CN109454236A - 一种多孔口腔种植体的3d打印方法及多孔口腔种植体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔口腔种植体的3D打印方法和多孔口腔种植体，其特征在于，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体，其中，所述多孔口腔种植体上开设有多个孔。本发明提供的多孔口腔种植体的3D打印方法，采用激光选区熔化增材制造工艺，能用于制作具有可控的、规则一致的孔隙结构和孔径大小的口腔种植体，保证口腔种植体组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，具有优良的骨结合性能，同时均匀规则的多孔结构设计导致构件在受力条件下不易变形，使得口腔种植体具有良好的力学性能。

Description

一种多孔口腔种植体的3D打印方法及多孔口腔种植体
技术领域
本发明涉及口腔医疗增材制造领域，更具体地说，特别涉及一种口腔种植体的3D打印方法及多孔口腔种植体。
背景技术
口腔种植体能作为人工牙根替代天然牙根，它具有高舒适度、恢复咀嚼效率高和不损伤邻牙等特点，种植口腔种植体已成为口腔临床修复牙列缺失与牙列缺损的首选治疗方案。现在市场上绝大多数商品化口腔种植体都是实型体，尽管其具有良好的生物相容性，但是它们仍存在自身的问题：实型多孔口腔种植体骨结合性能不高和弹性模量显著高于周围骨组织，形成“应力遮挡”效应，导致周围骨组织吸收，制约了其在临床的广泛推广。
为了解决上述问题，学者们将口腔种植体设计为多孔结构，从微观上促进组织细胞，尤其是骨组织细胞长入，从宏观上降低了材料的弹性模量。现有技术中用来发泡法制作具有多孔结构的口腔种植体，即在制造材料中加入发泡剂，利用发泡剂反应产生的气泡来形成口腔种植体中的孔状结构，但这种方法存在孔隙结构和孔径大小无法控制的技术问题，不合理的孔径大小和孔隙结构会导致口腔种植体的骨结合性能和力学性能的下降，难以满足口腔临床需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多孔口腔种植体的3D打印方法，能用于制作可控的孔隙结构和孔径大小的多孔口腔种植体，保证多孔口腔种植体具有良好的骨结合性能和力学性能。本发明还提供一种多孔口腔种植体，由本发明所述的多孔口腔种植体的3D打印方法制作，具有良好的骨结合性能和力学性能。
一种多孔口腔种植体的3D打印方法，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体，其中，所述多孔口腔种植体为多孔结构。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体的步骤包括以下操作：
建立多孔口腔种植体三维模型，所述多孔口腔种植体的三维模型上设计有多个孔，编辑所述孔的形状和大小；
对所述多孔口腔种植体的三维模型进行切片处理，规划扫描路径；
在基板上铺设一层金属粉末，按照切片形状及扫描路径对所述金属粉末进行熔化，逐层铺粉，逐层熔化叠加，直至得到所述多孔口腔种植体。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，编辑所述孔的形状为球状，孔径为200μm、350μm或500μm。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，设定激光选区熔化增材制造工艺参数为：扫描实体的激光功率为120-180w，光斑直径为50-70μm，实体扫描速度为3000-3600mm/s，轮廓扫描速度为3000-3600mm/s，扫描搭接率为0.06-0.07。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，成型腔室内使用惰性气体保护，控制所述成型腔室内氧含量低于500ppm且压力维持在10-40mbar范围内。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，所述切片厚度10-30μm。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，所述金属粉末为TC4粉末，每层铺设的所述TC4粉末的厚度为20-30μm。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，所述TC4粉末粒径范围为15-53μm，其中d10控制在18±3μm，d50控制在30±3μm，d90控制在45±3μm。
上述多孔口腔种植体的3D打印方法，优选的，所述TC4的粉末流动性≤25s/50g。
一种多孔口腔种植体，采用上述的多孔口腔种植体的3D打印方法制作而成。
本发明提供的多孔口腔种植体的3D打印方法，采用激光选区熔化增材制造工艺，能用于制作具有可控的、规则的、一致性特点的孔隙结构和孔径大小的多孔口腔种植体，保证多孔口腔种植体组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，具有优良的骨结合性能，同时均匀规则的多孔结构设计导致构件在受力条件下不易变形，使得多孔口腔种植体具有良好的力学性能。
