采用激光選區(qū)燒結(jié)成型制備多孔鉭醫(yī)用植入材料的方法
【專利摘要】一種多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，采用粒徑≤10μm純鉭粉為原料，直接進行激光選區(qū)燒結(jié)成型人骨金屬仿生材料，激光選區(qū)燒結(jié)時的每層鋪粉厚度在60～80μm；再對成型的人骨金屬仿生材料進行包括燒結(jié)、冷卻得到多孔鉭醫(yī)用植入材料。采用上述激光選區(qū)燒結(jié)制得的成形坯料經(jīng)燒結(jié)、冷卻處理得到完全三維連通的多孔鉭醫(yī)用植入材料、與人體骨組織微觀結(jié)構(gòu)相一致，使該多孔金屬植入材料生物相容性、生物安全性好；本發(fā)明方法還具有工藝設(shè)備簡單、操作成本低，整個制備過程無污染、對人體無任何副作用、利于保證植入材料的生物安全性，同時成型速度快、非常利于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。
【專利說明】采用激光選區(qū)燒結(jié)成型制備多孔鉭醫(yī)用植入材料的方法
[0001]本發(fā)明申請是申請?zhí)?01210022123.6、申請日2012年01月31日，發(fā)明名稱“一種采用激光選區(qū)燒結(jié)成型制備多孔鉭醫(yī)用植入材料的方法”的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及多孔醫(yī)用金屬植入材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種采用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)制備多孔醫(yī)用金屬植入材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]多孔醫(yī)用金屬植入材料具有治療骨組織創(chuàng)傷和股骨組織壞死等重要而特殊的用途，現(xiàn)常見的這類材料有金屬不銹鋼、多孔金屬鈦等。作為骨組織創(chuàng)傷和股骨組織壞死治療使用的多孔植入材料，其孔隙度應(yīng)達30~80 %，而且孔隙最好全部連通與均勻分布，或根據(jù)需要孔隙部分連通與均勻分布，使之既與人體的骨組織生長相一致，又減輕了材料本身的重量，以適合人體植入使用。
[0004]而難熔金屬鉭，由于它具有優(yōu)秀的生物相容性和力學(xué)性能，其多孔材料有望作為替代前述等傳統(tǒng)醫(yī)用金屬生物材料，成為主要作為骨組織壞死治療的生物材料。由于金屬鉭對人體的無害、無毒、無副作用，以及隨著國內(nèi)外醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，對鉭作為人體植入材料認(rèn)知的進一步深入，人們對人體用多孔金屬鉭材料的需求變得越來越迫切，對其要求也越來越高。其中作為多孔醫(yī)用金屬鉭，如果能具有很高的均勻分布連通孔隙以及與人體相適應(yīng)的物理機械性能，則是保證新生骨組織正常生長的重要連接件構(gòu)成材料。
[0005]目前多孔鉭生物材料的制備方法主要有粉末松裝燒結(jié)法、泡沫浸潰燒結(jié)法，漿料發(fā)泡法等等，這些方法都需要應(yīng)用模具。而生物材料最大特點是形狀復(fù)雜，對微小的細節(jié)要求高，因此，對成型技術(shù)提出了很高的要求，然而傳統(tǒng)的成型技術(shù)由于受到模具的限制而無法滿足要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種簡便快捷、成本低的多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，制得的多孔鉭醫(yī)用植入材料生物相容性好。
[0007]本發(fā)明目的通過如下方案實現(xiàn):
一種多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，其特征在于:采用粒徑< 10 μ m(優(yōu)選采用5~10 μ m純鉭粉)純鉭粉為原料，直接進行激光選區(qū)燒結(jié)成型人骨金屬仿生材料，激光選區(qū)燒結(jié)時每層的鋪粉厚度在60~80 μ m ;再對成型的人骨金屬仿生材料進行包括燒結(jié)、冷卻得到多孔鉭醫(yī)用植入材料。
