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一种高抗菌性钛 合金人工髋关节的成形方法

阅读：1032发布：2020-06-28

专利汇可以提供一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，包括以下工艺步骤：（1）患者髋关节数据模型的CT扫描、分层切片处理；（2）钛- 铜合金粉末的设计及制备；（3）钛合金人工髋关节的激光3D打印成形；（4）通过阳极氧化技术原位构筑具有维纳尺度多孔结构表面的钛合金人工髋关节；（5）采用等离子高温氮化工艺进一步提升其抗菌性能；（6）清洗、灭菌、干燥后封装。本发明充分结合激光3D打印技术、表面改性工艺及铜元素优异的抗菌性能，实现人工髋关节复杂结构与高抗菌功能的一体化制造。本发明的成形方法简单、性能卓著，适用于高抗菌性钛合金人工髋关节的个性化定制，具有良好的社会效应与经济效益。，下面是一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：利用激光3D打印、表面改性工艺成形高抗菌性钛合金人工髋关节，具体包括以下步骤：
步骤（1）：通过CT机扫描患者髋关节，获得3D数据模型，并对模型进行分层切片处理；
步骤（2）：将钛合金粉、铜粉按比例称重后，采用高能球磨机对钛合金粉及铜粉进行球磨混合，得到钛-铜合金粉末；
步骤（3）：将步骤（1）中经处理的髋关节3D数据模型导入激光3D打印系统，对步骤（2）所述的钛-铜合金粉末进行3D打印精密成形髋关节；
步骤（4）：将步骤（3）中所成形的钛-铜合金髋关节在电解液中进行阳极氧化处理，构筑具有维纳尺度的多孔结构表面的钛合金人工髋关节；
步骤（5）：将步骤（4）中所述的维纳尺度的多孔结构表面的髋关节置于等离子高温氮化炉中，进行高温氮化处理，获得Ti-Cu-N高抗菌性人工髋关节；
步骤（6）：将步骤（5）中所述的高抗菌性人工髋关节在超净室进行清洗、灭菌及干燥处理后，进行封装保存备用。
2.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（1）中，所述模型进行分层切片处理的层厚均为30 μm。
3.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（2）中，所述钛合金为医用纯钛、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti-Zr合金中的一种，平均粒径为30 μm，所述铜粉平均粒径为50 nm。
4.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（2）中，所述钛合金粉、铜粉比例为：铜粉重量比为1～5 %，钛合金重量比为99～95 %。
5.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（2）中，所述高能球磨机的工艺条件为：转速为400 rpm，球磨时间为2 h，纯度为
99.99%的氩气为保护气氛。
6.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（3）中，所述激光3D打印成形工艺参数设定为：激光功率为100～250 W，扫描速度为
200～2000 mm/s，扫描间距为60 μm，激光光斑为70 μm。
7.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（4）中，所述电解液的体积分数组成为：氢氟酸5 %，乙二醇92 %，双氧水3 %。
8.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（4）中，所述阳极氧化工艺条件为：工作电压8V，工作电流1 A，氧化时间为5～20 min。
9.根据权利要求1所述的一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：上述步骤（5）中，所述高温氮化处理工艺条件为：氮气纯度为99.9 %，氮气流量为50 ml/min，高温氮化温度550 °C，高温氮化时间为4 h。

说明书全文

一种高抗菌性钛 合金人工髋关节的成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，特别是一种基于激光3D打印的高抗菌性Ti-Cu人工髋关节的成形方法，属于医用骨植入器械制造领域。

背景技术

[0002] 近年来，因全球人口老龄化程度的不断加剧和意外伤害的增加，人工髋关节的需求量激增。钛及其合金因弹性模量低、比强度高、耐蚀性和生物相容性优等特点而被广泛选用作为制作人工关节材料，如临床使用的纯钛、Ti6Al4V（TC4）。现阶段，国内市场上使用的人工髋关节植入体多数采用铸造与机械加工组合工艺加工制造。然而，因人体髋关节宏观结构较复杂，传统工艺方法加工精度低，植入人体后易造成个体适配性差、术后活动轨迹与受力异常，最终导致植入体点-面接触方式磨损和人工关节松动的风险增大，从而致使术后关节翻修率的增加。

[0003] 随着激光技术与智能制造技术的飞速发展，基于增材制造原理的激光金属3D打印技术因成形速度快、精度高等优点而被广泛应用于生物医疗、航空航天及汽车制造等诸多领域。特别是能一次性成形空间结构复杂、薄壁构件，大幅减少加工工序，缩短加工周期。CN104498940A 利用增材制造直接成形组织与性能完全符合医用钛合金人工关节的标准个性化定制的钛合金人工关节。

