[发明专利]一种基于3D打印的仿生人骨及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的仿生人骨及其制造方法，涉及生物陶瓷人体骨骼材料技术领域。本发明根据第一层陶瓷件的陶瓷原料中含有的A型氮化硅与B型氮化硅的比例与收缩率的对应关系，匹配第二层陶瓷件的收缩率，可以造出孔隙率和抗弯强度呈梯度变化的仿生人骨；能够有效地避免了密质骨和松质骨由于收缩率不匹配导致的连接界面出现裂纹和弯曲；本发明利用单一粉体的不同粒径，采用A型氮化硅与B型氮化硅相复合的方式，可以调整样品收缩率以及烧结后的抗弯强度，当它们之间的配比为某一值时，烧结后样品的抗弯强度达到峰值。

技术领域

本发明涉及生物陶瓷人体骨骼材料技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的仿生人骨及其制造方法。

背景技术

随着经济、科技及医学的不断发展，人均寿命不断提升，老龄性骨关节炎日益严重。同时，工业、交通、运动等意外事故也会造成一定的骨创伤，这些问题均影响人类的生命质量。仿生人骨的植入或替换可大大减轻人们的疼痛，提高骨损伤患者的生活品质。目前研究及应用的仿生人骨材料主要有：(1)不锈钢、钛合金、钴铬钼合金等金属材料。因为金属材料具有高强度、高韧性以及良好的可加工性能，已得到广泛应用。然而金属材料存在易腐蚀、抗耐疲劳能力差、应力屏蔽以及金属离子扩散等问题，限制了金属材料在仿生医用材料的进一步应用。(2)羟基磷灰石、氮化硅等陶瓷材料。由于陶瓷材料具有高强度、高硬度、良好的耐蚀性以及优异的生物惰性，因此更适合应用于仿生医用材料领域。受制于陶瓷材料硬度高、韧性低的特点，传统加工方法(如：磨削加工、注射成型等)难加工出复杂结构件或几何曲面较高部件。此外，由于仿生人骨结构复杂，且具有独一性，传统制备技术无法满足设计要求。因此，极大限制了陶瓷仿生材料的应用。

3D打印具有无模具成型的特点，且能按照需求个性化需求制备复杂结构，从而为仿生人骨的制备提供了可行的方法。目前常用的3D打印方法如下：(1)熔融沉积成型(FDM)，常用于工程塑料材料，其优点为：操作简单，维护成本低，系统运行安全。主要缺点是：成型精度相对SLA工艺较低，成型速度相对较慢。(2)选择性激光烧结/选择性激光熔化(SLS/SLM)，常用于塑料、金属、陶瓷或玻璃材料，优点：无需设计SLA模式那样的支撑，成型材料范围广。缺点：设备成本非常高，成型过程中会产生有毒的气体，成型表面较粗糙有配合的面需要二次处理。(3)数字光处理(DLP)，常用于陶瓷材料，优点：成型过程自动化程度高，尺寸精度高，系统分辨率较高，可以制作结构比较复杂的模型或零件。缺点：打印后零件较脆、易断裂。综上所述，考虑到仿生人体骨骼的材料、性能和结构，采用DLP打印比较好。由于人体骨骼每一层的力学性能和结构不一致，使用单一材料打印，难以满足其性能和结构，所以需要采用多材料打印。多材料打印现存的问题是由于不同材料的烧结后收缩率不一样，不同材料的界面处会产生应力，从而会导致在不同材料的结合面产生裂纹。例如：生物陶瓷人体骨骼技术中，骨骼由密质骨和松质骨组成，它们的孔隙率不一样，当用DLP打印、烧结后，共烧时要求密质骨和松质骨的烧结收缩行为相匹配。当发生失配时，两种材料的界面处会产生应力，从而导致陶瓷骨骼产生变形，孔的尺寸精度难以控制。当它们的烧结收缩行为不相匹配时，一方会承受较大的张力，界面间将会出现裂纹，产生开裂，并且会向收缩率大的方向弯曲变形。

为了减少烧结收缩的失配，在松质骨材料的组成和颗粒尺寸固定的情况下，必须通过调节密质骨材料的参数，使得两者的收缩行为尽量接近。传统的生物陶瓷人体骨骼技术通常采用单一粉体来制作密质骨材料，其粒度分布、比表面积、粉体形貌等参数既已确定，相应的烧结收缩率的调整空间有限。因此当共烧收缩率出现失配时，难以通过单一粉体实现有效的调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是背景技术中存在的不足，提供了一种基于3D打印的仿生人骨及其制造方法。其原理是当小颗粒粉末和大颗粒粉末在一起球磨时，小颗粒粉末会被填充在大颗粒之间的间隙里面，从而会改变烧结后样品的相对密度，线收缩率和抗弯强度。

具体地，本发明提出以下技术方案：

一种基于3D打印的仿生人骨制造方法，包括以下步骤：