一种基于3D打印的多孔钽骨植入物及其制备方法

本申请涉及医用骨植入材料，更具体地说，是涉及一种基于3d打印的多孔钽骨植入物及其制备方法。

背景技术：

1、多孔医用金属材料用于人体骨组织缺损修复已经在临床广泛应用，展现出了很好的医疗前景。目前，常见的多孔医用金属材料主要为金属不锈钢、金属钛、金属钛合金和多孔钽等。钛合金属于生物惰性材料，缺乏骨诱导性，植入机体后仅与周围骨组织建立机械接触而不能形成有效的化学键合，导致钛合金较难与周围骨界面实现早期骨性整合；其次，钛植入物的耐腐蚀性较弱，植入机体后钛植入物表面会逐渐出现点腐蚀、微洞腐蚀、缝隙腐蚀等现象，容易引起周围组织产生炎症，增加了钛植入物松动、移位的风险，影响钛植入物的骨修复效果。

2、多孔钽具有优异的抗冲击性、耐腐蚀性和成骨活性，多孔钽与人体骨组织的表面摩擦系数高于钛合金等传统医用金属植入材料，力学性能优异，具有生物固定效果，使其不会出现上述易腐蚀、易松动移位等问题。随着医学的发展，人们对医用多孔钽材料的需求变得越来越迫切，但钽的高熔点使其难以加工成形状复杂的个性化植入物，较高的硬度和弹性模量增加了应力遮蔽的风险，同时钽自身的成骨诱导能力仍不满足骨再生修复需求。因此，需要对多孔钽骨植入物进行设计开发，调控烧结性能和力学性能，增强成骨诱导能力，以满足临床骨缺损修复的需求。

3、目前，多孔钽骨植入物的制备方法主要包括有机泡沫浸渍法和化学气相沉积法，工艺复杂,生产成本高，且由于钽的高熔点和上述传统制备方法稳定性和可控性差，导致钽宏观上难以加工成形状复杂的个性化植入物，微观上难以实现对多孔钽骨植入物孔隙结构的调控，孔隙形貌不好且分布不均匀，使多孔钽骨植入物力学性能与人体骨组织不适配、成骨诱导能力差，受制备工艺的限制无法满足临床医用需要。因此，需要一种力学性能与人体骨组织适配、成骨诱导能力优异的多孔钽骨植入物和制备该多孔钽骨植入物的方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本申请提供一种基于3d打印的多孔钽骨植入物及其制备方法，通过设计打印浆料的原料组分和采用3d打印挤出成型技术，解决多孔钽骨植入物力学性能不适配和成骨诱导能力差等问题，简化了多孔钽骨植入物的工艺流程，降低生产成本，提高了制备过程的稳定性和可控性。

2、本申请采用的技术方案如下：本申请提供一种基于3d打印的多孔钽骨植入物，多孔钽骨植入物由打印浆料通过3d打印设备挤出成型；打印浆料包括以下重量份的原料：50-70重量份纯钽金属、1-2重量份氧化镁、1-4重量份氧化锌和5-15重量份f127水溶液。

3、优选地，多孔钽骨植入物的孔隙率为40％-90％，孔径大小为100μm-800μm。

4、本申请还提供一种上述多孔钽骨植入物的制备方法，包括以下步骤：

5、（1）获取数据、构建模型

6、通过医学影像技术对患者的骨缺损处扫描，获取缺损骨组织数据，构建缺损骨组织三维模型；

7、（2）通过有限元模拟优化结构

8、根据缺损骨组织三维模型设计得到多孔钽骨植入物打印模型，将缺损骨组织三维模型和多孔钽骨植入物打印模型装配进行有限元模拟，优化多孔钽骨植入物打印模型的结构，得到用于打印的多孔钽骨植入物优化模型，将多孔钽骨植入物优化模型的数据导入3d打印设备；

9、（3）混合浆料、打印制备

10、将打印浆料混合并脱泡处理，加入3d打印设备的料筒中，根据步骤（2）得到的多孔钽骨植入物优化模型进行挤出制备，得到多孔钽骨植入物打印体；

11、（4）干燥

12、将步骤（3）中制备的多孔钽骨植入物打印体真空干燥24h；

13、（5）真空烧结

14、对步骤（4）中干燥后的多孔钽骨植入物打印体进行真空烧结处理，冷却，得到可用于人体骨缺损修复的多孔钽骨植入物。

15、优选地，步骤（3）中，将打印浆料混合并脱泡处理的具体步骤为：将f127水溶液置于0℃的水中，依次加入纯钽金属、氧化镁和氧化锌，通过机械搅拌的方式进行初步混合，将混合物加入真空搅拌脱泡机进行二次混合和脱泡，通过调整f127水溶液含量来调整打印浆料的粘度，以达到适合打印状态。

16、优选地，步骤（5）中，真空烧结处理采用分段升温方式，具体步骤为：第一阶段从室温升至250℃，升温速率为3℃/min，保温60min，继续升温至450℃，升温速率为5℃/min，保温60min；第二阶段升温至1200℃，升温速率为8℃/min,保温60min；第三阶段升温至1600-1800℃，升温速率为5℃/min，保温120-480min；第四阶段冷却至800℃，降温速率为10℃/min，然后随炉冷却至室温；第五阶段升温至800℃，升温速率为10℃/min，保温240min，然后随炉冷却至室温。

