一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于制备纳米陶瓷骨组织工程支架的3D打印机，该打印机以光纤激光器为能量，三维运动采用水平运动和垂直运动机构分离的方式实现，并具有抽真空功能和预热功能。其特征在于基座上设有X-Y方向平面运动机构，在所述的X-Y方向平面运动机构上装有成型支板，在所述的基座上还设有支架，在所述的支架上设有Z方向竖直升降机构，在所述的Z方向竖直升降机构上安装有激光聚焦系统，以上所述的部件置放在真空抽气室中。本发明利用激光快速加热与冷却的特点控制晶粒长大使所制备骨组织工程支架具有纳米结构，采用快速成型工艺实现骨支架具有个性化外形，通过调节激光光斑大小和扫描间距控制支架的微孔结构。
【专利说明】一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备骨组织工程支架的设备，具体涉及一种利用光纤激光选择性烧结陶瓷粉末制备纳米陶瓷骨组织工程支架的三维(3D)打印机。
【背景技术】
[0002]人体由于创伤、肿瘤、畸形等引起的骨缺损和功能丧失常需要植入替代物加以修复。组织工程为骨缺损修复提供了一种新的选择，其方法是利用生物降解材料做成三维多孔支架，种植骨细胞在支架内繁殖生长，在生长因子诱导下成骨，支架材料在骨生长的同时逐渐降解直至被完全吸收，最终替代骨缺损组织。
[0003]生物活性陶瓷因具有无毒、耐腐蚀、弹性模量与人体组织相当、良好的生物相容性和生物活性等优点成为最有潜力的骨组织工程材料，但由于脆性大、韧性低，导致它的使用可靠性和抗破坏能力差。纳米陶瓷由于晶粒尺寸小，比表面积大，位错运动大，材料不易穿晶断裂，又由于晶粒的细化使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使材料具有塑性行为；因此纳米结构是解决陶瓷脆性的战略途径。
[0004]由于激光具有能量高度集中、方向性好且可控的特性，利用激光烧结成形纳米材料时，粉末受热区域小、烧结时间极短，能达到骤热骤冷的效果，这使纳米颗粒失去生长空间从而制备具有纳米结构的组织工程骨。激光烧结纳米材料为纳米陶瓷的制备开辟了一条新思路。
[0005]同时骨组织工程支架还应具有与骨缺损部位相稳合的外形和有利于细胞繁殖生长的多孔结构。选择性激光烧结是一种利用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的快速成型技术。利用选择性激光3D打印技术制备的组织工程骨，可以具有个性化外形和可控微孔结构。
【发明内容】
[0006]本发明公开了一种用于制备纳米陶瓷骨组织工程支架的3D打印机，该打印机以光纤激光器为能量，三维运动采用水平运动和垂直运动机构分离的方式实现，并具有抽真空功能和预热功能，具体实现方案如下:
[0007]在结构上，基座上设有X-Y方向水平运动机构，在所述的X-Y方向水平运动机构上装有成型支板，在所述的基座上还设有支架，在所述的支架上设有Z方向垂直运动机构，在所述的Z方向垂直运动机构上安装有激光聚焦系统，在所述的基座上还设有光纤激光器，所述的光纤激光器和所述的激光聚焦系统由光纤连接，以上所述的部件置放在真空抽气室中。
[0008]本发明中的激光器选用连续光纤激光器，额定输出功率100W，输出功率在IW到10ff范围内可调，激光聚焦后最小光斑25-50 μ m,聚焦距离20mm。
[0009]本发明中所述的X-Y方向水平运动机构和所述的Z方向垂直运动机构的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节。X-Y方向水平运动机构由计算机根据几何模型信息进行控制，按截面轮廓和填充路径扫描，满足各种成型路径要求；Z方向垂直运动机构可在一层烧结完成后带动激光聚焦系统上升预定高度。
[0010]本发明所设计的成型机具有密闭式真空抽气室，在成型前成型室先抽真空，再充入高纯度氮气保护气体，至常压后，再边充保护气体边成型。
[0011]本发明中所述的成型支板上安装有加热电阻丝，采用PID控制。
[0012]发明的光纤激光3D打印机所提供的制备纳米陶瓷骨组织工程支架的具体工艺为:首先，在成型支板上铺层纳米陶瓷粉末，在计算机的控制下激光以设定的扫描扫描路径选择性的烧结粉末，形成一定厚度的致密层，而未烧结区域的粉末仍保持松散状并作为成型件的支撑。每一层加工完成后，激光上升一个烧结层厚度的高度，再次铺粉后，开始下一层的烧结。新的烧结层会和上一层粘结为一体，如此反复直至所有工序完成。移除未烧结的粉末即可获得骨组织工程支架。
[0013]与现有骨组织工程支架成型机相比，本发明具有如下显著特点:
[0014](I)采用光纤激光器。光纤激光器具有聚焦光斑小、高稳定输出、功率衰减慢、使用寿命长、低噪音等优点，有利于提高成型骨组织工程支架质量。
[0015](2)X-Y方向水平运动机构与Z方向垂直运动机构分离，运动副少，稳定可靠，使用维护简单。采用伺服电机和滚珠丝杆组合的方法，可实现微进给和高速进给，有利于保证骨组织工程支架的成型精度。
[0016](3)真空室抽空系统内部充有高纯度氮气，用于产生高质量成型环境，成型支板上安装有加热电阻丝，可在制备骨组织工程支架时对待加工粉层进行预热处理，减少加工制备骨组织工程支架时的热应力。
[0017](4)利用激光成型烧结时间极短，能达到骤热骤冷的效果，使纳米颗粒失去生长空间从而所制备的骨组织工程支架具有纳米结构。
[0018](5)所制备的骨组织工程支架，通过快速成型方法具有个性化外形，通过调节激光光斑大小和扫描间距实现对微孔结构的控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明提供的3D打印机的三维几何图。
