一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維列印的製造方法

2023-08-03 01:09:16

一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維列印的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於製備納米陶瓷骨組織工程支架的3D印表機，該印表機以光纖雷射器為能量，三維運動採用水平運動和垂直運動機構分離的方式實現，並具有抽真空功能和預熱功能。其特徵在於基座上設有X-Y方向平面運動機構，在所述的X-Y方向平面運動機構上裝有成型支板，在所述的基座上還設有支架，在所述的支架上設有Z方向豎直升降機構，在所述的Z方向豎直升降機構上安裝有雷射聚焦系統，以上所述的部件置放在真空抽氣室中。本發明利用雷射快速加熱與冷卻的特點控制晶粒長大使所製備骨組織工程支架具有納米結構，採用快速成型工藝實現骨支架具有個性化外形，通過調節雷射光斑大小和掃描間距控制支架的微孔結構。
【專利說明】一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種製備骨組織工程支架的設備，具體涉及一種利用光纖雷射選擇性燒結陶瓷粉末製備納米陶瓷骨組織工程支架的三維(3D)印表機。

【背景技術】
[0002]人體由於創傷、腫瘤、畸形等引起的骨缺損和功能喪失常需要植入替代物加以修復。組織工程為骨缺損修復提供了一種新的選擇，其方法是利用生物降解材料做成三維多孔支架，種植骨細胞在支架內繁殖生長，在生長因子誘導下成骨，支架材料在骨生長的同時逐漸降解直至被完全吸收，最終替代骨缺損組織。
[0003]生物活性陶瓷因具有無毒、耐腐蝕、彈性模量與人體組織相當、良好的生物相容性和生物活性等優點成為最有潛力的骨組織工程材料，但由於脆性大、韌性低，導致它的使用可靠性和抗破壞能力差。納米陶瓷由於晶粒尺寸小，比表面積大，位錯運動大，材料不易穿晶斷裂，又由於晶粒的細化使晶界數量大大增加，有助於晶粒間的滑移，使材料具有塑性行為；因此納米結構是解決陶瓷脆性的戰略途徑。
[0004]由於雷射具有能量高度集中、方向性好且可控的特性，利用雷射燒結成形納米材料時，粉末受熱區域小、燒結時間極短，能達到驟熱驟冷的效果，這使納米顆粒失去生長空間從而製備具有納米結構的組織工程骨。雷射燒結納米材料為納米陶瓷的製備開闢了一條新思路。
[0005]同時骨組織工程支架還應具有與骨缺損部位相穩合的外形和有利於細胞繁殖生長的多孔結構。選擇性雷射燒結是一種利用雷射有選擇地分層燒結固體粉末，並使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的快速成型技術。利用選擇性雷射3D列印技術製備的組織工程骨，可以具有個性化外形和可控微孔結構。


