[发明专利]金属复合材料及其骨组织植入物的3D打印方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印医疗植入器械的技术领域，具体涉及一种用于制备骨组织植入物的金属复合材料以及使用该金属复合材料3D打印制备复合骨组织植入物的方法。

背景技术

镍钛形状记忆合金（NiTi)由于强度高比重低、抗疲劳性能佳、耐腐蚀 、耐磨、弹性模量低 ，接近人体骨头的弹性量而广泛应用于人体骨组织植入物，但是镍钛合金骨植入材料没有生物活性，不能与人体骨形成骨性结合，易导致植入物功能丧失，使植入失败。羟基磷灰石（HA)是人体骨组织主要的无机成分，具有良好的生物相容性及骨引导性，在镍钛合金表面制备含HA的涂层对于改善其植入物骨形成能力具有较大作用。但是HA的脆性大、韧性低、强度差，且与镍钛合金的热膨胀系数差值大，结合力弱，植入人体后易发生脱落，脱落后导致镍钛合金的生物活性降低。

发明内容

本发明提供了一种用于制备骨组织植入物的金属复合材料及通过3D打印制备复合骨组织植入物的方法，能够提高复合型骨水泥与镍钛合金的结合力，避免复合型骨水泥脱落，进而提高镍钛合金的生物活性，改善其植入物与人体组织的生物相容性。

一种用于制备骨组织植入物的金属复合材料，包括镍钛合金和双组份复合型骨水泥，所述镍钛合金与双组份复合型骨水泥的质量比为10-16:8-14，所述双组份复合型骨水泥包括粉剂和液剂，粉剂和液剂的质量比是4-8:4-6；所述粉剂包括质量分数为30-70%的无机材料和70-30%的有机材料，所述无机材料为羟基磷灰石或磷酸三钙，所述有机材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步的，所述镍钛合金中镍的质量含量为50-53%。

进一步的，所述粉剂和液剂的质量比是6:4。

一种使用上述用于制备骨组织植入物的金属复合材料3D打印制备骨组织植入物的方法，步骤为：

1）将人体骨缺损部位的STL模型文件输入计算机；

2）将镍钛合金和双组分复合型骨水泥的粉剂进行球磨混合，混合均匀后，加入到3D打印机的粉剂料筒中；

3）将双组分复合型骨水泥的液剂加入到3D打印机的液体料筒中；

4）调整3D打印机的工艺参数，粉剂料筒与液剂料筒的出料均匀混合后输入到打印喷头，按照STL模型文件打印成型；

5）将成形件在室温下固化后进行烧结，得到骨组织植入物。

进一步的，所述步骤2）中镍钛合金与粉剂的质量比为10-16:4-8。

进一步的，所述步骤2）中所述球磨混合的参数为：采用的磨球为氧化锆球，球的直径为3-10mm，磨球与待混粉剂的质量比为3-8:1，球磨转速为100-150r/min，球磨时间为20-30min；

进一步的，所述步骤4）中粉剂料筒与液剂料筒按质量比为2-6:1的比例出料。

进一步的，所述步骤4）中所述3D打印工艺参数为：打印速度8-15mm/s，打印温度室温，控制层高为0.1-0.15mm，打印头直径0.15-0.3mm，填充率35-45%，填充角度50-70度，送料速度0.1-0.15mg/s。

进一步的，所述步骤5）中在惰性气氛保护下烧结，温度1100-1300℃，压力20-50MPa，时间0.5-2h。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用镍钛合金与双组分复合型骨水泥（包括粉剂与液剂）以特定比例混合，在3D打印设备中，将镍钛合金与粉剂混合后放入一个料筒，将液剂放入另一个料筒，一个打印喷头由两个料筒供料，材料之间的比例可自由调节，在常温下打印成型，避免了采用激光或高温打印成型时对材料的损害。成型后再应用热等静压的方法烧结，制备得到的复合骨组织植入物，兼具有镍钛合金强度高、弹性模量低等性能，生物相容性好，易与骨组织形成紧密的骨性结合的特性，烧结后的复合骨组织植入物的抗拉强度为280-340MPa，弹性模量为40-60GPa。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。本发明所提到的比例、“份”，如果没有特别的标记，均以重量为准。

本实施例制备复合骨组织植入物的原料是采用镍钛合金和双组份复合型骨水泥，所述镍钛合金与复合型骨水泥的质量比为10-16:8-14。所述镍钛合金中镍的质量含量为50-53%，根据钛-镍二元合金相图，该比例的镍钛合金的主要组成相为TiNi相，具有良好的机械强度、延展性、耐磨性和耐腐蚀性。