[发明专利]一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，特别是一种基于激光3D打印的高抗菌性Ti-Cu人工髋关节的成形方法，属于医用骨植入器械制造领域。

背景技术

近年来，因全球人口老龄化程度的不断加剧和意外伤害的增加，人工髋关节的需求量激增。钛及其合金因弹性模量低、比强度高、耐蚀性和生物相容性优等特点而被广泛选用作为制作人工关节材料，如临床使用的纯钛、Ti6Al4V（TC4）。现阶段，国内市场上使用的人工髋关节植入体多数采用铸造与机械加工组合工艺加工制造。然而，因人体髋关节宏观结构较复杂，传统工艺方法加工精度低，植入人体后易造成个体适配性差、术后活动轨迹与受力异常，最终导致植入体点-面接触方式磨损和人工关节松动的风险增大，从而致使术后关节翻修率的增加。

随着激光技术与智能制造技术的飞速发展，基于增材制造原理的激光金属3D打印技术因成形速度快、精度高等优点而被广泛应用于生物医疗、航空航天及汽车制造等诸多领域。特别是能一次性成形空间结构复杂 、薄壁构件，大幅减少加工工序，缩短加工周期。CN104498940A 利用增材制造直接成形组织与性能完全符合医用钛合金人工关节的标准个性化定制的钛合金人工关节。

然而，钛合金人工关节对细菌粘附往往比较敏感，更容易引发细菌感染。为了赋予材料表面抗菌性能，需依据细菌感染的发生机制，有针对性地进行抗菌表面的构建，赋予其抗菌性能，以减少细菌的粘附与繁殖，进而避免感染的发生。增强钛合金人工关节抗菌能力、减少表面细菌感染受到国内外学者的广泛关注。CN103110981A 采用通过紫外光照诱导在活性氧化钛纳米管阵列内部掺杂沉积抗菌银粒子，在医用钛合金表面制备生物活性的氧化钛纳米管阵列抗菌涂层。CN101766840A 采用离心负载技术在钛合金人工关节表面获得掺银的钛酸钠纳米管阵列层，以提升其抗菌性能。CN102676985A 利用辉光离子渗技术在医用钛合金表面制备抗菌渗铜层。吴海波等利用磁控溅射技术在医用纯钛表面溅射Ti-Cu薄膜，结合微弧氧化和离子高温氮化技术，制备Cu-TiO₂和Ti-Cu-N抗菌涂层。但载有抗菌涂层的钛合金人工关节植入人体后，在载荷与腐蚀摩擦交互作用下，抗菌涂层与基体结合强度低、易产生应力变形与裂纹，甚至断裂失效，进而降低其服役寿命。更为重要的是，断裂的抗菌涂层易损伤植入体周围组织，增加患者痛苦。因此，开发一种高抗菌性、服役寿命长的钛合金人工关节显得尤为重要，能显著降低患者的病痛与二次手术费用，具有良好的社会效应与经济效益。

发明内容

发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，该方法基于铜元素优异的临床抗菌性能，采用先进的激光3D打印技术进行精密成形结构复杂的钛合金人工髋关节，通过阳极氧化与等离子高温氮化等表面改性技术原位构筑维纳尺度多孔结构的Ti-Cu-N表面，最终获得高抗菌性钛合金人工髋关节，以进一步提升其在人体复杂生理环境下的服役性能要求。

技术方案：为解决上述技术难题，本发明可采用以下技术方案来实现：一种高抗菌性钛合金人工髋关节的成形方法，其特征在于：利用激光3D打印、表面改性工艺成形高抗菌性钛合金人工髋关节，具体包括以下步骤：

步骤（1）：通过CT机扫描患者髋关节，获得3D数据模型，并对模型进行分层切片处理；

步骤（2）：将钛合金粉、铜粉按比例称重后，采用高能球磨机对钛合金粉及铜粉进行球磨混合，得到钛-铜合金粉末；

步骤（3）：将步骤（1）中经处理的髋关节3D数据模型导入激光3D打印系统，对步骤（2）所述的钛-铜合金粉末进行3D打印精密成形髋关节；

步骤（4）：将步骤（3）中所成形的钛-铜合金髋关节在电解液中进行阳极氧化处理，构筑具有维纳尺度的多孔结构表面的钛合金人工髋关节；

步骤（5）：将步骤（4）中所述的维纳尺度的多孔结构表面的髋关节置于等离子高温氮化炉中，进行高温氮化处理，获得Ti-Cu-N高抗菌性人工髋关节；

步骤（6）：将步骤（5）中所述的高抗菌性人工髋关节在超净室进行清洗、灭菌及干燥处理后，进行封装保存备用。

进一步地，上述步骤（1）中，所述模型进行分层切片处理的层厚均为30 μm。

进一步地，上述步骤（2）中，所述钛合金为医用纯钛、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti-Zr合金中的一种，平均粒径为30 μm，所述铜粉平均粒径为50 nm。