[0004] 然而，钛合金人工关节对细菌粘附往往比较敏感，更容易引发细菌感染。为了赋予材料表面抗菌性能，需依据细菌感染的发生机制，有针对性地进行抗菌表面的构建，赋予其抗菌性能，以减少细菌的粘附与繁殖，进而避免感染的发生。增强钛合金人工关节抗菌能力、减少表面细菌感染受到国内外学者的广泛关注。CN103110981A 采用通过紫外光照诱导在活性氧化钛纳米管阵列内部掺杂沉积抗菌银粒子，在医用钛合金表面制备生物活性的氧化钛纳米管阵列抗菌涂层。CN101766840A 采用离心负载技术在钛合金人工关节表面获得掺银的钛酸钠纳米管阵列层，以提升其抗菌性能。CN102676985A 利用辉光离子渗技术在医用钛合金表面制备抗菌渗铜层。吴海波等利用磁控溅射技术在医用纯钛表面溅射Ti-Cu 薄膜，结合微弧氧化和离子高温氮化技术，制备Cu-TiO2和Ti-Cu-N抗菌涂层。但载有抗菌涂层的钛合金人工关节植入人体后，在载荷与腐蚀摩擦交互作用下，抗菌涂层与基体结合强度低、易产生应力变形与裂纹，甚至断裂失效，进而降低其服役寿命。更为重要的是，断裂的抗菌涂层易损伤植入体周围组织，增加患者痛苦。因此，开发一种高抗菌性、服役寿命长的钛合金人工关节显得尤为重要，能显著降低患者的病痛与二次手术费用，具有良好的社会效应与经济效益。

发明内容

[0005] 发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，该方法基于铜元素优异的临床抗菌性能，采用先进的激光3D打印技术进行精密成形结构复杂的钛合金人工髋关节，通过阳极氧化与等离子高温氮化等表面改性技术原位构筑维纳尺度多孔结构的Ti-Cu-N表面，最终获得高抗菌性钛合金人工髋关节，以进一步提升其在人体复杂生理环境下的服役性能要求。

[0006] 技术方案：为解决上述技术难题，本发明可采用以下技术方案来实现：一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：利用激光3D打印、表面改性工艺成形高抗菌性钛合金人工髋关节，具体包括以下步骤：步骤（1）：通过CT机扫描患者髋关节，获得3D数据模型，并对模型进行分层切片处理；
步骤（2）：将钛合金粉、铜粉按比例称重后，采用高能球磨机对钛合金粉及铜粉进行球磨混合，得到钛-铜合金粉末；
步骤（3）：将步骤（1）中经处理的髋关节3D数据模型导入激光3D打印系统，对步骤（2）所述的钛-铜合金粉末进行3D打印精密成形髋关节；
步骤（4）：将步骤（3）中所成形的钛-铜合金髋关节在电解液中进行阳极氧化处理，构筑具有维纳尺度的多孔结构表面的钛合金人工髋关节；
步骤（5）：将步骤（4）中所述的维纳尺度的多孔结构表面的髋关节置于等离子高温氮化炉中，进行高温氮化处理，获得Ti-Cu-N高抗菌性人工髋关节；
步骤（6）：将步骤（5）中所述的高抗菌性人工髋关节在超净室进行清洗、灭菌及干燥处理后，进行封装保存备用。

[0007] 进一步地，上述步骤（1）中，所述模型进行分层切片处理的层厚均为30 μm。

[0008] 进一步地，上述步骤（2）中，所述钛合金为医用纯钛、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti-Zr合金中的一种，平均粒径为30 μm，所述铜粉平均粒径为50 nm。

[0009] 进一步地，上述步骤（2）中，所述钛合金粉、铜粉比例为：铜粉重量比为1～5 %，钛合金重量比为99～95 %。

[0010] 进一步地，上述步骤（2）中，所述高能球磨机的工艺条件为：转速为400 rpm，球磨时间为2 h，纯度为99.99%的氩气为保护气氛。

[0011] 进一步地，上述步骤（3）中，所述激光3D打印成形工艺参数设定为：激光功率为100～250 W，扫描速度为200～2000 mm/s，扫描间距为60 μm，激光光斑为70 μm。

[0012] 进一步地，上述步骤（4）中，所述电解液的体积分数组成为：氢氟酸5 %，乙二醇92 %，双氧水3 %。

[0013] 进一步地，上述步骤（4）中，所述阳极氧化工艺条件为：工作电压8V，工作电流1 A，氧化时间为5～20 min。

[0014] 进一步地，上述步骤（5）中，所述高温氮化处理工艺条件为：氮气纯度为99.9 %，氮气流量为50 ml/min，高温氮化温度550 °C，高温氮化时间为4 h。

