一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在骨折或骨壞死等骨質(zhì)疾病治療和修復(fù)領(lǐng)域，尤其在對承力骨的治療和修復(fù)方面，植入物替換病死骨手術(shù)是常見的預(yù)防骨質(zhì)疾病進(jìn)一步惡化、避免后期骨折甚至致殘的有效方法。目前，常見的植入物主要包括自體骨、異體骨、生物陶瓷、有機(jī)高分子聚合物、可降解材料和金屬材料等。金屬材料，如不銹鋼、Co-Cr基合金、鈦基合金等，由于可以提供良好的力學(xué)性能，并且兼具耐蝕性和生物相容性等，因此在臨床一直被廣泛應(yīng)用。
[0003]但是，由于不銹鋼、Co-Cr基合金、鈦基合金等金屬材料的模量明顯要高于骨組織模量，這將引起所謂“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”。針對在治療骨質(zhì)疾病過程中出現(xiàn)的“應(yīng)力遮擋”問題，現(xiàn)有技術(shù)是將金屬材料制備成多孔狀來降低材料整體的表觀模量。然而，傳統(tǒng)的多孔金屬材料制備工藝的影響因素過多、流程復(fù)雜、無法一次成型，并普遍存在孔隙結(jié)構(gòu)不能精確控制、內(nèi)部孔隙連通率差等問題。
[0004]3D打印通過CT等掃描數(shù)據(jù)的處理，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)建，可以將打印成符合需求的個(gè)性化多孔連通復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)，不僅給骨長入提供了空間，也因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)降低了零件的彈性模量，實(shí)現(xiàn)了與正常骨組織彈性模量的匹配，且不必?fù)?dān)心降解時(shí)間與機(jī)體需求的不匹配，成為了 3D打印在骨科發(fā)展的重要方向。
[0005]目前市面上各種3D打印多孔鈦合金材料，其多孔結(jié)構(gòu)均以六面體、圓柱體、圓錐體為基體單元簡單陣列疊加而成，與真正仿生意義上的人骨多孔結(jié)構(gòu)相差較大，并且在多孔材料曲面上存在多孔結(jié)構(gòu)分布不均勻的現(xiàn)象，影響骨長入的一致性。同時(shí)，隨著多孔材料孔隙率的提升，孔筋的細(xì)化，力學(xué)性能也隨之降低，難以滿足骨小梁對力學(xué)性能的要求(>50MPa);受限于3D打印設(shè)備本身的精度及清粉要求，目前3D打印多孔材料孔徑通常較大，直徑約300?1500 μ m，對于細(xì)胞20?30 μ m的平均直徑來說，顯然過于空曠，細(xì)胞只能在其孔壁二維空間上攀附生長，不能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)孔洞內(nèi)三維層次的生長，進(jìn)而也無法實(shí)現(xiàn)支架內(nèi)長入充足的骨量。金屬粉末在人體內(nèi)無法排除，造成沉積后對人體傷害極大，而3D打印多孔材料的孔徑越小，孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留金屬粉末的可能性就越高，極易增加植入手術(shù)和術(shù)后的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁。該金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度為60MPa?90MPa，等效孔徑為100 μπι?150 μπι，比常規(guī)3D打印多孔材料的孔徑降低了 50%以上，壓縮強(qiáng)度提高了 20%以上，更利于骨長入及細(xì)胞生長。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，該金屬骨小梁為由多個(gè)基本單元疊加而成的三維立體結(jié)構(gòu)，所述基本單位為棱邊為實(shí)體，其余部分鏤空的多面體結(jié)構(gòu)，相鄰兩個(gè)基本單元之間均有一個(gè)面重合，所述基本單元內(nèi)部設(shè)置有加強(qiáng)筋，所述高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度為60MPa?90MPa，等效孔徑為100 μπι?150 μπι，所述等效孔徑是指高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁中孔隙的內(nèi)切圓直徑。
[0008]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述加強(qiáng)筋由聯(lián)接基本單元的幾何中心至頂點(diǎn)的多根桿體組成，每根桿體的橫截面形狀均為正方形，每根桿體的橫截面邊長均為0.1mm?0.3mm。
