CN111631842B - 一种制备骨缺损假体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备骨缺损假体的方法，属于骨假体制作技术领域，1)建立假体模型：采用核磁共振或CT扫描骨缺损部位构建骨假体模型：2)建立融合区域：将骨假体模型与人体骨缺损部位相贴合的区域修改为多孔结构的融合区域；3)编制打印程序；4)打印准备；5)打印：沿打印路径打印第一层，用激光加热熔化或用电子束熔化并固结，之后，继续层叠第二层、第三层，直至形成TC4基体；6)喷涂：将微米级Ta粉通过气相沉积或冷喷涂或等离子喷涂沉积到融合区域的多孔结构中，得到骨缺损假体。本发明可快速准确地制备钛合金基体和生物活性层，在提高融合水平的同时，解决了现有技术制备时间长和制备成本高的问题。

Description

一种制备骨缺损假体的方法

技术领域

本发明涉及骨假体制作技术领域，具体涉及一种制备骨缺损假体的方法。

背景技术

因病变、创伤或手术所致的骨质短缺，称为骨缺损。对于严重的骨缺损需用骨假体进行填充和修复，以使骨质完整恢复其运动功能。现有技术中，常采用Ti6Al4V(TC4)钛合金材料制备骨假体，由于与人体亲和性不足导致与人体缺损处的结合力不够，可能无法修复其运动功能。

钽是极其理想的生物适应性材料。它与人体的骨骼、肌肉组织以及液体直接接触时，能够与生物细胞相适应，具有极好的亲和性，几乎不对人体产生刺激和副作用。现有技术中，已提出在Ti6Al4V(TC4)钛合金基体上制备一层多孔钽涂层，从而提高其在人骨修复手术中的成活性。

虽然钽表现出良好的生物性能，但也受限于其极具挑战性的制备过程。目前，钽涂层的制备方法主要有等离子喷涂(APS)和超音速火焰喷涂(HVOF)，但是这些方法制备出来的钽涂层由于高温导致氧含量较高，需要在真空室或高纯保护气氛下操作，这就导致较高的制备成本。同时，这些方法还存在孔隙不均匀、孔形不规则和贯通孔过少等问题，影响骨长入效果。

针对上述问题，现有技术提出了冷喷涂多孔涂层的方法，在Ta粉中加入易于除去且塑性较好的另一相(Al)作为致孔剂，再用化学氧化的方法将Al去除，从而形成多孔钽结构。

上述方法虽然可以形成多孔钽结构，但需要1-7天的氧化反应时间，严重延缓了制备效率，对于重症患者是一种考验；同时，该方案中采取浸泡反应获取多孔结构和喷涂实现涂层，然而该两工序都无法准确地对骨假体的某一指定区域进行操作，因此，需要增大涂层面积以弥补上述缺陷，增加了工作量和制备成本；另外，在上述方案中，并没有对Ti6Al4V(TC4)钛合金基体的获得提供解决方案，可能增加不确定性的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备骨缺损假体的方法，可快速准确地制备钛合金基体和生物活性层，解决了现有技术制备时间长和制备成本高的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种制备骨缺损假体的方法，包括以下步骤:

1)建立假体模型：采用核磁共振或CT扫描骨缺损部位构建骨假体模型；

2)建立融合区域：将骨假体模型与人体骨缺损部位相贴合的区域修改为多孔结构的融合区域；

3)编制打印程序：将具有融合层的假体模型的STL文件导入3D打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形，并根据截面图形设计平面打印路径；