[0015] 现阶段，较多数钛合金人工髋关节均通过传统的铸造+机械加工实现其制造成形。因人体髋关节特殊的空间结构，致使制造工艺较为复杂，生产周期与成本较高。然而，传统工艺方法没有考虑不同患者膝关节形状与尺寸的个性化差异，将直接造成人工髋关节与不同患者不能进行最佳匹配，致使其个体适配性差，术后人工关节活动轨迹与受力异常，最终导致植入体腐蚀磨损、无菌松动的风险剧增，进而导致术后患者承受痛苦的比例和翻修率的增加。

[0016] 现有技术制备的抗菌涂层主要通过众多表面改性方法，在钛合金表面沉积载有含抗菌性的Cu或Ag涂层，提高了钛合金人工髋关节的抗菌性能。但上述抗菌涂层与基体存在成分、结构组织的差异，结合强度弱，在人体负载和腐蚀摩擦交互影响作用下，抗菌涂层内部易产生应力，导致其内部裂纹萌生，最终致使抗菌涂层断裂失效，对患者带来更为严重的痛苦与经济负担。本发明的成形方法中，基于铜元素良好的抗菌功能，通过先进的激光3D打印制造技术，实现空间三维结构异常复杂的Ti-Cu人工髋关节的精密成形；利用阳极氧化技术在上述钛合金人工髋关节表面原位构筑微纳尺度多孔结构，进一步促进骨组织细胞在植入体表面的依附生长，增强其结合强度，同时原位生长的多孔结构为铜离子的释放提供了通道；此外采用等离子体高温氮化技术，将上述构筑微纳尺度多孔结构经高温氮化处理形成Ti-Cu-N层，进一步提升其抗菌性能。本发明创新性地将先进的制造技术，简易可行的表面改性方法，并融合铜元素优异的抗菌功能，成形高抗菌性能、服役寿命的钛合金人工髋关节，不仅缩短了生产周期、节约生产成本，也提高了钛合金人工髋关节的综合性能，实现其个性定制，满足不同患者的使用需求，为患者带来了福音。

[0017] 综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：1、本发明基于铜元素优异的抗菌性能，采用先进的激光3D打印制造技术成形空间三维结构复杂的Ti-Cu合金抗菌人工髋关节，实现了结构与功能的一体化成形，具有成形精度高、效率高等特性，满足不同患者置换所需的髋关节性能需求。

[0018] 2、利用工艺成熟的阳极氧化技术在成形的钛合金人工髋关节表面原位构筑微纳尺度多孔结构，促进人体骨组织细胞在植入体表面的依附生长，促进骨组织与人工髋关节的嵌入式连接，显著增强其结合强度，同时原位生长的多孔结构为抗菌性铜离子的释放提供了通道。

[0019] 3、本发明利用采用等离子体高温氮化技术，将构筑微纳尺度多孔结构经高温氮化处理形成具有稳定结构组织的Ti-Cu-N抗菌层，进一步提升其抗菌性能及服役性能。

[0020] 4、本发明中将抗菌性铜元素均匀分散于钛合金人工髋关节中，使其整体具有抗菌功能，即使在植入人体后经历磨损，仍具有持久的抗菌功能。附图说明

[0021] 图1为实施例1制得的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节表面形貌图；图2为实施例3制得的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节表面形貌图；
图3为实施例5制得的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节表面形貌图。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0023] 实施例1本发明提供一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，利用激光3D打印、表面改性工艺成形高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节，具体包括以下步骤：
步骤（1）：通过CT机扫描患者髋关节，获得3D数据模型，并对模型进行分层切片处理，层厚均为30 μm；
步骤（2）：将平均粒径为30 μm的医用纯钛粉99 %、平均粒径为50 nm铜粉按质量分数为
1 %称重后，采用高能球磨机对钛合金粉及铜粉在转速为400 rpm、在纯度为99.99%的氩气保护条件下进行球磨混合2 h，得到钛-铜合金粉末；
步骤（3）：将步骤（1）中所述经处理的髋关节3D数据模型导入激光3D打印系统，并选择合适的激光成形工艺参数：激光功率为100 W，扫描速度为200 mm/s，扫描间距为60 μm，激光光斑为70 μm，对步骤（2）所述的钛-铜合金粉末进行3D打印精密成形髋关节；
步骤（4）：将步骤（3）中所成形的钛-铜合金髋关节在体积分数为氢氟酸5 %，乙二醇92 %，双氧水3 %的电解液中进行阳极氧化处理，其中，工作电压8V，工作电流1 A，氧化时间为
10 min，构筑具有微纳尺度多孔结构表面的钛合金人工髋关节；
步骤（5）：将步骤（4）中所述的微纳尺度多孔结构表面的髋关节置于等离子高温氮化炉中，调节合适的工艺参数进行高温氮化处理，其中，氮气纯度为99.9 %，氮气流量为50 ml/min，高温氮化温度550 °C，高温氮化时间为4 h，获得Ti-Cu-N高抗菌性人工髋关节；
步骤（6）：将步骤（5）中所述的高抗菌性人工髋关节在超净室进行清洗、灭菌及干燥处理后，进行封装保存备用。

