3D列印制模自蔓延熱爆成形多孔NiTi人工植入體工藝的製作方法
2023-05-19 08:52:16 3
本發明屬於數位化增材製造與自蔓延技術交叉學科技術領域，涉及一種3D列印制模自蔓延熱爆成形多孔NiTi人工植入體工藝。
背景技術：
多孔NiTi合金由於其良好的多孔性，可以允許人體組織在其內部的生長，以及液態營養物質的輸送。另外，其良好的變形能力和形狀恢復能力使其能與人體其他組織相互協調配合。此外，具有醫學植入金屬材料中最接近人骨的彈性模量和很好的抗腐蝕能力以及生物相容性。被認為是很有前途的生物醫學材料。可用於骨骼的移植上。傳統的多孔NiTi合金植入體通常用粉末冶金的方法製造，即把配製好的鎳粉和鈦粉混合均勻，在通用模具中壓實，然後燒結打磨。隨著科學技術的發展，現代醫學的各個領域愈發注重個體化治療，從治療方案到治療植入器械都力求「因人而異」。在醫用材料的個體化定製方面如：口腔頜面外科、整形外科、骨科、神經外科等學科都對醫用材料的個體化定製有相當高的要求，需要根據患者的具體骨骼的尺寸和形狀定製特定形狀的植入材料和器械。因此，用通用模具成形的多孔NiTi合金植入體難以滿足個體化定製的要求。近年來，3D列印技術飛速發展並日趨成熟，對個體化定製醫療器材開闢了一條嶄新的道路。如今世界各地科學家已成功運用3D列印技術製作出包括純鈦、鎂、316L醫用鋼、羥基磷灰石及許多高分子材料植入器材。並且初步運用於臨床，收到了很好的效果，甚至很多材料如純鈦可以無需列印模具而直接通過3D列印法一次成形。但是，尺寸精確、連通性很好的多孔NiTi合金很難直接通過3D列印法一次成形。原因是原子比接近於1的Ni粉與Ti粉的混合粉或藥芯絲材，列印溫度超過其點火溫度，將發生自蔓延反應，易產生「回火」、氧化、燒損列印頭等問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述不足，提供一種滿足個體化定製要求的NiTi多孔醫用植入體數位化製造工藝。包括：人體圖像採集、三維圖像處理、高分子模型設計和模型的3D列印成形、用列印的模型翻制自蔓延熱爆用模具，以及植入體的自蔓延熱爆反應成形。
本發明的目的是通過以下步驟實現的：
1、塑料模型列印：用CT機掃描得到人體CT圖像文件，通過mimics 10.0軟體合成截取的部分骨關節數字3D文件，設計列印模型的3D文件。用3D印表機列印人工關節的聚乙烯模型。用聚乙烯醇粉末(200目)作為列印原料，添加聚乙烯吡咯烷酮(10％)增加粉末流動性。並且使用丙醇、甘油和蒸餾水(20∶6∶1)作為粘結固化劑。鋪粉厚度0.25mm，線間距小於0.1mm。為提高列印速度，節省列印材料，列印空心塑料模型。
2、熱爆成形模具的翻制：用列印的塑料模型翻制自蔓延熱爆成形用模具。用水泥加輕質耐火磚粉末翻制多孔NiTi合金熱爆模具。該材料保溫效果好、脫模容易。為提高模具強度，模具外加鋼套。另一種熱爆模具材料是呋喃樹脂加石英砂。其特點是成形速度快，幾分鐘即可成形。為防止翻模時塑料模型變形，模型內填石膏。
3、多孔NiTi合金人工植入體成形：用壓力機壓制按近等原子比配製並混勻的Ni粉和Ti粉成生坯。將生坯放入熱爆模具中，然後一起放入電阻爐中，在氬其保護下升溫至NiTi的自蔓延反應溫度，整個生坯將同時發生自蔓延反應，實現熱爆。由於生坯與熱爆模具有一定的間隙，熱爆後體積膨脹充滿間隙，形成與CT掃描的尺寸和形狀完全相同的植入體。間隙過大充不滿且易使內部出現大孔洞，過小則會脹壞熱爆模具，間隙大小根據植入體大小確定。一般雙邊間隙總和為植入體尺寸的1/3左右。
有益效果
：該技術兼具3D列印和自蔓延技術的優點：即工藝簡單、模具型腔等複雜形狀及其內表面精細幾何形狀可一次列印形成，省去了傳統產品加工中的製圖、數控加工等昂貴、費時的步驟，幾乎不需機械加工，產品尺寸精度高。以列印的高分子薄壁件為原型，用水泥加耐火材料粉或水泥加鑄造用砂或呋喃樹脂加鑄造用石英砂等翻制自蔓延熱爆成形模具。然後在模具中靠自蔓延熱爆反應瞬間製造出多孔NiTi合金植入體。無需用電和氣。節能、高效、生產周期短，經濟效益顯著。因列印的模型是空心塑料薄壁件，列印速度快、成本低，與直接3D列印實體金屬件方法相比，該工藝的顯著特點在於充分利用了數位化增材製造的優點，同時又避開了3D列印金屬實體速度慢，和難以列印易氧化和內部結構要求高的多孔NiTi合金難題。適合製造滿足個體化需求的多孔NiTi合金醫用植入體。
具體實施方式
以製造人工股骨頭為例
1、塑料模型列印：用CT機掃描得到人體CT圖像文件，通過mimics 10.0軟體合成截取的部分骨關節數字3D文件，設計列印塑料模型的3D文件。用3D印表機列印人工股骨頭的聚乙烯模型。用聚乙烯醇粉末(200目)作為列印原料，添加聚乙烯吡咯烷酮(10％)增加粉末流動性。並且使用丙醇、甘油和蒸餾水(20∶6∶1)作為粘結固化劑。鋪粉厚度0.25mm，線間距小於0.1mm。為提高列印速度，節省列印材料，列印空心股骨頭塑料模型。
2、熱爆成形模具的翻制：用列印的塑料模型翻制自蔓延熱爆成形用模具。用水泥加輕質耐火磚粉末(1∶1)翻制多孔NiTi合金熱爆模具。該材料保溫效果好、脫模容易。為提高模具強度，模具外加鋼套。為防止翻模時塑料模型變形，模型內填石膏。
3、多孔NiTi合金人工植入體成形：用150MPa壓力壓制按近等原子比配製並混勻的Ni粉和Ti粉成生坯。將生坯放入熱爆模具中，然後一起放入電阻爐中，在氬其保護下升溫至NiTi的自蔓延反應溫度950℃，整個生坯將同時發生自蔓延反應，實現熱爆。由於生坯與熱爆模具有一定的間隙，熱爆後體積膨脹充滿間隙，形成與CT掃描的尺寸和形狀完全相同的多孔人工股骨頭。間隙過大充不滿且易使內部出現大孔洞，過小則會脹壞熱爆模具，間隙大小根據植入體大小確定。雙邊間隙總和為植入體尺寸的1/3。