[0020]图2是本发明提供的3D打印机的右视图。
[0021]图3是本发明提供的3D打印机的激光器与激光聚焦系统安装尺寸。
[0022]图4是本发明提供的3D打印机的激光聚焦系统在Z方向运动机构上的组装图。
【具体实施方式】
[0023]结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步阐述。
[0024]参见图1、图2、图3和图4，基座上⑴设有X-Y方向水平运动机构(2)，在所述的X-Y方向水平运动机构(2)上装有成型支板(3)，在所述的基座(I)上还设有支架(4)，在所述的支架(4)上设有Z方向垂直运动机构(5)，在所述的Z方向垂直运动机构(5)上安装有激光聚焦系统(7)，在所述的基座(I)上还设有光纤激光器￠)，所述光纤激光器(6)和所述激光聚焦系统(7)由光纤(8)连接，以上所述的部件置放在真空抽气室(9)中。
[0025]本发明中的激光器选用法国3S Photonics公司生产的ML100-CW-R-TKS-F0CUSER连续光纤激光器，额定输出功率100W，采用ACC控制模式，输出功率在IW到10W范围内可调，激光聚焦最小光斑在25-50 μ m,聚焦距离20mm,激光器具有低噪音、高稳定输出、使用寿命长、功率衰减慢、聚焦光斑小等优点，有利于提高成形骨组织工程支架质量。
[0026]本发明中所述的X-Y方向水平运动机构和所述的z方向垂直运动机构的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，X和Y轴螺距为5mm，步进角1.8° /脉冲，Z轴螺距为4mm，步进角0.9° /脉冲，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节。X-Y方向水平运动机构由计算机根据几何模型信息进行控制调节可实现任意形式平面运动，满足各种成型路径要求；Z方向垂直运动机构可在一层烧结完成后带动激光聚焦系统上升预定高度。
[0027]本发明所设计的三维打印机具有真空室抽空系统，在成型前成型室先抽真空，再充入高纯度氮气保护气体，至常压后，再边充保护气体边成型。成型室使用全密闭焊接真空室可以最大程度降低气体消耗量，而且坚固耐用。
[0028]本发明中所述的成型支板上安装有加热电阻丝，采用PID控制，可在制备骨组织工程支架时对待加工粉层进行预热处理，减少加工时所制备骨组织工程支架的热应力。
[0029]利用本发明所公布的3D打印机制备骨组织工程支架其具体工艺为:首先，在计算机上设计出待植入骨组织工程支架的CAD模型，并转化成STL文件。再对STL文件进行横截面切片处理，生成激光扫描路径。制备时，成型支板上均匀铺层纳米陶瓷粉末，铺粉厚度不超过0.1mm，预热后，在计算机的控制下激光光束以特定的激光功率与X-Y方向水平运动机构以设定的扫描速度、扫描路径等参数作相对运动选择性扫描烧结粉末。激光扫描处的粉末吸收能量烧结形成一定厚度的致密层，而未辐射区域的粉末仍保持松散状并作为成型件的支撑。每一层加工完成后，Z方向垂直运动机构带动激光聚焦系统相应的上升一个烧结层的厚度，等待完成再次铺粉及预热后，开始下一层的烧结。新的烧结层会和上一层粘结为一体，如此反复直至所有工序完成。所有扫描步骤结束后，移除烧结试件周围未烧结的粉末即可获得骨组织工程支架。
【权利要求】
1.一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机，其特征是:基座上设有X-Y方向水平运动机构，在所述的X-Y方向水平运动机构上装有成型支板，在所述的基座上还设有支架，在所述的支架上设有Z方向垂直运动机构，在所述的Z方向垂直运动机构上安装有激光聚焦系统，在所述的基座上还设有光纤激光器，所述的光纤激光器和所述的激光聚焦系统由光纤连接，以上所述的部件置放在真空抽气室中。
2.根据权利要求1所述的一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机，其特征在于所述激光器选用连续光纤激光器，额定输出功率100W，输出功率在IW到10W范围内可调，激光聚焦后最小光斑25-50 μ m，聚焦距离20mm。
3.根据权利要求1所述的一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机，其特征在于所述的X-Y方向水平运动机构和所述的Z方向垂直运动机构的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节，X-Y方向水平运动机构由计算机根据几何模型信息进行控制，按截面轮廓和填充路径扫描，满足各种成型路径要求；z方向垂直运动机构可在一层烧结完成后带动激光聚焦系统上升预定高度。
4.根据权利要求1所述的一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机，其特征在于在成型前所述的成型室先抽真空，再充入高纯度氮气保护气体，至常压后，再边充保护气体边成型；所述成型支板上安装有加热电阻丝，采用PID控制。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种制备纳米陶瓷骨组织工程支架的光纤激光三维打印机，其特征在于所制备骨组织工程支架具有纳米结构、个性化外形和可控的微孔。
【文档编号】C04B35/64GK104276826SQ201310282818
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】帅词俊, 彭淑平, 胡焕隆 申请人:中南大学