一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202410136383.9 | 申请日 | 2024-01-31 | 公开(公告)号 | CN118023540A | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 王迎军; 柯俊华; 况宇迪; 张恒; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体及其制造方法。本发明植入体具有内部互相连通的多孔网格状金属骨架，以及呈沟槽状的微米级粗糙金属骨架表面。所述多孔网状金属植入体经振动、 水 洗、气吹、超声和等离子 抛光 等 净化 处理后，植入体网格骨架表面和内部残留的未熔融 金属粉末 可以被高效去除。本发明植入体在植入人体后可避免因摩擦和体液 腐蚀 等原因引起的植入体表面不良粘附粉体脱落问题，减少有害 金属离子 的溶出；同时呈沟槽结构的微米级粗糙表面可以更好的促进细胞在植入体多孔结构表面的粘附、迁移和生长，赋予植入体更好的 骨整合 性能和长期使用安全性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体及其制造方法技术领域背景技术[0002] 以钛合金为代表的金属植入体因其优异的力学强度、良好的生物相容性和易加工性，在关节置换和骨缺损相关疾病的临床修复中获得了广泛的应用。然而，对既往金属植入体临床修复案例的长期随访研究发现，由于弹性模量过高、促成骨能力不足等原因，传统实心金属植入体普遍存在骨整合效果不佳、应力屏蔽等问题。近年来，随着3D打印技术的发展，3D打印多孔金属植入体因其成型自由度高、重量轻、成骨环境好、力学匹配性好等优点，在骨缺损精准替代修复领域具有极大的发展潜力。 [0003] 现阶段医用金属植入体的增材制造技术主要采用的是基于金属粉末床选区熔化的层层制造工艺，分为激光选区熔化技术和电子束选区熔化技术两种。通过将软件处理好的植入体数字化三维模型文件导入金属3D打印机中，利用激光或电子束依据切片软件中预先规划好的路径对金属粉末床层进行逐层扫描，即可实现三维植入体模型的可控制备。然而，这种基于金属粉末床选区熔化的增材制造工艺相比于传统的CNC加工工艺，虽然能够实现各种复杂多孔构件的成型，但不可避免的会在成型后的植入体内部残留各种金属粉末。其中，处于游离态的金属粉末可以通过振动、气吹、水洗、超声等工艺去除；但余下一部分由于熔池边缘快速冷却而形成的不良融合金属粉体则无法通过上述工艺除去。这使得现有3D打印多孔金属骨植入体在手术操作过程中以及长期的体液浸润侵蚀下容易剥离和脱落，进而引起相关的手术并发症，给植入体的使用安全性带来极大隐患。 发明内容[0004] 本发明的目的在于解决现有基于金属粉末床增材制造工艺生产多孔金属骨植入体时面临的金属粉末残留、植入后易受体液侵蚀脱落，进而易引发后续相关并发症的问题，而提供了一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体及其制造方法。其利用了金属植入体自身良好的导电性和残留金属粉末特殊的电荷聚集效应，通过集成了一系列振动、水洗、气吹、超声和表面等离子抛光等后处理工艺，进而得以去除多孔金属骨植入体内部的各种残余金属粉末，并赋予植入体高粗糙的表面特性。 [0005] 为达到上述目的，本发明是通过如下手段得以实现的： [0006] 本发明第一方面提供了一种无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体的制备方法，包括如下步骤： [0007] (1)设计植入体的结构模型，填充多孔网格阵列结构，获得植入体模型； [0008] (2)对植入体模型进行前处理工作，所述前处理具体为：将植入体模型于软件中依次完成修复、添加支撑、切片命令，随后导出金属3D打印计算机可识别的打印文件； [0009] (3)利用金属粉末床增材制造打印多孔植入体实体模型； [0010] (4)将打印好的多孔植入体实体模型进行预处理； [0011] (5)对完成预处理的多孔植入体实体模型进行等离子抛光处理并进行末道清洗。 [0012] 作为优选地，步骤(1)中所述设计植入体的结构模型具体包括如下步骤： [0013] a.获取患者骨组织医学影像照片，进行数字化三维重建； [0014] b.医工交互设计，确定植入体的精准外形结构模型。 [0015] 作为优选地，步骤(3)中所述多孔植入体实体模型采用激光选区融化或电子束选区熔化3D打印机进行制作。 [0016] 作为优选地，步骤(4)中所述预处理具体为：依次通过振动、气吹、冲洗、超声以去除游离金属粉末和油性杂质。 [0017] 作为优选地，所述气吹为压缩空气吹扫；所述冲洗为高压水枪冲洗。 [0018] 作为优选地，步骤(5)中所述等离子处理具体为液相等离子抛光处理，其具体参数为：温度80‑95℃，电压220V，电流8‑15A，时间200‑1800s；最优选地，所述等离子处理具体为液相等离子抛光处理，其具体参数为：温度85℃，电压220V，电流10A，时间350s。 [0019] 作为优选地，步骤(5)中所述末道清洗工艺为超声清洗。 [0020] 本发明第二方面提供了根据上述制备方法制备得到的无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体。 [0021] 作为优选地，所述无粘粉粗糙表面的3D打印多孔金属植入体包括金属基材、精准构建的植入体外形、多孔网格阵列结构和粗糙金属网格骨架。 [0024] 作为优选地，所述多孔网格阵列结构是指通过将建模软件中制作得到的最小网格单元结构模型导入网格填充软件后，经三维方向上重复阵列后在精准构建的植入体模型内部形成的连续贯通多孔网络结构。 [0025] 作为优选地，所述多孔网格阵列内部的最小连通孔径至少为所述金属粉末平均直径的3倍。 [0026] 作为优选地，所述建模软件选自3Ds Max；所述网格填充软件选自Magics。 [0027] 作为优选地，所述粗糙金属网格骨架为多孔网格阵列结构经3D打印得到的实体。 [0028] 作为优选地，所述金属网格骨架表面具有沟槽状的微米级粗糙形态特性，同时无不良融合的残余球形粉末附着。 [0029] 本发明相对于现有技术具有如下有益效果： [0030] (1)与传统铸造、锻造、数控加工等金属植入体加工方式相比，本发明采用的金属粉末床增材制造工艺，能够轻松实现各种复杂多孔结构的精准成型，赋予植物体更轻的重量、更好的细胞生长环境和更好的患者匹配性。 [0031] (2)与目前市场上已有的3D打印多孔金属植入体相比，本发明通过集成了一系列打印后产品的预处理工艺和液相等离子抛光工艺，能够高效去除3D打印多孔金属植入体内部的各种游离态和不良融合态残留金属粉末，避免植入体在手术操作过程中和长期体液侵蚀环境下的有害金属颗粒释放，赋予植入体更好的长期使用安全性。 [0033] 图1为本发明无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属骨植入体加工技术路线图。 [0034] 图2为以股骨中段植入体为例，本发明无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属骨植入体的生产流程示意图。 [0035] 图3为本发明无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属骨植入体示意图(左)和传统带有残留金属粉末的3D打印多孔金属骨植入体示意图(右)。 [0036] 图4为仅经过预处理后，表面带有不良融合球形金属粉末的3D打印多孔金属植入体实物照片及其金属网格骨架细节放大照片。 [0037] 图5为本发明无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属植入体实物照片及其无粘粉粗糙金属网格骨架细节放大照片。 [0038] 图6为对比例1仅经过喷砂处理后，表面粗糙度过高的3D打印多孔金属植入体实物照片。 [0039] 图7本发明实施例1无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属植入体实物照片。 [0040] 图8为本发明无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属植入体CCK‑8细胞增殖实验结果。 具体实施方式[0041] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0042] 实施例1 [0043] 本发明无粘粉高粗糙3D打印多孔金属骨植入体的制备工艺流程如图1所示。本实施例将以股骨中段植入体作为展示例，进行无粘粉高粗糙3D打印多孔钛合金股骨植入体相关制备方法的详细说明，具体参见图2，包括如下各步骤： [0044] (1)通过CT影像技术和数字化三维重建技术获取患者病灶处骨组织的三维数字模型。 [0045] (2)在手术主刀医生的参与指导下，由专业的医疗器械设计开发人员完成病灶处骨植入体结构模型101的三维建模，并生成对应的stl格式文件。 [0046] (3)将植入体三维结构模型stl文件导入magics软件，选择或导入预先确定的拟填充单元结构后，利用软件的结构填充模块在植入体中生成对应的多孔网格阵列102，确保生成的多孔网格阵列具有开放且连续的贯通孔隙103，且最小贯通孔径应不低于所用3D打印金属粉末平均直径的3倍。 [0047] (4)在magics软件中，对填充好多孔网格阵列的植入体模型依次完成修复、添加支撑、切片等等前处理命令后，导出金属3D打印计算机可识别的打印文件。 [0048] (5)利用激光选区融化或电子束选区熔化3D打印机制作出具有多孔网格阵列结构的钛合金多孔植入体实体模型。 [0049] (6)去除3D打印钛合金多孔植入体表面的支撑结构后，依次通过机械振动、压缩空气吹扫、高压水枪冲洗等工艺去除多孔钛合金植入体内部残留的游离态钛合金粉末，超声清洗后完成多孔金属骨植入体的预处理。 [0050] (7)将预处理后的多孔钛合金植入体装载在液相等离子抛光机的导电金属挂架上，浸没在浓度为2％的水性电解质溶液中，在合适工艺条件下(本实施例优选85℃，220V，10A，350s)对多孔钛合金植入体进行等离子处理，即可去除3D打印多孔钛合金植入体原始金属网格骨架105表面不良融合的残留钛合金粉末106，得到无粘粉的钛合金网格骨架104，并且骨架表面因不良融合金属粉末剥离而进一步呈现出沟槽状的粗糙表面特征。 [0051] (8)对液相等离子抛光后的多孔钛合金植入体进行超声清洗，干燥后即可得到最终的无粘粉高粗糙3D打印多孔钛合金骨植入体。 [0052] 对比例1 [0053] 一种3D打印多孔金属植入体，其制备方法包括如下步骤： [0054] (1)通过CT影像技术和数字化三维重建技术获取患者病灶处骨组织的三维数字模型。 [0055] (2)在手术主刀医生的参与指导下，由专业的医疗器械设计开发人员完成病灶处骨植入体结构模型101的三维建模，并生成对应的stl格式文件。 [0056] (3)将植入体三维结构模型stl文件导入magics软件，选择或导入预先确定的拟填充单元结构后，利用软件的结构填充模块在植入体中生成对应的多孔网格阵列102，确保生成的多孔网格阵列具有开放且连续的贯通孔隙103，且最小贯通孔径应不低于所用3D打印金属粉末平均直径的3倍。 [0057] (4)在magics软件中，对填充好多孔网格阵列的植入体模型依次完成修复、添加支撑、切片等等前处理命令后，导出金属3D打印计算机可识别的打印文件。 [0058] (5)利用激光选区融化或电子束选区熔化3D打印机制作出具有多孔网格阵列结构的钛合金多孔植入体实体模型。 [0059] (6)去除3D打印钛合金多孔植入体表面的支撑结构后，依次通过机械振动、压缩空气吹扫、高压水枪冲洗等工艺去除多孔钛合金植入体内部残留的游离态钛合金粉末，超声清洗并干燥后即得。 [0060] 本对比例仅喷砂处理所获得的样品表面粗糙度过高,为0.5‑0.6μm，大于植入体最佳表面粗糙度范围(0.3μm)不利于植入体的骨整合和细胞的黏附。 [0061] 验证例1 [0062] 分别取实施例1及对比例1制备获得的多孔金属植入体，对其结构形态进行检测，检测结果如图3‑5所示；对比例1表面粗糙度过高的3D打印多孔金属植入体实物照片如图6所示；实施例1无粘粉粗糙表面3D打印多孔金属植入体实物照片如图7所示。结果显示，采用实施例1及对比例1方法制备得到的多孔金属植入体，均能够精准重建缺损骨组织外形，然而，对比例1由于仅进行了预处理，并未进行后续的液相等离子抛光处理步骤，使得植入体无论是在表面还是孔隙内，均残留有大量的游离金属粉末。本发明实施例在同时进行预处理和特定条件的液相等离子抛光工艺处理后，植入体表面及孔隙内的游离金属粉末均显著减少，呈现出无粘粉粗糙表面状态，可以有效避免植入体在手术操作过程中和长期体液侵蚀环境下的有害金属颗粒释放，赋予植入体更好的长期使用安全性。同时相比于光滑的多孔植入体表面，本发明的高粗糙多孔金属骨架表面，能够赋予植入体更好的细胞粘附性和骨长入特性，进而赋予3D打印多孔金属骨植入体更好的骨整合性。 [0063] 进一步地，对处理前后的样品浸提液进行CCK‑8细胞增殖与毒性测试，检测结果如图8所示。结果显示，无粘粉高光泽处理后样品浸提液的CCK‑8OD值明显高于未经处理的样品(*p＜0.05)。随着样品在培养基中浸泡时间的延长，差异逐渐增加。说明处理后可有效去除表面残粉，降低残粉脱落和有害离子溶出造成的细胞毒性，提高材料的生物相容性和生物安全性。 [0064] 本发明所获得的无粘粉粗糙表面技术适用于椎间融合器、长骨、齿科以及颅骨类骨修复植入体，粗糙的表面有利于成骨细胞的黏附，为新生骨组织的爬行生长提供更多黏附位点，提升植入体的骨整合性能和生物相容性。 [0065] 以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。 |
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