[0008]采用上述激光選區(qū)燒結(jié)制得的成形坯料經(jīng)燒結(jié)、冷卻處理得到孔隙完全三維連通的多孔鉭醫(yī)用植入材料、與人體骨組織微觀結(jié)構(gòu)相一致，使該多孔金屬植入材料生物相容性、生物安全性好。根據(jù)相應(yīng)植入的需要，本發(fā)明還可通過調(diào)節(jié)激光選區(qū)燒結(jié)成型及燒結(jié)的工藝參數(shù)來控制最終多孔鉭的孔隙度、同時使其力學(xué)性能與人體相應(yīng)的骨組織相一致，避免多孔鉭與人體力學(xué)性能不匹配而造成的應(yīng)力集中從而影響植入體的長期效果，以此來滿足不同的要求；如調(diào)控相應(yīng)工藝參數(shù)可制備替代人體承重部位骨組織如股骨、面股等多孔鉭植入材料，也可制備替代人體非承重骨組織的多孔鉭植入材料。本發(fā)明激光選區(qū)燒結(jié)方法中采用的激光燒結(jié)器是公知的，激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)是一種基于激光燒結(jié)的快速成型的技術(shù)，采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的試樣，其整個工藝過程包括三維模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)成形等，目前，可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。可根據(jù)需要調(diào)整成型樣品的形狀，激光選區(qū)燒結(jié)器的使用是將設(shè)計好的三維模型文件輸入到成型設(shè)備配套軟件中進行激光選區(qū)燒結(jié)，這是本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)。本發(fā)明方法還具有工藝設(shè)備簡單、操作成本低，整個制備過程無污染、對人體無任何副作用、利于保證植入材料的生物安全性，同時成型速度快、非常利于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。
[0009]進一步，為了制得適合于替代人體承重骨組織的多孔鉭醫(yī)用植入材料，本發(fā)明激光選區(qū)燒結(jié)成型過程優(yōu)選的工藝參數(shù)為:激光功率在50~65W，掃描速度為15~25mm/s，掃描間距為0.05~0.15mm,每層鋪粉層厚為60~80 μ m,整個成型過程在氬氣保護氣氛中進行，氬氣純度大于99.999%。
[0010]更具體地說，本發(fā)明多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法具體如下:
1、激光選區(qū)燒結(jié)成型:將粒徑為5~10μ m純鉭粉輸送到成型平臺上，滾壓鋪層，再將設(shè)計好的多孔鉭植入材料的UG三維模型文件輸入到成型設(shè)備配套軟件，并進行激光選區(qū)燒結(jié)；激光選區(qū)燒結(jié)的工藝參數(shù)為:激光功率在50~65W，掃描速度為15~25mm/s，掃描間距為0.05~0.15mm, 每層鋪粉層厚為60~80 μ m,整個成型過程在氬氣保護氣氛中進行，IS氣純度大于99.999% ；
2、上述所得成型坯料的真空燒結(jié)、冷卻:第一個階段是高溫真空燒結(jié)階段，以10~15。。/min的速率升至1200~1250°C，保溫30~60min,真空度為KT4Pa~KT3Pa ;以10~200C /min的速率升至1500°C，保溫30~60min，真空度為KT4Pa~l(T3Pa，以6~20°C /min的速率升至2000~2200°C，保溫120~240min，真空度為KT4Pa~KT3Pa ;第二個階段為緩慢冷卻階段，真空度為KT4Pa~KT3Pa ;以10~20°C /min的速率冷卻至1500~1600。。，保溫30~60min ;以12~20°C /min的速率冷卻至1200~1250°C，保溫60~90min ；以
10~20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻。
[0011]為了燒結(jié)得更均勻、透徹，使制得的多孔鉭植入材料強韌性更好、適合作為替代人體承重部位骨組織如股骨、面股等多孔鉭植入材料，上述對成型坯料的燒結(jié)工藝優(yōu)選按如下步驟進行:在真空度為KT4Pa~l(T3Pa，以10~20°C /min升溫至1500~1800°C、保溫120~240min、隨爐冷至200~300°C，再以10~20°C /min升溫至1500~1800°C、保溫180 ~240min，以 5 ~10°C /min 升溫至 2000 ~2200°C、保溫 120 ~360min。
[0012]為了更充分地消除多孔鉭植入材料的內(nèi)應(yīng)力、使其組織更均勻，進一步提高韌性，上述燒結(jié)、冷卻后還進行退火處理，所述退火處理步驟是真空度為10_4Pa~10_3Pa，以10~200C /min升溫至800~900°C、保溫240~480min，再以2~5°C /min冷至400°C、保溫120~300min，然后隨爐冷卻至室溫。