4)打印准备：将Ti6Al4V钛合金粉末进行颗粒配比混匀后，装入材料存放区，并与材料喷头连通；

5)打印：沿打印路径打印第一层，用激光加热熔化或用电子束熔化并固结，之后，继续层叠第二层、第三层，直至形成TC4基体；

6)喷涂：将微米级Ta粉通过气相沉积或冷喷涂或等离子喷涂沉积到融合区域的多孔结构中，得到骨缺损假体。

进一步，所述Ta粉粒度范围为10～60μm。

进一步，所述骨缺损假体的融合区域的厚度为1000-6000μm、孔径300-600μm、孔隙率 75％-85％。

进一步，步骤6)中，对融合层进行多角度全方位喷涂。

进一步，所述颗粒配比包括震动分离和颗粒再混合过程。

进一步，所述TC4基体内具有孔状减重结构。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过CT或核磁共振获得骨缺损模型，再通过3D打印制得TC4基体，这种个性化定制，使其与人体缺损处的匹配水平显著提升，利于与人体骨的融合；

2、本发明直接打印出多孔结构的融合区域，其材质与基体一致，再用气相沉积或冷喷涂或等离子喷涂技术将Ta粉固结在多孔结构上，直接获得生物活性层，其效率高，制备成本低；

总之，本发明可快速准确地制备钛合金基体和生物活性层，在提高融合水平的同时，解决了现有技术制备时间长和制备成本高的问题。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为股骨缺损的示意图；

图3为股骨缺损的另一示意图；

图4为骨假体模型的结构示意图；

图5为骨假体模型的俯视图；

图6为骨假体的主视图；

图7为骨假体的剖视图。

附图标记说明：

1-股骨；2-缺损部位；3-骨假体模型；4-边界线；5-融合区域；6-骨假体；7-TC4基体； 8-最大轮廓线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

本发明提供一种制备骨缺损假体的方法，如图1所示，包括以下步骤:

1)建立假体模型：如图2所示，为一股骨缺损图，在股骨1上有一缺损部位2，清理、清洗骨缺损部位，使缺损部位清晰可见，并用CT扫描仪进行扫描成像，或者用核磁共振成像，构建出骨缺损的三维数学模型；再通过骨缺损的三维数学模型构建出骨缺损骨假体模型3，如图3所示；

2)建立融合区域，具体包括以下步骤：

确定边界：以人体骨缺损处包裹骨假体的边界线4为界；当然，如果该边界线也为骨假体的最大轮廓线8时，融合区域也可以略小于该边界线，本实施例即为此类情况，如图4所示；

多孔处理：采取UG中晶格指令将上述边界所限定的区域生成网孔大小为400-700μm、厚度为1000-6000μm、孔隙率80％-90％的多孔结构，该多孔结构所在的区域即为融合区域5。

3)编制打印程序：将具有融合层的假体模型的STL文件导入3D打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形，并根据截面图形设计平面打印路径；

4)打印准备：将Ti6Al4V钛合金粉末装入配比机构，先进行大小颗粒分离，再将大小颗粒按一定比例进行混合、搅拌，形成大小颗粒适中的混合材料；

5)打印：采用3D打印设备将上述混合材料沿打印路径打印第一层，用激光加热熔化并固结，之后，继续层叠第二层、第三层，直至形成TC4基体7；

实际打印中，为了减重，在保证TC4基体的结构强度的前提下，TC4基体并不为完全的实体结构，其内部设置有多个减重孔，可以有效降低假体重量和制造成本；

6)冷喷涂：采用冷气动力喷涂设备，将微米级Ta粉在一定条件下喷涂沉积到融合区域表 面，形成连续的Ta涂层对钛合金基体形成包裹，从而形成生物活性层制得骨缺损假体6，如图 6、7所示。

冷喷涂设备的工作条件为温度400～500℃，压力2.5～3.5MPa，喷涂距离15～25mm，选择压缩空气作为喷涂介质。

Ta粉基本为球状或类球状，其粒度范围为10～60μm，理想的是，制成后的融合区域的厚度为1000-6000μm、孔径300-600μm、孔隙率75％-85％。

步骤5)中，也可以采用电子束熔化的方式进行熔化。

TC4基体的成型，也可以采取挤压成型的方式得到。以最终得到有结构强度的TC4基体为准。

在步骤6)中使用的冷气动力喷涂设备可以是各种现有设备，但应选择喷头可移动，且其轴线可变的设备，从而实现与融合区域之间的夹角变化，从而对融合层进行多角度全方位喷涂，尽可能提高Ta粉与孔丝相遇增加结合率的机会。该步骤中，也可以采取气相沉积或等离子喷涂的方法将Ta粉沉积到融合区域的多孔结构中。虽然，等离子喷涂也存在需要高纯气体保护，但由于其只是在网孔表面喷涂，相对于整体制备融合层喷涂量少，制备时间短。当然，具体使用时，可根据实际需要进行选择，以满足个性化需求。