本发明还提供一种多孔口腔种植体，由本发明所述的多孔口腔种植体的3D打印方法制作，其具有多孔结构，且有规则一致的孔隙结构和孔径大小、组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，同时均匀规则的多孔结构设计让构件在受力的情况下不易变形，使得多孔口腔种植体具有良好的骨结合性能和力学性能。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本实施例提供一种多孔口腔种植体的3D打印方法，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体，其中，多孔口腔种植体上开设有多个孔。
本实施例采用激光选区熔化增材制造工艺来制作多孔口腔种植体，通过建立具有规则孔隙和孔径大小的模型，能制出具有可控的、规则的、一致性特点的孔隙结构和孔径大小的口腔种植体，保证口腔种植体组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，具有优良的骨结合性能，同时均匀规则的多孔结构设计导致构件在受力条件下不易变形，使得口腔种植体具有良好的力学性能。
本实施例所述的采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体的步骤包括以下操作：
建立多孔口腔种植体三维模型，所述多孔口腔种植体的三维模型上设计有多个孔，编辑所述孔的形状和大小；其中，编辑所述孔的形状为球状，孔径为200μm、350μm或500μm。当然，还可以是其他形状，例如金刚石结构。
对所述多孔口腔种植体的三维模型进行切片处理，规划扫描路径。切片厚度优选为10-30μm，其中，扫描路径优选为九宫格方式，逐层扫描时偏转角度，偏转角在36～40°之间。
具体的，九宫格方式扫描是将路径规划过程中的二维平面图形，划分成具有一定面积的方格，然后再跳动地扫描方格，最终完成整个平面的打印。
激光选区熔化增材制造工艺参数优选设定为：扫描实体的激光功率为120-180w，光斑直径为50-70μm，实体扫描速度为3000-3600mm/s，轮廓扫描速度为3000-3600mm/s，扫描搭接率为0.06-0.07。成型腔室内使用惰性气体保护，控制成型腔室内氧含量低于500ppm且压力维持在10-40mbar范围内。
开始打印，通过铺粉机构在基板上铺设一层金属粉末，供粉量设置为铺粉厚度的2-3倍，采用激光束按照切片形状及扫描路径对所述金属粉末进行熔化，逐层铺粉，逐层熔化叠加，直至得到多孔口腔种植体，打印完成后构件在成形腔室内放置3-5h。
其中，本实施例中所用的金属粉末优选为TC4粉末，每层铺设的TC4粉末的厚度优选为20-30μm，TC4粉末粒径范围优选为15-53μm，其中d10控制在18±3μm，d50控制在30±3μm，d90控制在45±3μm。
本实施例中原材料TC4粉末优选为通过气体雾化法、离心雾化法、等离子火炬法、球化法等方法制备，粉末流动性能要好，流动性≤25s/50g，满足激光选区熔化铺粉要求。
本实施例获得的TC4钛合金激光选区熔化成形的多孔口腔种植体具备规则一致的孔结构，组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，具有优良的骨结合性能，同时在受力情况下不易变形，保证了材料的综合力学性能满足临床需要。
以下给出优选的实施例。
实施例1
选取材料为TC4粉末，其中，TC4粉末粒径范围控制在15-53μm，其中d10控制在18μm，d50控制在27μm，d90控制在42μm。
利用计算机建立多孔口腔种植体的三维模型，编辑该三维模型上孔的结构及大小。对该多孔口腔种植体三维模型进行切片处理，切片厚度20μm，规划构件扫描路径，采用九宫格方式进行扫描，逐层扫描时偏转角度，偏转角37°。
激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成形腔氧含量低于500ppm且压力维持在30mbar启动打印。
设定激光选区熔化工艺参数：激光功率120W，光斑直径70μm，实体扫描速3600mm/s，轮廓及非实体扫描速度3600mm/s，扫描搭接率0.06。
打印时，首先通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为30μm的TC4钛合金粉末。激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成形腔室内存放1h后取出构件。
实施例2
选取材料为TC4粉末，其中，TC4粉末粒径范围控制在15-53μm，其中d10控制在15μm，d50控制在30μm，d90控制在45μm。
利用计算机建立多孔口腔种植体的三维模型，编辑该三维模型上孔的结构及大小。对该口腔种植体的三维模型进行切片处理，切片厚度10μm，规划构件扫描路径，采用九宫格方式进行扫描，逐层扫描时偏转角度，偏转角38°。
激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成形腔氧含量低于500ppm且压力维持在30mbar启动打印。
