本發(fā)明屬于激光熔化SLM成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光熔化成形技術(shù)的鎂合金骨固定植入材料制備方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)如今，由于意外事故或疾病造成的骨折、骨缺損成為臨床上的常見疾病，目前，臨床上應(yīng)用于骨折復(fù)位及骨移植手術(shù)后固定材料主要是不銹鋼、鈷鉻合金、鈦合金和一些高分子材料；不銹鋼具有高抗沖擊、高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良的加工性能，在骨外科手術(shù)中得到了普遍應(yīng)用，但是不銹鋼的生物相容性不高，在生理環(huán)境中溶出的鎳離子可能誘發(fā)腫瘤形成，對人體健康造成損害；鈷鉻合金有良好的耐腐蝕性和力學(xué)性能，但鈷基合金中溶出的鈷、鎳等離子具有致敏性問題，可能導(dǎo)致組織壞死；鈦合金具有良好的生物學(xué)特性，如無細(xì)胞毒性、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、生物相容性好等優(yōu)點，但是價格昂貴；聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）等可吸收高分子材料也已經(jīng)用于臨床，但它們存在親水性差、細(xì)胞吸附力較弱等問題。

綜上所述，目前臨床上的植入材料主要存在以下缺點，1.應(yīng)力遮擋效應(yīng)差；2.合金中Co、Cr、Ni等金屬對人體有毒副作用；3.需要進(jìn)行二次取出手術(shù)，給患者帶來二次痛苦，增加醫(yī)療費用；4.在治療過程中，需要長時間口服或注射藥物，藥物不是直接作用在傷口，藥效往往不佳。

然而，目前有相關(guān)的研究表明，鎂合金作為新型生物植入材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的生物相容性及體內(nèi)可降解性，而且采用可降解鎂合金作為體內(nèi)植入材料，不僅能降低治療成本，而且免去了二次手術(shù)給患者帶來的痛苦，如果在鎂合金中添加藥物，使得鎂合金在降解的同時不斷對傷口持續(xù)給藥，能夠增加藥效，非常利于患者康復(fù)。

再有按照傳統(tǒng)的方法制備尺寸合適、貼合良好的骨科植入材料，不僅成本高，而且制備的周期較長，容易延誤最佳的治療時機(jī)；同時對于一些復(fù)雜零件，常規(guī)方法難以制備，無法滿足患者需求。

激光增材制造技術(shù)以3D模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用層層疊加的方法來制備零件；選擇性激光熔化成形技術(shù)（SLM）是激光增材制造技術(shù)（3D打?。╊I(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，其基本原理是先在計算機(jī)上利用三維造型軟件設(shè)計出制品的三維實體模型，對模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，導(dǎo)入成形設(shè)備；成形時，首先把金屬粉末均勻的鋪在基板上，激光束按照三維模型當(dāng)前截面輪廓數(shù)據(jù)選擇性地熔化成形，隨后在已加工好的截面上再鋪一層金屬粉末，激光按照模型下一層截面信息進(jìn)行選擇性熔化，如此往復(fù)循環(huán)直至整個制品完成熔化成形，該技術(shù)可以成形任意形狀的零件，降低了開發(fā)成本和風(fēng)險，縮短了新品研制的周期。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于激光熔化成形技術(shù)的鎂合金骨固定植入材料制備方法，利用SLM成形技術(shù)制備多孔裝鏤空結(jié)構(gòu)的鎂合金植入材料，解決目前各種植入材料所存在的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于激光熔化成形技術(shù)的鎂合金骨固定植入材料制備方法，其步驟包括：

步驟1、設(shè)計植入部分鎂合金成分；

所述鎂合金成分為Mg-Zn-La合金，其中Zn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-8%，La元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0-2%，其余為Mg元素；

步驟2、使用CT掃描對患處進(jìn)行掃描，采集受傷位置的輪廓尺寸；

所述CT掃描層厚小于等于5mm;

步驟3、根據(jù)掃描數(shù)據(jù)，通過逆向工程和鏡像重建技術(shù)構(gòu)建植入材料的多孔三維數(shù)據(jù)模型；

所述孔的形狀為圓形、方形、六邊形或梯形，孔隙率為10%至60%；

步驟4、對構(gòu)建植入材料的三維數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行應(yīng)力分析，模型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化；

步驟5、用MAGICS軟件對三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，設(shè)定成形方向、支撐類型以及成形精度，然后，利用切片軟件對模型進(jìn)行切片處理并將數(shù)據(jù)傳入SLM成形機(jī)；

所述數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)為：激光功率200-400W，掃描速度為6000-8000mm/min，掃描精度為0.015-0.03mm；

步驟6、進(jìn)行SLM成形；

步驟7、成形件進(jìn)行熱處理并進(jìn)行清洗；

所述熱處理的方法是：270-350℃退火60-90min，升溫速度10-20℃/min左右，緩慢冷卻；所述清洗采用無水乙醇和去離子水；

步驟8、浸藥處理；浸入的藥物為消炎藥和促進(jìn)骨生長愈合的藥物，PH呈堿性；

步驟9、對浸藥處理的制品表面進(jìn)行HA噴涂；所述HA噴涂采用等離子噴涂工藝，噴涂后需要用水蒸氣處理，噴涂溫度不超過200℃。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：運用本發(fā)明方法制作的骨植入材料不僅能降低治療成本，而且免去了二次手術(shù)給患者帶來的痛苦，在鎂合金中添加藥物，使得鎂合金在降解的同時不斷對傷口持續(xù)給藥，增加藥效利用患者康復(fù)；本發(fā)明方法能夠?qū)Σ煌∪瞬煌课坏闹踩氩牧线M(jìn)行定制，可制作形狀復(fù)雜的植入制品，而且制品與患者體型貼合良好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實施例1，基于激光熔化成形技術(shù)的鎂合金骨板制備方法，包括如下步驟：

