[发明专利]纳米钻石烯3D打印骨及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于人造骨骼技术领域，涉及一种3D打印骨，特别涉及一种纳米钻石烯3D打印骨及制作方法。

背景技术

目前，3D打印技术发展成熟并成功推向市场被广泛应用。3D打印机的出现，颠覆了部件设计完全依赖于生产工艺的思路，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现，并极大地缩短了产品的生产周期。3D打印是先通过计算机建模软件建模，然后采用分层加工、叠加成型来完成打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化粘结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。打印的截面厚度一般为100微米，薄的可以打印16微米一层。3D打印作为科技融合体模型中最新的高“维度”的体现之一，可用于航空航天，牙科和医疗产业，教育，汽车，工程建筑，工业设计，珠宝，鞋类，土木工程，和许多其他领域。骨科中3D骨骼打印机的技术突破为医生采用患者自己的细胞组织培育替换受损的患病骨骼开辟了新途径，它主要是对患者需要复制的骨骼进行3D打印成像，如果这块骨骼丢失或者严重受损，可以对身体上的“孪生骨骼组织”进行镜像3D成像，获得的3D成像输入3D打印机，该打印机是打印薄层的预选材料，然后一层重叠一层，直至形成3D目标的实体化，最后植入患者体内。

随着社会人口结构老龄化，越来越多的患者因为严重髋关节疾病失去劳动能力及生活自理能力，需要进行人工髋关节置换。3D打印人工髋关节的最大特点就在于臼杯，它是由最先进的金属3D打印技术制造，能够将臼杯与其表面的微孔涂层一气呵成，步骤是先将患者需要置换的数据传输给计算机，通过软件分析重建成三维立体，按照设定的形状，经60000伏高压形成的电极丝将把预先放入锻造箱中的钛合金粉一层层堆积锻造，最终打印出一个表面有着微孔结构的臼杯。臼杯表面之所以需要微孔涂层，主要是因为金属是生物惰性材料，长期植入人体中将产生排斥反应，形成血栓、组织增生等并发症。在医用金属植入物表面涂覆PLGA涂层，使其表面进行生物改性是提高金属材料生物相容性的有效方法，但是PLGA涂层在患者体内降解速度快，最终使体内软组织与金属接触，导致患者出现酸痛、酸胀不适等症状，需要进行二次手术治疗，并且在国际使用标准上结合临床，使用年限在10至20年。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能优、生物相容性能好且使用寿命长的纳米钻石烯3D打印骨及制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：纳米钻石烯3D打印骨，打印骨的外形为基于人体骨骼的真实扫描形状制成的形状；打印骨包括骨本体，骨本体由钻石烯粘结剂制成；骨本体表面固接有若干层固化层，任一固化层由内侧的金属层和外侧的微孔涂层构成；金属层由钛合金粉末组成，微孔涂层由纳米钻石烯组成，其中钛合金粉末的平均粒径小于1μm。

纳米钻石烯为层片状单晶结构，同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。

纳米钻石烯的平均粒径为R，20≤R≤300nm。

钻石烯粘结剂由改性环氧树脂、表面功能化钻石烯、聚氨基甲酸酯和硅烷偶联剂组成，其中各组分质量比例为：环氧树脂40-50%、表面功能化钻石烯30-40%、聚氨基甲酸酯5-15%、硅烷偶联剂5%。

纳米钻石烯3D打印骨的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，

1）对本体骨骼进行CT扫描，获取打印骨的三维外形数据；

2）对三维外形数据进行分层，并根据每一层的轮廓信息进行数控编程，将编程的数据导入到3D打印机中；

3）控制3D打印机在打印平台上用钻石烯粘结剂打印出骨本体，固化；

4）控制3D打印机在固化后的骨本体表面上依次打印上由钛合金粉末组成的金属层和由纳米钻石烯组成的微孔涂层，钛合金粉末和纳米钻石烯固化形成固化层；

5）重复进行步骤4）直至打印完成；

6）取出打印完成的3D打印骨，吹掉周围松散的粉末，经过表面处理后得到成品；

7）收集被吹掉的粉末进行回收利用。

纳米钻石烯的制备工艺，包括以下步骤：