[发明专利]3D打印原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体的方法及植入体

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体的方法，特别是一种基于激光3D打印的高性能钛合金骨植入体的成形方法，属于高性能医用骨植入器械制造领域。

背景技术

据报道，随人口老龄化程度的不断加剧及意外伤害事故逐年急剧增长，人工骨植入体的需求因有效缓解疼痛、稳定关节、矫正畸形、骨骼重建等功效而呈明显上升趋势。钛合金骨植入体因拥有良好的生物相容性、力学性能、耐腐蚀性和可加工性而在临床上得到广泛应用。但因其缺乏优异的耐磨性、抗疲劳性等，易在人体服役过程中产生磨屑而引起其周围人体组织的感染，导致其过早失效，从而致使二次手术的概率大幅增加。

陶瓷具有优良的力学性能、耐磨损性能等特性，因而被用于改善医用钛合金骨植入体的综合性能。目前，提高钛合金骨植入体的性能主要通过以下途径：一是利用材料表面改性技术（如，物理气相沉积、激光熔覆、渗碳等）在医用钛合金表面沉积一层陶瓷膜，以提升其性能。但因膜层与基体的结合强度有限，极易在人体复杂的生理环境及交变/循环载荷应力交互作用下产生裂纹，甚至断裂，导致其提前失效；二是将微米或纳米尺度的陶瓷颗粒加入钛合金熔体中，冷却凝固后形成陶瓷颗粒增强的钛合金，以期提高其性能。然而，较弱的陶瓷/钛合金的界面润湿特性及结合强度严重阻碍了其性能的提升。现阶段，陶瓷颗粒的原位合成已成为有效提升陶瓷/钛合金界面特性的重要途径。现有技术一将碳化硼及石墨加入海绵钛中，采用真空熔炼技术，原位自生反应生成TiB短纤维和TiC颗粒增强钛合金，获得良好的综合机械性能。现有技术二将SiC陶瓷加入钛粉中，通过真空感应熔炼法，原位自生两陶瓷相（TiC与Ti₅Si₃）增强钛合金，提高了其综合性能。但真空熔炼法存在真空度较高、能耗高、成形精度低等问题，已严重限制其性能的提升。

随着激光应用技术与智能制造技术的快速发展，被誉为第四次“工业革命”的增材制造技术因其制造精密度、复杂结构成形性优良等优点而被应用于生物医疗、航空航天及汽车制造等诸多领域。尤其是能一次性成形空间结构复杂、薄壁构件，大幅简化成形工艺，缩短加工周期。现有技术三利用3D打印技术成形高强度钛合金医用植入体，具有成本低、性能优越等特点。

因此，基于先进的激光选区熔化（SLM）激光3D打印制造技术，成形原位自生陶瓷增强钛合金骨植入体，能有效改善当前钛合金骨植入体的综合性能，显著延长其在人体内的服役寿命，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

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种3D打印原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体的方法，该方法基于原位自生陶瓷相良好的陶瓷/金属界面润湿特性，采用先进的激光3D打印技术进行成形结构复杂、原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体，以进一步提升其在人体复杂生理环境下的综合服役性能。

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3D打印原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体的方法，包括以下步骤：

步骤1：扫描病变处骨骼，获取三维数据模型，并对模型进行修复和分层切片处理；

步骤2：将碳纳米管加入到无水乙醇中，并向其中加入表面活性剂，超声振荡分散，然后在真空干燥箱中干燥，获得分散性能符合预期的碳纳米管；

步骤3：将钛合金粉、硼粉及碳纳米管按质量比称量后，利用高能球磨机对混合粉末进行球磨混合，得到均匀混合的成形粉末；

步骤4：将步骤1中经处理的骨骼三维数据模型导入激光3D打印设备系统，再将高纯氩气(＞99.99%，优选＞99.999%）与高纯氮气（＞99.99%，优选＞99.999%）混合后匀速通入设备成形腔中，对所述的成形粉末进行3D打印成形原位自生多级纳米陶瓷相强化钛合金骨植入体；

步骤5：将步骤4中所述的钛合金骨植入体在超净环境下进行清洗、灭菌及干燥处理，真空封装保存备用。

根据本发明的一个方面：步骤1中，所述模型进行分层切片处理的层厚为20～30 μm。

根据本发明的一个方面：步骤2中，所述表面活性剂为十六烷基磺酸钠或十六烷基三甲基溴化铵，超声振荡分散时间为25~35min，真空干燥温度为55~65℃，干燥时间为1.5~2.5h。优选的，超声振荡分散时间为30 min，真空干燥温度为60°C，干燥时间为2 h。