【發明內容】

[0006]本發明公開了一種用於製備納米陶瓷骨組織工程支架的3D印表機，該印表機以光纖雷射器為能量，三維運動採用水平運動和垂直運動機構分離的方式實現，並具有抽真空功能和預熱功能，具體實現方案如下:
[0007]在結構上，基座上設有X-Y方向水平運動機構，在所述的X-Y方向水平運動機構上裝有成型支板，在所述的基座上還設有支架，在所述的支架上設有Z方向垂直運動機構，在所述的Z方向垂直運動機構上安裝有雷射聚焦系統，在所述的基座上還設有光纖雷射器，所述的光纖雷射器和所述的雷射聚焦系統由光纖連接，以上所述的部件置放在真空抽氣室中。
[0008]本發明中的雷射器選用連續光纖雷射器，額定輸出功率100W，輸出功率在IW到10ff範圍內可調，雷射聚焦後最小光斑25-50 μ m,聚焦距離20mm。
[0009]本發明中所述的X-Y方向水平運動機構和所述的Z方向垂直運動機構的運動單元採用精密滾珠絲杆機構，通過伺服電機驅動，並由計算機控制調節。X-Y方向水平運動機構由計算機根據幾何模型信息進行控制，按截面輪廓和填充路徑掃描，滿足各種成型路徑要求；Z方向垂直運動機構可在一層燒結完成後帶動雷射聚焦系統上升預定高度。
[0010]本發明所設計的成型機具有密閉式真空抽氣室，在成型前成型室先抽真空，再充入高純度氮氣保護氣體，至常壓後，再邊充保護氣體邊成型。
[0011]本發明中所述的成型支板上安裝有加熱電阻絲，採用PID控制。
[0012]發明的光纖雷射3D印表機所提供的製備納米陶瓷骨組織工程支架的具體工藝為:首先，在成型支板上鋪層納米陶瓷粉末，在計算機的控制下雷射以設定的掃描掃描路徑選擇性的燒結粉末，形成一定厚度的緻密層，而未燒結區域的粉末仍保持鬆散狀並作為成型件的支撐。每一層加工完成後，雷射上升一個燒結層厚度的高度，再次鋪粉後，開始下一層的燒結。新的燒結層會和上一層粘結為一體，如此反覆直至所有工序完成。移除未燒結的粉末即可獲得骨組織工程支架。
[0013]與現有骨組織工程支架成型機相比，本發明具有如下顯著特點:
[0014](I)採用光纖雷射器。光纖雷射器具有聚焦光斑小、高穩定輸出、功率衰減慢、使用壽命長、低噪音等優點，有利於提高成型骨組織工程支架質量。
[0015](2)X-Y方向水平運動機構與Z方向垂直運動機構分離，運動副少，穩定可靠，使用維護簡單。採用伺服電機和滾珠絲杆組合的方法，可實現微進給和高速進給，有利於保證骨組織工程支架的成型精度。
[0016](3)真空室抽空系統內部充有高純度氮氣，用於產生高質量成型環境，成型支板上安裝有加熱電阻絲，可在製備骨組織工程支架時對待加工粉層進行預熱處理，減少加工製備骨組織工程支架時的熱應力。
[0017](4)利用雷射成型燒結時間極短，能達到驟熱驟冷的效果，使納米顆粒失去生長空間從而所製備的骨組織工程支架具有納米結構。
[0018](5)所製備的骨組織工程支架，通過快速成型方法具有個性化外形，通過調節雷射光斑大小和掃描間距實現對微孔結構的控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明提供的3D印表機的三維幾何圖。
[0020]圖2是本發明提供的3D印表機的右視圖。
[0021]圖3是本發明提供的3D印表機的雷射器與雷射聚焦系統安裝尺寸。
[0022]圖4是本發明提供的3D印表機的雷射聚焦系統在Z方向運動機構上的組裝圖。

