[发明专利]一种3D打印用钛合金人工骨骼材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印用钛合金人工骨骼材料人工骨骼制备方法，属3D打印技术领域。

背景技术

随着3D打印技术的飞速发展和进步，在医用钛合金人工骨骼加工及制备中也得到了极为广泛的应用，但当前在通过3D打印系统进行钛合金人工骨骼加工过程中，往往均采用的传统加工工艺进行制备，虽然可以满足对钛合金人工骨骼加工制备的需要，但加工出的钛合金人工骨骼的结构精度与人体骨骼间均不同程度存在结构偏差，从而导致钛合金人工骨骼安装到人体内时，安装定位难度相对较大，匹配性相对较差，同时也导致当前的钛合金人工骨骼与人体组织间的生物契合度相对较差，从而严重影响了钛合金人工骨骼使用的可靠性和稳定性，不能有效的满足实际使用的需要，因此针对这一问题，迫切需要开发一种可有效满足3D打印加工的钛合金人工骨骼材料及加工工艺，以满足实际使用的需要。

发明内容

本发明目的就在于克服上述不足，提供一种3D打印用钛合金人工骨骼材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种3D打印用钛合金人工骨骼材料，由以下质量份数物质构成：Al：5%—13%、Zn：1.1%—6.5%、Mg：6%—18%、Cu：15%—35%、Ni：1.5%—3.5%、Zr：2.5%—6.1%、Nb：0—4.5%、Si：0—3.5%、余量为Ti。

进一步的，所述的Al、Zn、Mg、Cu、Ni、Zr、Nb、Si及Ti均为单质金属颗粒及合金颗粒中的任意一种，且颗粒直径为30—50nm。

一种3D打印用钛合金人工骨骼制备方法，包括以下步骤：

第一步，骨骼建模，首先通过CT扫描设备，对人体需要进行钛合金骨骼替换部位的骨骼组织结构进行扫描，并建立该部位骨骼组织结构的三维结构数据模型，然后将建立的三维结构数据模型编码转化为3D打印成型加工作业的编程语音编码；

第二步，3D打印设备调试，将第一步编订的编程语音编码数据下载到激光3D打印系统中并保存，然后由激光3D打印系统运行程序对编程语音编码数据进行仿真运行，并根据仿真运行结果，结合激光3D打印系统的运行偏差，对编程语音编码数据进行参数补偿，获得骨骼成型加工程序，然后保存备用；

第三步，物料混合，根据使用需要，将Al、Zn、Mg、Cu、Ni、Zr、Nb、Si及Ti原料按比例添加到混料设备中，通过混料设备进行搅拌混合并预热，在10—30分钟内完成物料混合，并同时将原料温度匀速加热至80℃—150℃，并保温备用；

第四步，加工成型，将第三步制备得到的混合物料添加到激光3D打印系统中，由激光3D打印系统根据第二步骤保存的骨骼成型加工程序将混合物料加工成型为骨骼毛坯件；

第五步，毛坯表面处理，将第四步制备的骨骼毛坯件毛刺缺陷进行清理，然后将毛坯件浸入到电解液中进行阳极氧化处理，在骨骼毛坯件表面构成具有维纳尺度的多孔表面结构，然后通过去离子水对完成阳极氧化处理后的骨骼毛坯件进行清理并冷风干燥备用；

第六步，氮化处理，将经过第五步处理的骨骼毛坯件置于等离子高温氮化炉内进行氮化处理，然后将完成氮化处理后将骨骼毛坯件自然冷却至常温即可得到成品钛合金骨骼件。

进一步的，所述的第二步至第六步加工作业中，均在惰性气体保护环境氛围中进行。

进一步的，所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。

进一步的，所述的第三步中，搅拌作业采用超声波搅拌、高压气流搅拌、磁性搅拌中的任意一种；预热热源为辐照热源。

进一步的，所述的第四步中，激光3D打印系统运行时的激光功率为100—300W，扫描速度为200—2000mm/s，扫描间距为30—80μm，激光光斑为40—90μm。

进一步的，所述的第五步中，电解液由以下质量份数物质构成：氢氟酸5%—10%，双氧水3%—8%，余量为乙二醇。

进一步的，所述的第五步中，进行阳极氧化处理电压为8V,工作电流1A，工作时间为5—20分钟。

进一步的，所述的第六步中，氮化处理时间为4—8小时，处理温度为500℃—750℃，氮气纯度为99.9%，氮气流量为50—100ml/min，氮气压力为1—2.1倍标准大气压。

本发明一方面可有效的提高加工作业的精度，提高钛合金人工骨骼与人体骨骼及肌肉等生物组织间的连接可靠性和生物契合度，另一方面可有效的提高钛合金人工骨骼通过3D打印加工成型作业的可靠性和灵活性，并达到有效的提高钛合金人工骨骼的结构强度和降低钛合金人工骨骼重量的目的。

附图说明