17、优选地，步骤（1）中，将缺损骨组织数据导入mimics软件进行建模，再导入geomagic软件进行优化，得到缺损骨组织三维模型。

18、优选地，步骤（2）中，多孔钽骨植入物打印模型为丝状结构逐层堆叠形成的模型，通过三维设计软件ug、solidworks、pro-e或catia等设计。

19、优选地，步骤（2）中，有限元模拟可采用有限元模拟软件ansys或abaqus等，对多孔钽骨植入物打印模型进行结构优化。

20、优选地，步骤（2）中，结构优化是基于装配后的缺损骨组织三维模型和多孔钽骨植入物打印模型的数据，在有限元模拟软件中，模拟人体骨组织受力情况和植入环境，模拟过程中对多孔钽骨植入物打印模型进行结构优化，获得力学性能与人体骨组织相适配的多孔钽骨植入物优化模型。

21、本发明具有以下的突出特点和有益效果：1.本发明中的多孔钽骨植入物由打印浆料通过3d打印设备挤出成型，打印浆料包含氧化镁和氧化锌，步骤（3）中，氧化镁和氧化锌在水溶液中轻微溶解能够构建微碱性环境，提高纯钽金属粉末与f127水溶液粘结剂的结合作用，实现了不添加增稠剂的纯钽金属材料挤出3d打印。2.氧化镁和氧化锌作为烧结助剂，一方面氧化镁和氧化锌能够促进钽金属颗粒晶界间的扩散和颗粒表面的化学反应，在钽金属颗粒之间形成一层富含镁和锌的液相晶界，加速颗粒的结合和扩散，降低烧结温度，解决钽金属高熔点烧结难的问题；另一方面，氧化镁和氧化锌能够抑制晶粒长大，促进其晶粒的均匀分布和排列，从而减少缺陷和孔隙的形成，降低钽骨植入物的孔隙率，优化孔隙形状和分布，提高钽骨植入物的致密性。3.步骤（5）的真空烧结过程中，镁锌元素能够固溶于钽晶粒中，起到固溶强化作用，镁锌化合物弥散分布于钽基体中产生粒子弥散强化作用，大幅提高多孔钽骨植入物的力学性能，解决力学性能不适配的问题。4.本发明中的多孔钽骨植入物含有少量的镁元素和锌元素，在体内组织修复过程中能够发生镁元素和锌元素的溶解，引导成骨细胞转化，促进新骨的再生和长入，增强成骨诱导能力，满足骨再生修复需求；提高多孔钽骨植入物与新生组织的结合力，大幅降低了钽骨植入物松动、移位的风险。

技术特征：

1.一种基于3d打印的多孔钽骨植入物，其特征在于：所述多孔钽骨植入物由打印浆料通过3d打印设备挤出成型；所述打印浆料包括以下重量份的原料：50-70重量份所述纯钽金属、1-2重量份所述氧化镁、1-4重量份所述氧化锌和5-15重量份所述f127水溶液。

2.如权利要求1所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物，其特征在于：所述多孔钽骨植入物的孔隙率为40％-90％，孔径大小为100μm-800μm。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，将所述打印浆料混合并脱泡处理的具体步骤为：将所述f127水溶液置于0℃的水中，依次加入所述纯钽金属、所述氧化镁和所述氧化锌，通过机械搅拌的方式进行初步混合，将混合物加入真空搅拌脱泡机进行二次混合和脱泡，通过调整所述f127水溶液含量来调整所述打印浆料的粘度，以达到适合打印状态。

5.如权利要求3所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，所述真空烧结处理采用分段升温方式，具体步骤为：第一阶段从室温升至250℃，升温速率为3℃/min，保温60min，继续升温至450℃，升温速率为5℃/min，保温60min；第二阶段升温至1200℃，升温速率为8℃/min,保温60min；第三阶段升温至1600-1800℃，升温速率为5℃/min，保温120-480min；第四阶段冷却至800℃，降温速率为10℃/min，然后随炉冷却至室温；第五阶段升温至800℃，升温速率为10℃/min，保温240min，然后随炉冷却至室温。

6.如权利要求3所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，将所述缺损骨组织数据导入mimics软件进行建模，再导入geomagic软件进行优化，得到所述缺损骨组织三维模型。

7.如权利要求3所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述多孔钽骨植入物打印模型为丝状结构逐层堆叠形成的模型，通过三维设计软件ug、solidworks、pro-e或catia等设计。

8.如权利要求3所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述有限元模拟可采用有限元模拟软件ansys或abaqus等，对所述多孔钽骨植入物打印模型进行结构优化。

9.如权利要求8所述的一种基于3d打印的多孔钽骨植入物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述结构优化是基于装配后的所述缺损骨组织三维模型和所述多孔钽骨植入物打印模型的数据，在有限元模拟软件中，模拟人体骨组织受力情况和植入环境，模拟过程中对所述多孔钽骨植入物打印模型进行结构优化，获得力学性能与人体骨组织相适配的所述多孔钽骨植入物优化模型。

技术总结本发明提供了一种基于3D打印的多孔钽骨植入物及其制备方法，该多孔钽骨植入物由打印浆料通过3D打印设备挤出成型；打印浆料包括以下重量份的原料：50‑70重量份纯钽金属、1‑2重量份氧化镁、1‑4重量份氧化锌和5‑15重量份F127水溶液。该多孔钽骨植入物的制备方法包括以下步骤：获取数据、构建模型；通过有限元模拟优化结构；混合浆料、打印制备；干燥；真空烧结。本发明解决了多孔钽骨植入物力学性能与人体骨组织不适配和成骨诱导能力差等问题，简化了多孔钽骨植入物的工艺流程，降低生产成本，提高了制备过程的稳定性和可控性。本申请广泛应用于医用骨植入材料技术领域。技术研发人员：房士尧,张鹏,刘康,朱强,孙金平受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）技术研发日：技术公布日：2024/6/11