[0013]本發(fā)明所述的激光選區(qū)燒結(jié)成型過程采用的激光選區(qū)燒結(jié)裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)輸送的純鉭粉以形成零件的一個層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新的鉭粉，控制激光束再掃描燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維試樣成型，最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件得到成型坯料，整個激光選區(qū)燒結(jié)處于一個真空環(huán)境中。
[0014]最優(yōu)選地，一種制備多孔鉭醫(yī)用植入材料的方法，按以下步驟進行:
1、激光選區(qū)燒結(jié)成型:將粒徑為5~10μ m純鉭粉輸送到成型平臺上，滾壓鋪層，再將設(shè)計好的多孔鉭植入材料的UG三維模型文件輸入到成型設(shè)備配套軟件，并進行激光選區(qū)燒結(jié)；激光選區(qū)燒結(jié)的工藝參數(shù)為:激光功率在55~60W，掃描速度為15~25mm/s，掃描間距為0.05~0.15mm,每層鋪粉層厚為70~75 μ m,整個成型過程在氬氣保護氣氛中進行，IS氣純度大于99.999% ；
2、上述所得成型坯料的真空燒結(jié)、冷卻、退火:第一個階段是高溫真空燒結(jié)階段，在真空度為 IO4Pa ~l(T3Pa，以 10 ~20°C /min 升溫至 1500 ~1800°C、保溫 120 ~240min、隨爐冷至200~300°C，再以10~20°C /min升溫至1500~1800°C、保溫180~240min，以5~10°C /min升溫至2000~2200°C、保溫120~360min ;第二個階段為緩慢冷卻階段，真空度為IO4Pa~KT3Pa ;以10~20°C /min的速率冷卻至1500~1600°C，保溫30~60min ；以12~20°C /min的速率冷卻至1200~1250°C，保溫60~90min ;以10~20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻；第三個階段為退火，真空度為KT4Pa~10_3Pa，以10~200C /min升溫至800~900°C、保溫240~480min，再以2~5°C /min冷至400°C、保溫120~300min，然后隨爐冷卻至室溫。
[0015]本發(fā)明具有如下的有益效果:
本發(fā)明激光選區(qū)燒結(jié)成型工藝制得的多孔鉭醫(yī)用植入材料實現(xiàn)了孔隙完全三維連通，其與人體骨組織微觀結(jié)構(gòu)相一致，材料的生物相容性、生物安全性優(yōu)異，同時本方法還實現(xiàn)了根據(jù)需要靈活調(diào)整坯料樣品的形狀。結(jié)合優(yōu)選的燒結(jié)后處理等工藝，本發(fā)明制得的多孔鉭醫(yī)用植入材料密度可達5.00~7.0Og/cm3，孔隙的分散度高、孔隙度可達60~80%，孔隙完全三維連通且分布均勻、生物相容性好，孔徑可在200 μ m~400 μ m ;彈性模量可達
5.0~6.5Gpa、彎曲強度可達125~145Mpa、抗壓強度可達80~90Mpa,非常適合作為替代人體承重骨組織的植入材料。再者，本發(fā)明制備方法工藝簡單、易控；整個制備過程無害、無污染、無毒害粉塵，對人體無任何副作用。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明所述制備方法制得多孔鉭的微觀結(jié)構(gòu)的立式顯微鏡分析圖；從附圖可觀察到:本發(fā)明制得的多孔鉭孔隙完全三維連通，且分布均勻。
【具體實施方式】
[0017]下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0018]實施例1
一種多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，將粒徑為5μπι的純鉭粉末輸送到三維打印的平臺上，滾壓鋪層，設(shè)計要制備的樣品尺寸為Φ IOXlOOmm,并將其UG文件輸入成型設(shè)備中，進行激光選區(qū)燒結(jié)成型。計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)輸送的純鉭粉以形成零件的一個層面，粉末完成一層后，工作活塞下降50 μ m，鋪粉系統(tǒng)鋪上新的鉭粉、每層鋪粉層厚為80 μ m，控制激光束再掃描燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維試樣成型。然后取出成型樣品，放入真空爐中進行高溫真空燒結(jié)，以10~15°C /min的速率從室溫升至1200°C，保溫l.0h，真空度為IXKT4Pa ;以10°C /min的速率升至1500°C，保溫l.0h，真空度為I X KT4Pa~I X KT3Pa ;以6°C /min的速率升至2100°C，保溫3h，真空度為IXlO-3Pa ;燒結(jié)完畢，真空度為I X KT4Pa~I X KT3Pa;以150C /min的速率冷卻至1250°C，保溫Ih ;以13°C /min的速率冷卻至800°C，保溫1.5h，然后隨爐冷卻；制得的多孔鉭醫(yī)用植入材料孔隙完全三維連通，發(fā)明人按GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001等標(biāo)準(zhǔn)測得其密度為5.31g/cm3，孔隙度約為70%，抗壓強度65.2MPa,彎曲強度73.8MPa,彈性模量2.6GPa。
