醚醚酮的3D打印制造等问题。
[0006]本发明是这样实现的，一种聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法包括:获取患者待植入部位的医学图像数据、从获取的医学图像数据中提取出所需要的骨组织数据、建立仿生人工骨的三维数字模型、对人工骨三维数字模型进行格式转化、将人工骨数字模型输入自制聚醚醚酮3D打印系统进行人工骨的三维实体制造、进行细胞毒性试验、动物试验、临床试验。具体步骤如下:
[0007]步骤一、采用CT、MR1、超声等医疗仪器获取患者待植入部位的医学图像数据。
[0008]步骤二、将步骤一中获取的患者待植入部位的医学图像数据输入计算机，对医学图像数据进行处理，提取出所需要的骨组织数据。
[0009]步骤三、对步骤二中对提取的骨组织数据进行处理，利用逆向工程实现人工骨三维数字模型建立。
[0010]步骤四、利用三维建模软件将步骤三建立的人工骨三维数字模型转成3D打印系统可以识别的STL等格式文件。
[0011]步骤五、将人工骨的STL文件输入自制聚醚醚酮3D打印系统进行人工骨的三维实体制造。
[0012]第一步，将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝用烘干箱以100°C _140°C的温度干燥12小时。
[0013]第二步，通过自制温控系统将3D打印系统喷头预热到1\(3401: -355°C )，铝合金基板预热到T2 (IlO0C -120。。)，打印室预热到T3 (200。。?230°C )。
[0014]第三步，通过控制系统将直径为0.3mm的3D打印喷嘴调至距打印平台0.2mm，随后双齿轮送丝机构将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝以匀速送入已经预热的喷头，3D打印系统喷头根据分层软件生成的人工骨轨迹行进，打印出聚醚醚酮人工骨的第一层，而后按喷头按照控制系统规划的轨迹路径，分别打印第2，3层，直至完成仿生聚醚醚酮人工骨的3D打印。
[0015]第四步，为了减轻聚醚醚酮人工骨在成形过程中的因内应力导致的脆断、分层、翘曲等问题，将打印室温度T3由200°C?230°C以5°C -10°C / min的速度逐渐冷却到室温，然后再从打印室中取出仿生聚醚醚酮人工骨。
[0016]步骤六、将采用3D打印技术制造的聚醚醚酮仿生人工骨进行细胞毒性试验，动物试验，最终进行临床试验。
[0017]进一步，由于聚醚醚酮的内聚力强，不易与其他材料粘结，在分层加工中会产生与底板粘接不牢的情况，需要将定制的聚醚醚酮薄膜粘贴在可以加热的铝合金基板表层，增强人工骨最底层的粘接力，有助于提高人工骨的成形质量和精度。
[0018]所述的铝合金基板也可以为其他导热性优良材料和形式的基板。
[0019]进一步，所述的3D打印系统喷头结构可以为柱塞式或者螺旋挤压式结构。
[0020]进一步，所述的聚醚醚酮3D打印系统的保温打印室可以采用不锈钢红外线加热圈加热或石英云母红外加热等方式进行温场调节。
[0021]进一步，所述的3D打印材料聚醚醚酮，也可以为碳纤维增强聚醚醚酮。
[0022]效果汇总
[0023]本发明利用CT、MR1、超声等医疗仪器获取患者待植入部位的医学图像数据，经过计算机的数据处理提取出患者医学图像中的骨组织数据，由三维建模软件进行人工骨三维建模，然后由3D打印系统进行人工骨的打印制造。本发明实现了熔点高、粘度大、流动性差、结晶类聚合物生物相容性材料聚醚醚酮的3D打印制造。突破现有3D打印设备打印保温室或成形室温度过低无法保证结晶聚合物顺利成形的现状。省去了制造模具的时间和成本，大幅缩短了制造周期，可以根据造型软件的设定来随时调整零件形状，满足了临床人工骨的个性化需求。并且大大降低了由于金属材料和人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收，以及金属植入体造成骨发炎、二次手术等问题。并且将聚醚醚酮制造成的人工骨植入人体后，完全达到人体正常骨骼的生理功能。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例提供的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法的流程图；
[0025]图2是本发明实施例提供的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法的原理图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]图1示出了本发明的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法的流程，如图所示，本发明是这样实现的，一种聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法包括:
[0028]SlOl:获取患者待植入部位的医学图像数据；
[0029]S102:从获取的医学图像数据中提取出所需要的骨组织数据；
[0030]S103:建立仿生人工骨的三维数字模型；
[0031]S104:对人工骨三维数字模型进行格式转化；
[0032]S105:将人工骨文件输入3D打印系统进行人工骨的三维实体制造；
[0033]S106:进行细胞毒性试验、动物试验、临床试验。具体步骤如下:
[0034]步骤一、获取患者待植入部位的医学图像数据S101。利用CT、MR1、超声等医疗仪器获取患者待植入部位的医学图像数据。
[0035]步骤二、从获取的医学图像数据中提取出所需要的骨组织数据S102。将步骤一中获取的获取患者待植入部位的医学图像数据输入计算机，对医学图像数据进行处理，提取出患者医学图像中的骨组织数据。
[0036]步骤三、建立仿生人工骨的三维模型S103。对步骤二中对提取的骨组织数据进行处理，采用逆向工程实现人工骨三维模型建立。
[0037]步骤四、将人工骨三维数字模型进行格式转化S104。采用三维建模软件将步骤三建立的人工骨三维数字模型转成3D打印系统可以识别的STL等格式文件。
[0038]步骤五、将人工骨文件输入3D打印系统进行人工骨的三维制造。