【具體實施方式】
[0023]結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步闡述。
[0024]參見圖1、圖2、圖3和圖4，基座上⑴設有X-Y方向水平運動機構(2)，在所述的X-Y方向水平運動機構(2)上裝有成型支板(3)，在所述的基座(I)上還設有支架(4)，在所述的支架(4)上設有Z方向垂直運動機構(5)，在所述的Z方向垂直運動機構(5)上安裝有雷射聚焦系統(7)，在所述的基座(I)上還設有光纖雷射器￠)，所述光纖雷射器(6)和所述雷射聚焦系統(7)由光纖(8)連接，以上所述的部件置放在真空抽氣室(9)中。
[0025]本發明中的雷射器選用法國3S Photonics公司生產的ML100-CW-R-TKS-F0CUSER連續光纖雷射器，額定輸出功率100W，採用ACC控制模式，輸出功率在IW到10W範圍內可調，雷射聚焦最小光斑在25-50 μ m,聚焦距離20mm,雷射器具有低噪音、高穩定輸出、使用壽命長、功率衰減慢、聚焦光斑小等優點，有利於提高成形骨組織工程支架質量。
[0026]本發明中所述的X-Y方向水平運動機構和所述的z方向垂直運動機構的運動單元採用精密滾珠絲杆機構，X和Y軸螺距為5mm，步進角1.8° /脈衝，Z軸螺距為4mm，步進角0.9° /脈衝，通過伺服電機驅動，並由計算機控制調節。X-Y方向水平運動機構由計算機根據幾何模型信息進行控制調節可實現任意形式平面運動，滿足各種成型路徑要求；Z方向垂直運動機構可在一層燒結完成後帶動雷射聚焦系統上升預定高度。
[0027]本發明所設計的三維印表機具有真空室抽空系統，在成型前成型室先抽真空，再充入高純度氮氣保護氣體，至常壓後，再邊充保護氣體邊成型。成型室使用全密閉焊接真空室可以最大程度降低氣體消耗量，而且堅固耐用。
[0028]本發明中所述的成型支板上安裝有加熱電阻絲，採用PID控制，可在製備骨組織工程支架時對待加工粉層進行預熱處理，減少加工時所製備骨組織工程支架的熱應力。
[0029]利用本發明所公布的3D印表機製備骨組織工程支架其具體工藝為:首先，在計算機上設計出待植入骨組織工程支架的CAD模型，並轉化成STL文件。再對STL文件進行橫截面切片處理，生成雷射掃描路徑。製備時，成型支板上均勻鋪層納米陶瓷粉末，鋪粉厚度不超過0.1mm，預熱後，在計算機的控制下雷射光束以特定的雷射功率與X-Y方向水平運動機構以設定的掃描速度、掃描路徑等參數作相對運動選擇性掃描燒結粉末。雷射掃描處的粉末吸收能量燒結形成一定厚度的緻密層，而未輻射區域的粉末仍保持鬆散狀並作為成型件的支撐。每一層加工完成後，Z方向垂直運動機構帶動雷射聚焦系統相應的上升一個燒結層的厚度，等待完成再次鋪粉及預熱後，開始下一層的燒結。新的燒結層會和上一層粘結為一體，如此反覆直至所有工序完成。所有掃描步驟結束後，移除燒結試件周圍未燒結的粉末即可獲得骨組織工程支架。
【權利要求】
1.一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機，其特徵是:基座上設有X-Y方向水平運動機構，在所述的X-Y方向水平運動機構上裝有成型支板，在所述的基座上還設有支架，在所述的支架上設有Z方向垂直運動機構，在所述的Z方向垂直運動機構上安裝有雷射聚焦系統，在所述的基座上還設有光纖雷射器，所述的光纖雷射器和所述的雷射聚焦系統由光纖連接，以上所述的部件置放在真空抽氣室中。
2.根據權利要求1所述的一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機，其特徵在於所述雷射器選用連續光纖雷射器，額定輸出功率100W，輸出功率在IW到10W範圍內可調，雷射聚焦後最小光斑25-50 μ m，聚焦距離20mm。
3.根據權利要求1所述的一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機，其特徵在於所述的X-Y方向水平運動機構和所述的Z方向垂直運動機構的運動單元採用精密滾珠絲杆機構，通過伺服電機驅動，並由計算機控制調節，X-Y方向水平運動機構由計算機根據幾何模型信息進行控制，按截面輪廓和填充路徑掃描，滿足各種成型路徑要求；z方向垂直運動機構可在一層燒結完成後帶動雷射聚焦系統上升預定高度。
4.根據權利要求1所述的一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機，其特徵在於在成型前所述的成型室先抽真空，再充入高純度氮氣保護氣體，至常壓後，再邊充保護氣體邊成型；所述成型支板上安裝有加熱電阻絲，採用PID控制。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的一種製備納米陶瓷骨組織工程支架的光纖雷射三維印表機，其特徵在於所製備骨組織工程支架具有納米結構、個性化外形和可控的微孔。
【文檔編號】C04B35/64GK104276826SQ201310282818
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2013年7月8日
【發明者】帥詞俊, 彭淑平, 胡煥隆 申請人:中南大學