[0019]實施例2
一種多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，將粒徑為10 μ m的純鉭粉末輸送到三維打印的平臺上，滾壓鋪層，設(shè)計要制備的樣品尺寸為Φ IOXlOOmm,并將其UG文件輸入成型設(shè)備中，進行激光選區(qū)燒結(jié)成型。計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)輸送的純鉭粉以形成零件的一個層面，粉末完成一層后，工作活塞下降50 μ m，鋪粉系統(tǒng)鋪上新的鉭粉，控制激光束再掃描燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維試樣成型；激光選區(qū)燒結(jié)過程中，激光功率在65W,掃描速度為15mm/s,掃描間距為0.1mm,每層鋪粉層厚為70 μ m，整個成型過程在氬氣保護氣氛中進行，氬氣純度大于99.999%。然后取出成型樣品，放入真空爐中進行高溫真空燒結(jié)，以13°C /min的速率從室溫升至1250°C，保溫0.5h，真空度為I X 10_4Pa ;以20°C /min的速率升至1500°C，保溫0.5h，真空度為I X KT4Pa ~I X KT3Pa ;以 20°C /min 的速率升至 2200°C，保溫 240min,真空度為 I X KT3Pa ；燒結(jié)完畢，真空度為I X KT4Pa~IXlO-3Pa ;以15°C /min的速率冷卻至1550°C，保溫Ih ；以18°C /min的速率冷卻至1200°C，保溫1.5h，以12°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻；制得的多孔鉭醫(yī)用植入材料孔隙完全三維連通，發(fā)明人按GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001等標(biāo)準(zhǔn)測得其密度為5.82g/cm3，孔隙度約為65%，抗壓強度70.5MPa,彎曲強度82.3MPa,彈性模量3.3GPa。
[0020]實施例3~7:按以下步驟及工藝參數(shù)進行，其余同實施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔鉭醫(yī)用植入材料的制備方法，將粒徑為10 μ m的純鉭粉末輸送到三維打印的平臺上，滾壓鋪層，設(shè)計要制備的樣品尺寸為Φ ?ο X 100mm,并將其UG文件輸入成型設(shè)備中，進行激光選區(qū)燒結(jié)成型；計算機根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)輸送的純鉭粉以形成零件的一個層面，粉末完成一層后，工作活塞下降50 μ m，鋪粉系統(tǒng)鋪上新的鉭粉，控制激光束再掃描燒結(jié)新層，如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維試樣成型；激光選區(qū)燒結(jié)過程中，激光功率在58W，掃描速度為19mm/s，掃描間距為0.13mm，每層鋪粉層厚為80 μ m,整個成型過程在氬氣保護氣氛中進行，氬氣純度大于99.999% ;然后取出成型樣品，放入真空爐中進行高溫真空燒結(jié)，17°C /min的速率從室溫升至1750°C，保溫135min，隨爐冷至26 0°C，真空度為KT4Pa ;以15°C /min的速率升至1650°C，保溫220min ；以7.5°C/min的速率升至2150°C，保溫160min，真空度為KT3Pa ;真空度為KT4Pa~KT3Pa ；以15°C /min的速率冷卻至1520°C，保溫45min ;以16°C /min的速率冷卻至1220°C，保溫60min ;以13°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻；燒結(jié)完畢，真空度為10_4Pa~10?,以 20°C /min 升溫至 850°C、保溫 420min，再以 4°C /min 冷至 400°C、保溫 270min，然后隨爐冷卻至室溫。
【文檔編號】C22C27/02GK103740963SQ201310692704
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月31日
【發(fā)明者】葉雷 申請人:重慶潤澤醫(yī)藥有限公司