[0039]第一步，将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝用烘干箱以100°C _140°C的温度干燥12小时。
[0040]第二步，通过自制温控系统将3D打印系统喷头预热到1\(3401: -355°C )，打印平台预热到T2 (IlO0C -120。。)，打印室预热到T3 (200。。?230°C )。
[0041]第三步，通过控制系统将直径为0.3mm的3D打印喷嘴调至距打印平台0.2mm，随后双齿轮送丝机构将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝以匀速送入已经预热的喷头，3D打印系统喷头根据分层软件生成的人工骨轨迹行进，打印出聚醚醚酮人工骨的第一层，而后按照控制系统规划的轨迹路径，分别打印第2，3层，直至完成仿生聚醚醚酮人工骨的3D打印。
[0042]第四步，为了减轻聚醚醚酮人工骨在成形过程中的因内应力导致脆断、分层、翘曲等问题，将打印室温度T3由200°C?230°C以5°C -10°C / min的速度逐渐冷却到室温，然后再从打印室中取出仿生聚醚醚酮人工骨。
[0043]步骤六、将采用3D打印技术制造的仿生聚醚醚酮类人工骨进行细胞毒性试验、动物试验，最终进行临床试验。[0044]由于聚醚醚酮的内聚力强，不易与其他材料粘结，在分层加工中会产生与底板粘接不牢的情况，需要将定制的聚醚醚酮薄膜粘贴在可以加热的铝合金基板表层，增强人工骨最底层的粘接力，有助于提高人工骨的成形质量和精度。铝合金基板也可以为其他导热性优良材料和形式的基板。3D打印系统喷头结构可以为柱塞式或者螺旋挤压式结构。3D打印材料聚醚醚酮，也可以为碳纤维增强聚醚醚酮。
[0045]本发明利用CT、MR1、超声等医疗仪器获取患者待植入部位的医学图像数据，经过计算机的数据处理提取出患者医学图像中的骨组织数据，由三维建模软件进行人工骨三维建模，然后由3D打印系统进行人工骨的打印制造。本发明实现了熔点高、粘度大、流动性差、结晶类聚合物生物相容性材料聚醚醚酮的3D打印制造。省去了制造模具的时间和成本，大幅缩短了制造周期，可以根据造型软件的设定来随时调整零件形状，满足了临床人工骨的个性化需求。并且大大降低了由于金属材料和人体骨骼弹性模量差距过大而造成的应力遮挡、骨吸收，以及金属植入体造成骨发炎、二次手术等问题。并且将聚醚醚酮制造成的人工骨植入人体后，完全能达到人体正常骨骼的生理功能。
[0046]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，其特征在于，该聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法包括以下步骤:获取患者待植入部位的医学图像数据、从获取的医学图像数据中提取出所需要的骨组织数据、建立仿生人工骨的三维数字模型、将人工骨三维数字模型进行格式转化、将转化后的文件输入3D打印系统进行人工骨的三维制造、进行细胞毒性试验、动物试验、临床试验；具体步骤如下: 步骤一、采用CT、MR1、超声医疗仪器获取患者待植入部位的医学图像数据； 步骤二、将步骤一中获取的患者待植入部位医学图像数据输入计算机，对医学图像数据进行处理，提取出所需要的骨组织数据； 步骤三、对步骤二中提取的骨组织数据进行处理，利用逆向工程实现人工骨三维数字模型建立； 步骤四、利用三维建模软件将步骤三建立的人工骨三维数字模型转换成3D打印系统可以识别的STL格式文件； 步骤五、将人工骨的STL文件输入自制聚醚醚酮3D打印系统进行人工骨的三维实体制造； 步骤六、对采用3D打印技术制造的聚醚醚酮仿生人工骨进行细胞毒性试验，动物试验，最终进行临床试验。
2.如权利要求1所述的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，其特征在于，由于聚醚醚酮的内聚力强，不易与其他材料粘结，在分层加工中会产生与底板粘接不牢的情况，需要将定制的聚醚醚酮薄膜粘贴在3D打印系统铝合金基板表层；铝合金基板也可以用其他导热性优良材料的基板代替。
3.如权利要求1所述的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，其特征在于，所述的3D打印喷头结构可以为柱塞式或螺旋挤压式等送丝结构。
4.如权利要求1所述的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，其特征在于，所述的聚醚醚酮3D打印系统带有保温打印室，且打印室可以采用不锈钢红外线加热圈加热或石英云母红外加热等方式进行温场调节。
5.如权利要求1所述的聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法，其特征在于，步骤五中将人工骨的STL文件输入自制聚醚醚酮3D打印系统进行人工骨的三维实体制造进一步包括以下步骤: 第一步，将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝用烘干箱以100°C?140°C的温度干燥12小时； 第二步，通过自制温控系统将3D打印系统喷头预热到T1 (340°C?355°C )，铝合金基板预热到T2 (110。。?120。。)，打印室预热到T3 (200。。?2300C )； 第三步，通过控制系统将直径为0.3mm的3D打印喷嘴调至距打印平台0.2mm,随后双齿轮送丝机构将直径为1.6mm的聚醚醚酮丝匀速送入已经预热的喷头，3D打印系统喷头根据分层软件生成的人工骨轨迹行进，打印出聚醚醚酮人工骨的第一层，而后按照控制系统规划的轨迹路径，分别打印第2，3层，直至完成仿生聚醚醚酮人工骨的3D打印； 第四步，为了减轻聚醚醚酮人工骨在成形过程中因内应力导致的、脆断、分层、翘曲变形等问题，将打印室温度T3由200°C?230°C以5°C -10°C / min的速度逐渐冷却到室温，然后再从打印室中取出仿生聚醚醚酮人工骨。
【文档编号】B29C67/00GK103707507SQ201310675564
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】吴文征, 赵继, 姜振华, 张海博, 赵帝 申请人:吉林大学