[0024] 对本实施例成形的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节进行抗菌性能试验，选择金黄色葡萄球菌为试验对象，按照QB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》检测人工髋关节的抗菌性能，结果显示，试验一天后，钛合金髋关节对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到95 %，试验4天后抑菌率仍达到94 %，具有良好的持久抑菌性能。

[0025] 实施例2本实施方式与实施例1不同的是在步骤（2）中钛合金设定为Ti6Al4V粉，其质量分数为
97 %，铜粉质量分数为3 %；在步骤（3）中将激光功率设定为175 W，其他与实施例1相同。

[0026] 对本实施例成形的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节进行抗菌性能试验，选择金黄色葡萄球菌为试验对象，按照QB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》检测人工髋关节的抗菌性能，结果显示，试验一天后，钛合金髋关节对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到97 %，试验4天后抑菌率仍达到96 %，具有良好的持久抑菌性能。

[0027] 实施例3本实施方式与实施例2不同的是在步骤（3）中将激光扫描速度设置为1100 mm/s；在步骤（3）中将阳极氧化处理时间设为12 min，其他与实施例2相同。

[0028] 对本实施例成形的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节进行抗菌性能试验，选择金黄色葡萄球菌为试验对象，按照QB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》检测人工髋关节的抗菌性能，结果显示，试验一天后，钛合金髋关节对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到96 %，试验4天后抑菌率仍达到95 %，具有良好的持久抑菌性能。

[0029] 实施例4本实施方式与实施例3不同的是在步骤（2）中钛合金设定为Ti6Al7Nb合金粉，其质量分数为95 %，铜粉质量分数为5 %；在步骤（3）中将激光扫描速度设定为2000 mm/s，其他与实施例3相同。

[0030] 对本实施例成形的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节进行抗菌性能试验，选择金黄色葡萄球菌为试验对象，按照QB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》检测人工髋关节的抗菌性能，结果显示，试验一天后，钛合金髋关节对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到98 %，试验4天后抑菌率仍达到97 %，具有良好的持久抑菌性能。

[0031] 实施例5本实施方式与实施例4不同的是在步骤（3）中激光功率设定为250 W；在步骤（4）中将阳极氧化处理时间设置为20 min，其他与实施例4相同。

[0032] 对本实施例成形的高抗菌性Ti-Cu-N人工髋关节进行抗菌性能试验，选择金黄色葡萄球菌为试验对象，按照QB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》检测人工髋关节的抗菌性能，结果显示，试验一天后，钛合金髋关节对金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到99 %，试验4天后抑菌率仍达到98 %，具有良好的持久抑菌性能。

[0033] 本发明基于铜离子良好的抗菌性能，利用激光3D打印技术、表面改性方法成形高抗菌性能的Ti-Cu-N人工髋关节，并对其抗菌性能进行测定及评价，以证明本发明的技术优势。可以发现，不同成形工艺下制备的Ti-Cu-N人工髋关节在试验1天后，均具有较高的抗菌性能，同时，试验4天后，仍保持良好抗菌性能，进一步说明本发明成形的抗菌性能的Ti-Cu-N人工髋关节具有优异的持久抗菌功能。

[0034] 在优化后的工艺参数条件下，可获得抗菌性优良的Ti-Cu-N人工髋关节，提升了其抗菌功能，同时，也增强了抗菌功能的持久性，满足其在人体复杂的生理条件下性能需求，延长了其服役寿命。同时工艺方法简单、成本低廉，这为高抗菌性钛合金人工髋关节的国产化奠定了坚实的基础。

[0035] 上述描述仅为本发明的实施例而已，便于该技术领域的技术研发人员的理解和使用发明。因此，本发明并不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做的改进、修改和等同代替都应包含在本发明的保护范围之内。

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一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法

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