一种高强度小孔径金属骨小梁及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种高强度小孔径金属骨小梁及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在骨折或骨坏死等骨质疾病治疗和修复领域，尤其在对承力骨的治疗和修复方面，植入物替换病死骨手术是常见的预防骨质疾病进一步恶化、避免后期骨折甚至致残的有效方法。目前，常见的植入物主要包括自体骨、异体骨、生物陶瓷、有机高分子聚合物、可降解材料和金属材料等。金属材料，如不锈钢、Co-Cr基合金、钛基合金等，由于可以提供良好的力学性能，并且兼具耐蚀性和生物相容性等，因此在临床一直被广泛应用。
[0003]但是，由于不锈钢、Co-Cr基合金、钛基合金等金属材料的模量明显要高于骨组织模量，这将引起所谓“应力遮挡效应”。针对在治疗骨质疾病过程中出现的“应力遮挡”问题，现有技术是将金属材料制备成多孔状来降低材料整体的表观模量。然而，传统的多孔金属材料制备工艺的影响因素过多、流程复杂、无法一次成型，并普遍存在孔隙结构不能精确控制、内部孔隙连通率差等问题。
[0004]3D打印通过CT等扫描数据的处理，由计算机设计构建，可以将打印成符合需求的个性化多孔连通复杂金属结构，不仅给骨长入提供了空间，也因为多孔结构降低了零件的弹性模量，实现了与正常骨组织弹性模量的匹配，且不必担心降解时间与机体需求的不匹配，成为了 3D打印在骨科发展的重要方向。
[0005]目前市面上各种3D打印多孔钛合金材料，其多孔结构均以六面体、圆柱体、圆锥体为基体单元简单阵列叠加而成，与真正仿生意义上的人骨多孔结构相差较大，并且在多孔材料曲面上存在多孔结构分布不均匀的现象，影响骨长入的一致性。同时，随着多孔材料孔隙率的提升，孔筋的细化，力学性能也随之降低，难以满足骨小梁对力学性能的要求(>50MPa);受限于3D打印设备本身的精度及清粉要求，目前3D打印多孔材料孔径通常较大，直径约300?1500 μ m，对于细胞20?30 μ m的平均直径来说，显然过于空旷，细胞只能在其孔壁二维空间上攀附生长，不能实现在整个孔洞内三维层次的生长，进而也无法实现支架内长入充足的骨量。金属粉末在人体内无法排除，造成沉积后对人体伤害极大，而3D打印多孔材料的孔径越小，孔结构越复杂，多孔结构内部残留金属粉末的可能性就越高，极易增加植入手术和术后的风险和隐患。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强度小孔径金属骨小梁。该金属骨小梁的压缩强度为60MPa?90MPa，等效孔径为100 μπι?150 μπι，比常规3D打印多孔材料的孔径降低了 50%以上，压缩强度提高了 20%以上，更利于骨长入及细胞生长。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，该金属骨小梁为由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单位为棱边为实体，其余部分镂空的多面体结构，相邻两个基本单元之间均有一个面重合，所述基本单元内部设置有加强筋，所述高强度小孔径金属骨小梁的压缩强度为60MPa?90MPa，等效孔径为100 μπι?150 μπι，所述等效孔径是指高强度小孔径金属骨小梁中孔隙的内切圆直径。
[0008]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述加强筋由联接基本单元的几何中心至顶点的多根杆体组成，每根杆体的横截面形状均为正方形，每根杆体的横截面边长均为0.1mm?0.3mm。
[0009]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述多面体为三角双锥体或菱形十二面体，所述三角双锥体和菱形十二面体的边长均为0.5mm?2_，所述棱边的横截面形状为正三角形或正方形，所述棱边的横截面边长为0.1mm?0.3mm。
[0010]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述高强度小孔径金属骨小梁的材质为TC4钛合金。
[0011]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述三维立体结构为六面体形。
[0012]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述三维立体结构为空心半球形，所述三维立体结构上开设有三个通孔。
[0013]上述的一种高强度小孔径金属骨小梁，其特征在于，所述三维立体结构为椭圆柱形，所述三维立体结构上对称开设有两个D形凹槽。
[0014]另外，本发明还提供了一种制备上述高强度小孔径金属骨小梁的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0015]步骤一、利用三维建模软件建立高强度小孔径金属骨小梁的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
[0016]步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的高强度小孔径金属骨小梁的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、熔化电流和电子束扫描速率；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magcs软件；
[0017]步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3X KT1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为650 °C?800 °C ；
[0018]步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
[0019]步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
[0020]步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到金属骨小梁3D打印件；
[0021]步骤七、采用压力为0.8MPa?0.9MPa的压缩空气除去步骤六中所述金属骨小梁3D打印件中的粉末，清洗干净后烘干；
[0022]步骤八、将步骤七中烘干后的金属骨小梁3D打印件置于电解液中，以金属骨小梁3D打印件为阳极，以铂片为阴极，在电压为20V?80V，温度为10°C?30°C的条件下电化学腐蚀0.5h?8h，得到高强度小孔径金属骨小梁。
[0023]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末层厚为50 μπι?80 μπι，所述恪化电流为1mA?30mA，所述电子束扫描速率为1.3 X 104mm/s?1.55 X 105mm/s。
[0024]上述的方法，其特征在于，步骤九中所述电解液由草酸钠、氟化铵、硅酸钠、氢氧化钙和去离子水混合均匀而成，所述电解液中草酸钠的浓度为5g/L?20g/L，氟化铵的浓度为0.5g/L?2g/L，娃酸钠的浓度为lg/L?3g/L，氢氧化妈的浓度为0.13g/L?0.18g/L。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0026]1、本发明提供了一种高强度、小孔径、高仿生的金属骨小梁，该金属骨小梁的孔密度具有良好的均匀性，在相同的孔隙率和孔筋条件下，本发明金属骨小梁的压缩强度能够比传统工艺制备的常规3D打印多孔材料提升20%以上。
[0027]2、本发明能够根据实际需求，通过更改三维实体模型，从而制备出不同外形及尺寸、不同孔隙率、不同孔径的金属骨小梁，能够通过调控基本单元内部加