设定激光选区熔化工艺参数：激光功率150W，光斑直径70μm，实体扫描速3200mm/s，轮廓及非实体扫描速度3200mm/s，扫描搭接率0.07。
打印时，首先通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为30μm的TC4钛合金粉末。激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成型腔室内存放1.5h后取出构件。
实施例3
选取材料为TC4粉末，其中，TC4粉末粒径范围控制在15-53μm，其中d10控制在21μm，d50控制在33μm，d90控制在48μm。
利用计算机建立口腔种植体的三维模型，编辑该三维模型上孔的结构及大小。对该口腔种植体的三维模型进行切片处理，切片厚度30μm，规划构件扫描路径，采用九宫格方式扫描，逐层扫描时偏转角度，偏转角39°。
激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成形腔氧含量低于500ppm且压力维持在30mbar启动打印；
设定激光选区熔化工艺参数：激光功率180W，光斑直径70μm，实体扫描速3000mm/s，轮廓及非实体扫描速度3000mm/s，扫描搭接率0.06。
打印时，首先通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为30μm的TC4钛合金粉末。激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成形腔室内存放2h后取出构件。
经测试表明：利用本发明实施例制备的多孔口腔种植体无因内应力释放导致的翘曲变形现象，多孔口腔种植体成品的拉伸强度达到800～1000MPa，弹性模量达7～9GPa，可满足医用植入体对综合力学性能的要求。
本发明还提供一种多孔口腔种植体，其特征在于，采用上述的多孔口腔种植体的3D打印方法制作而成。该多孔口腔种植体具备规则一致的孔结构，组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒，有利于骨组织细胞长入，具有优良的骨结合性能，同时在受力情况下不易变形，保证了材料的综合力学性能满足临床需要。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体；
其中，所述多孔口腔种植体为多孔结构。
2.根据权利要求1所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，采用激光选区熔化增材制造工艺制备形成多孔口腔种植体的步骤包括以下操作：
建立多孔口腔种植体三维模型，所述多孔口腔种植体的三维模型上设计有多个孔，编辑所述孔的形状和大小；
对所述多孔口腔种植体的三维模型进行切片处理，规划扫描路径；
在基板上铺设一层金属粉末，按照切片形状及扫描路径对所述金属粉末进行熔化，逐层铺粉，逐层熔化叠加，直至得到所述多孔口腔种植体。
3.根据权利要求2所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，编辑所述孔的形状为球状，孔径为200μm、350μm或500μm。
4.根据权利要求2所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，设定激光选区熔化增材制造工艺参数为：扫描实体的激光功率为120-180w，光斑直径为50-70μm，实体扫描速度为3000-3600mm/s，轮廓扫描速度为3000-3600mm/s，扫描搭接率为0.06-0.07。
5.根据权利要求2所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，成型腔室内使用惰性气体保护，控制所述成型腔室内氧含量低于500ppm且压力维持在10-40mbar范围内。
6.根据权利要求2所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，所述切片厚度10-30μm。
7.根据权利要求2所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，所述金属粉末为TC4粉末，每层铺设的所述TC4粉末的厚度为20-30μm。
8.根据权利要求7所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，所述TC4粉末粒径范围为15-53μm，其中d10控制在18±3μm，d50控制在30±3μm，d90控制在45±3μm。
9.根据权利要求7所述的多孔口腔种植体的3D打印方法，其特征在于，所述TC4的粉末流动性≤25s/50g。
10.一种多孔口腔种植体，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的多孔口腔种植体的3D打印方法制作而成。
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