步驟1，設(shè)計骨板的鎂合金成分，首先通過ANSYS模擬軟件分析根據(jù)植入位置骨所承受的力及此位置植入鎂合金后鎂合金的降解情況，然后根據(jù)模擬結(jié)果及其合金元素對鎂合金力學(xué)性能、腐蝕性的影響規(guī)律，確定合金成分，隨后通過模擬軟件計算不同成分鎂合金的力學(xué)性能及腐蝕特性，最終獲得合理的鎂合金成分；

所述鎂合金牌號為Mg-3Zn-0.5La合金，其中Zn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，La元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，其余為Mg元素;

步驟2，使用CT掃描對患處進(jìn)行掃描，采集受傷位置的輪廓尺寸，根據(jù)CT掃描掃描規(guī)范，掃描層厚為4mm；

步驟3，根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)，通過逆向工程和鏡像重建技術(shù)，利用Solidworks三維軟件構(gòu)建該骨板的三維數(shù)據(jù)模型，隨后利用Solidworks三維軟件的拉伸切除功能將該構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)模型切成多孔狀，使其成為多孔三維數(shù)據(jù)模型；

所述骨板為鏤空結(jié)構(gòu)，孔形為圓形，孔隙率為30%；

步驟4，利用ANSYS模擬軟件模擬骨板的受力情況，首先將多孔三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件，并對三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后設(shè)定模型的受力邊界條件，并且將植入位置受力情況加載到三維數(shù)據(jù)模型，此時，分析植入骨板的應(yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)；

步驟5，利用MAGICS軟件對三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將零件三維模型水平擺放，該擺放位置不需要添加支撐，成形精度設(shè)為0.015mm，切片軟件設(shè)定切片厚度為0.015mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到SLM成形機(jī)；

步驟6，進(jìn)行SLM成形，經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化，最佳成形參數(shù)為，激光功率300W，掃描速度6500mm/min，掃描精度0.015mm;

步驟7，對成形件進(jìn)行熱處理，經(jīng)過工藝反復(fù)優(yōu)化，熱處理最佳工藝為：270±5℃退火80min，升溫速度15℃/min左右，隨爐冷卻，熱處理之后用無水乙醇和去離子水清洗并干燥；

步驟8，浸藥處理，將成形件浸入消炎的慶大霉素和促進(jìn)骨生長的骨肽溶液中，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，溶液溫度30℃，浸藥時間10h，隨后對浸藥后的成形件烘干，烘干溫度60℃，烘干時間10h；

步驟9，對浸藥處理的制品表面噴涂HA，噴涂采用低溫等離子噴涂工藝，為了防止高溫對藥物藥效的影響，經(jīng)過工藝優(yōu)化，制品局部溫度控制在100℃以內(nèi)。

實施例2，基于激光熔化成形技術(shù)的鎂合金骨釘制備方法，包括如下步驟：

步驟1，設(shè)計骨釘?shù)逆V合金成分，首先通過ANSYS模擬軟件分析根據(jù)植入位置骨所承受的力及此位置植入鎂合金后鎂合金的降解情況，然后根據(jù)模擬結(jié)果及其合金元素對鎂合金力學(xué)性能、腐蝕性的影響規(guī)律，確定合金成分，隨后通過模擬軟件計算不同成分鎂合金的力學(xué)性能及腐蝕特性，最終獲得合理的鎂合金成分；

所述鎂合金牌號為Mg-5Zn-1La合金，其中Zn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，La元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，其余為Mg元素；

步驟2，使用CT掃描對患處進(jìn)行掃描，采集受傷位置的輪廓尺寸，根據(jù)CT掃描掃描規(guī)范，掃描層厚為3mm；

步驟3，根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)，通過逆向工程和鏡像重建技術(shù)，利用Solidworks三維軟件構(gòu)建該骨板的三維數(shù)據(jù)模型，隨后利用Solidworks三維軟件的拉伸切除功能將該構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)模型切成多孔狀，使其成為多孔三維數(shù)據(jù)模型；所述骨釘為鏤空結(jié)構(gòu)，孔形可為圓形，孔隙率為20%；

步驟4，利用ANSYS模擬軟件模擬骨釘?shù)氖芰η闆r，首先將多孔三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件，并對三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后設(shè)定模型的受力邊界條件，并且將植入位置受力情況加載到三維數(shù)據(jù)模型，此時，分析植入骨釘?shù)膽?yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)；

步驟5，利用MAGICS軟件對三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將零件三維模型水平擺放，，該擺放位置不需要添加支撐，成形精度設(shè)為0.01mm，切片軟件設(shè)定切片厚度為0.01mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到SLM成形機(jī)；

步驟6，進(jìn)行SLM成形，經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化，最佳成形參數(shù)為，，激光功率350W，掃描速度7000mm/min，掃描精度0.02mm;

步驟7，對成形件進(jìn)行熱處理，經(jīng)過工藝優(yōu)化，最佳熱處理的工藝為：300℃退火60min，升溫速度10℃/min左右，隨爐冷卻，熱處理之后用無水乙醇和去離子水清洗并干燥；

步驟8，浸藥處理，將成形件浸入消炎的慶大霉素和促進(jìn)骨生長的骨肽溶液中，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，溶液溫度30℃，浸藥時間10h，隨后對浸藥后的成形件烘干，烘干溫度60℃，烘干時間10h；

步驟9，對浸藥處理的制品表面噴涂HA，噴涂采用低溫等離子噴涂工藝，為了防止高溫對藥物藥效的影響，經(jīng)過工藝優(yōu)化，制品局部溫度控制在100℃以內(nèi)。