当然，也可以制作喷头固定夹具，在夹具设置相应的旋转功能件，使喷头相对于融合表面可移动和旋转，即可实现该功能。

本实施例通过CT或核磁共振获得骨缺损模型，再通过3D打印，制得TC4基体，这种个性化定制，使其与人体缺损处的匹配水平显著提升，利于与人体骨的融合；

本实施例直接打印出多孔结构的融合区域，其材质与基体同为钛合金，再用冷喷涂技术或气相沉积技术或等离子喷涂技术将Ta粉固结在多孔结构上，直接获得生物活性层，本方案由于只用一种钛合金，相对于现有技术采取钛钽两种合金的方式可以简化程序，提高制备效率，同时，本方案还可以减少由于高温导致钽涂层的氧含量较高需要在真空室或高纯保护气下操作所带来的支出，使制备成本降低；另外，本方案由于只是采取了钽涂层，可以有效地降低钽材料的用量，从而减轻了骨假体重量，并进一步降低了制备成本。

本实施例通过颗粒配比，调节材料中大颗粒与小颗粒的比例，一方面增强了材料流动性，另一方面可确保材料的熔化水平，提高材料的熔化效率和固结水平。

总之，相对于现有技术，本实施例在增强生物相容性以及骨整合性的同时，可快速简洁地制备，缩短了制备周期，降低了材料耗费和制备成本，解决了现有技术制备时间长和制备成本高的问题。

本实施例以股骨为例，并非仅限于股骨，同样也适用于任何存在骨缺损的部位。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种制备骨缺损假体的方法，其特征在于：包括以下步骤:

1）建立假体模型：采用核磁共振或CT扫描骨缺损部位构建骨缺损假体模型；

2）建立融合区域：将骨缺损假体模型与人体骨缺损部位相贴合的区域修改为多孔结构的融合区域，以人体骨缺损处包裹骨缺损假体的边界线为边界，

多孔处理：采取UG中晶格指令将上述边界所限定的区域生成网孔大小为400-700μm、厚度为1000-6000μm、孔隙率80%-90%的多孔结构，该多孔结构所在的区域即为融合区域；

3）编制程序：将具有融合区域的骨缺损假体模型的STL文件导入3D打印设备中，进行切片处理，得到当前需要打印的截面图形，并根据截面图形设计平面打印路径；

4）打印准备：将Ti6Al4V钛合金粉末进行颗粒配比混匀后，装入材料存放区，并与材料喷头连通；

5）打印：沿打印路径打印第一层，用激光加热熔化或用电子束熔化并固结，之后，继续层叠第二层、第三层，直至形成TC4基体；

6）喷涂：将Ta粉通过气相沉积或冷喷涂或等离子喷涂沉积到融合区域的多孔结构中，形成连续的Ta涂层对TC4基体形成包裹，得到骨缺损假体,

所述骨缺损假体的融合区域的厚度为1000-6000μm、孔径300-600μm、孔隙率75%-85%，

所述Ta粉粒度范围为10～60μm。

2.根据权利要求1所述的一种制备骨缺损假体的方法，其特征在于：步骤6）中，对融合区域进行多角度全方位喷涂。

3.根据权利要求1所述的一种制备骨缺损假体的方法，其特征在于：所述颗粒配比包括震动分离和颗粒再混合过程。

4.根据权利要求1所述的一种制备骨缺损假体的方法，其特征在于：所述TC4基体内具有孔状减重结构。

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