医用植入仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构制备方法

本发明属于医用植入材料领域，具体涉及一种医用植入仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构制备方法。

背景技术：

1、随着社会的进步与科技的发展，人们对生命健康水平越来越重视，而交通意外与疾病等造成的骨创伤，骨缺损逐渐增加，目前常用致密性钛合金骨植入材料容易引发“应力屏蔽”现象且缓冲吸能效果较差，无法满足患者跑、跳等多元化需求，而常用非金属植入材料如医用聚氨酯等又欠缺高强度，且弹性模量较低，所以迫切需要一种能个性化定制、兼具高强度高阻尼的可植入材料来满足病患的需求。

2、在日常观察中，发现柚子即使从高空坠落也不会摔裂，果肉也几乎不会受到损伤，柚子皮多孔结构的保护作用与高强高阻尼医用植入材料的要求“不谋而合”。同时，niti合金是最常用的形状记忆合金，具有形状记忆、超弹性、高强高阻尼等优异的功能特性，但是其弹性模量在40-90gpa，要高于人骨的10-30gpa，容易出现“应力屏蔽”现象，而聚氨酯是一种高阻尼的高分子医用植入材料，其弹性模量在70-700mpa，受柚子皮多孔结构启发，利用泰森多边形原理生成多孔niti骨架与聚氨酯泡沫的填充，可以将两种材料结合制备出兼具高强高阻尼且弹性模量接近人骨的异质材料，而且随着增材制造技术的出现，因其具有几乎无限的设计自由度和近净成形的能力，能够制备先进的复杂零部件，可以打印出不同孔隙率与梯度的niti骨架满足不同患者不同部位的个性化定制需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中医用植入材料功能单一、强度不足、缓振吸能效果差、易出现“应力屏蔽”现象的问题，本发明提供一种医用植入仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构制备方法。

2、一种医用植入仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构制备方法，包括如下步骤：

3、步骤一：基于泰森多边形原理根据不同患者不同部位进行孔隙率可调、梯度可变、孔曲率可变的多孔结构三维建模，得到三维模型；

4、步骤二，基于激光粉末床熔融（l-pbf）金属增材制造技术，利用设定的打印策略制备niti多孔结构骨架；

5、步骤三，将聚氨酯泡沫填充在niti多孔结构骨架中，在恒温箱中放置24小时脱模后得到仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构。

6、本发明的有益效果是：

7、从柚子皮中受到启发，本发明制备出的仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构结合界面良好，兼具niti合金的高强和聚氨酯的高阻尼效果，缓冲吸振能力强，实现niti/聚氨酯的协同增效作用，有效避免患者植入后二次损伤；

8、区别于传统单一钛合金或单一高分子材料植入物，本发明通过中和niti合金和聚氨酯泡沫的弹性模量，弥补了单一材料弹性模量过高或过低的不足，使得所制备的镍钛/聚氨酯异质结构更加接近人骨的弹性模量，有效避免“应力屏蔽”现象；

9、本发明创新性的将增材制造技术与聚氨酯泡沫化学发泡法结合，减少了niti合金加工的刀具磨损，赋予了niti骨架自由形状快速成型的能力，缩减了时间成本，同时孔隙率、梯度、孔曲率的可调节满足了不同患者不同部位的个性化定制需求。

技术特征：

1.一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：包括如下步骤：所述步骤一中基于泰森多变形原理建模的具体方法为：首先创建立方体或任意复杂形状和与之匹配的均匀矩阵，然后对立方体或其他任意复杂形状对象使用泰森分裂破碎命令，用矩阵点来破碎默认立方体或其他任意形状对象，然后将矩阵点效果设置为随机后，对模型进行晶格化，调整晶格球体半径和圆柱半径后转化为体积对象并进行平滑处理，最终得到多孔结构。

3.根据权利要求2所述的一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：所述步骤一中多孔结构设计方法为：将每个矩阵点设置为随机后，将所有相邻的矩阵点连成三角形，作这些三角形的垂直平分线，于是每个随机矩阵点周围的若干垂直平分线便围成一个多边形，这些多边形在三维空间进行组合便构成所需的多孔结构。

4.根据权利要求3所述的一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：所述步骤一中，多孔结构孔隙率可调、梯度可变、孔曲率可变具体方法为：孔隙率可以通过设置随机矩阵的大小和数量来调整，随机矩阵越小，数量越多时，孔隙率越小；梯度可以通过在不同的组域中生成孔隙率不同的多孔结构，将孔隙率不同的多孔结构划分后进行组合得到变梯度变孔隙率niti多孔骨架，孔曲率可以通过噪波来修改每个随机矩阵点周围的若干垂直平分线围成多边形的曲率，得到变孔曲率niti多孔骨架。

5.根据权利要求4所述的一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：所述步骤二中，将步骤一中所得到的三维模型保存为stl.格式导入materialise magics软件中切片处理后拷入l-pbf打印设备的控制软件中，在水冷的情况下，采用中位直径为35μm近等原子比niti球形粉末置于打印机粉仓中，通入高纯氩气作为保护气，在氧含量低于0.03%后，开始在激光功率为125w，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.08mm，层厚为0.03mm，扫描策略为条带状扫描，扫描角度为47°的条件下使用l-pbf工艺成型致密无缺陷无裂纹的niti多孔结构骨架。

6.根据权利要求5所述的一种仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，其特征在于：所述步骤三中，将脱模剂涂抹于模具表面，将步骤二中制备好的niti多孔结构骨架放入模具中备用，模具要保证高于niti多孔结构骨架1高度的一半以上，再将组合聚醚和异氰酸酯5按照质量比1：1.05的比例放入烧杯中配置，然后放置搅拌器7混合搅拌8-10s后，使得溶剂充分混合后迅速再倒入放置niti多孔结构骨架1的模具中，组合聚醚和异氰酸酯会流动填充进多孔niti骨架3缝隙中，直至淹没多孔niti骨架3，放置在恒温箱中在25°的条件下存放24小时，期间组合聚醚和异氰酸酯会反应产生聚氨酯泡沫，待充分热化结合稳定后取出，进行脱模后得到仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构。

技术总结本发明公开了一种医用植入仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构制备方法，包括如下步骤：步骤一：基于泰森多边形原理根据不同患者不同部位进行孔隙率可调、梯度可变、孔曲率可变的多孔结构三维建模，得到三维模型；步骤二，基于激光粉末床熔融金属增材制造技术，利用设定的打印策略制备NiTi多孔结构骨架；步骤三，将聚氨酯泡沫填充在NiTi多孔结构骨架中，在恒温箱中放置24小时脱模后得到仿生高强高阻尼镍钛/聚氨酯异质结构，本发明创新性的将增材制造技术与聚氨酯泡沫化学发泡法结合，减少了NiTi合金加工的刀具磨损，赋予了NiTi骨架自由形状快速成型的能力，缩减了时间成本，同时孔隙率、梯度、孔曲率的可调节满足了不同患者不同部位定制需求。技术研发人员：于征磊,郭滨恺,高德龙,信仁龙,于省楠,池豪态,陈立新,张超磊,徐泽洲,郭云婷,王金成,赵昕,任露泉受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12