[0009]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述多面體為三角雙錐體或菱形十二面體，所述三角雙錐體和菱形十二面體的邊長均為0.5mm?2_，所述棱邊的橫截面形狀為正三角形或正方形，所述棱邊的橫截面邊長為0.1mm?0.3mm。
[0010]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的材質(zhì)為TC4鈦合金。
[0011]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為六面體形。
[0012]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為空心半球形，所述三維立體結(jié)構(gòu)上開設(shè)有三個(gè)通孔。
[0013]上述的一種高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁，其特征在于，所述三維立體結(jié)構(gòu)為橢圓柱形，所述三維立體結(jié)構(gòu)上對稱開設(shè)有兩個(gè)D形凹槽。
[0014]另外，本發(fā)明還提供了一種制備上述高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0015]步驟一、利用三維建模軟件建立高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的三維實(shí)體模型；所述三維建模軟件為Pro/Engineer軟件、Solidworks軟件或Unigraphic軟件；
[0016]步驟二、利用切層軟件對步驟一中建立的高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁的三維實(shí)體模型進(jìn)行切片離散化處理，得到各層切片的截面數(shù)據(jù)，然后將各層切片的截面數(shù)據(jù)作為電子束掃描路徑導(dǎo)入電子束快速成型機(jī)中，之后在電子束快速成型機(jī)上設(shè)定加工參數(shù)，所述加工參數(shù)包括金屬粉末層厚、熔化電流和電子束掃描速率；所述切層軟件為AutoFab軟件、NetFabb軟件或Magcs軟件；
[0017]步驟三、將金屬粉末加入到步驟二中設(shè)定加工參數(shù)后的電子束快速成型機(jī)中，抽真空至真空度不大于3X KT1Pa后充入惰性氣體，然后采用電子束對電子束快速成型機(jī)中的底板進(jìn)行預(yù)熱直至底板的溫度為650 °C?800 °C ；
[0018]步驟四、將金屬粉末平鋪在步驟三中預(yù)熱后的底板上，然后采用電子束對平鋪在底板上的金屬粉末進(jìn)行預(yù)熱；
[0019]步驟五、采用電子束按照步驟二中所述電子束掃描路徑對步驟四中預(yù)熱后的金屬粉末進(jìn)行選區(qū)熔化掃描，形成單層實(shí)體片層；
[0020]步驟六、重復(fù)步驟四中所述的平鋪金屬粉末并進(jìn)行預(yù)熱的加工工藝以及步驟五中所述的對預(yù)熱后的金屬粉末進(jìn)行選取熔化掃描形成單層實(shí)體片層的加工工藝，直至各層實(shí)體片層均制備完成，得到金屬骨小梁3D打印件；
[0021]步驟七、采用壓力為0.8MPa?0.9MPa的壓縮空氣除去步驟六中所述金屬骨小梁3D打印件中的粉末，清洗干凈后烘干；
[0022]步驟八、將步驟七中烘干后的金屬骨小梁3D打印件置于電解液中，以金屬骨小梁3D打印件為陽極，以鉑片為陰極，在電壓為20V?80V，溫度為10°C?30°C的條件下電化學(xué)腐蝕0.5h?8h，得到高強(qiáng)度小孔徑金屬骨小梁。
[0023]上述的方法，其特征在于，步驟二中所述金屬粉末層厚為50 μπι?80 μπι，所述恪化電流為1mA?30mA，所述電子束掃描速率為1.3 X 104mm/s?1.55 X 105mm/s。
[0024]上述的方法，其特征在于，步驟九中所述電解液由草酸鈉、氟化銨、硅酸鈉、氫氧化鈣和去離子水混合均勻而成，所述電解液中草酸鈉的濃度為5g/L?20g/L，氟化銨的濃度為0.5g/L?2g/L，娃酸鈉的濃度為lg/L?3g/L，氫氧化媽的濃度為0.13g/L?0.18g/L。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]1、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度、小孔徑、高仿生的金屬骨小梁，該金屬骨小梁的孔密度具有良好的均勻性，在相同的孔隙率和孔筋條件下，本發(fā)明金屬骨小梁的壓縮強(qiáng)度能夠比傳統(tǒng)工藝制備的常規(guī)3D打印多孔材料提升20%以上。
[0027]2、本發(fā)明能夠根據(jù)實(shí)際需求，通過更改三維實(shí)體模型，從而制備出不同外形及尺寸、不同孔隙率、不同孔徑的金屬骨小梁，能夠通過調(diào)控基本單元內(nèi)部加