本發(fā)明涉及一種選區(qū)激光成形及電解還原制備個性化多孔植入物方法，該方法屬于生物增材制造(3d打印)領(lǐng)域，可應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

增材制造在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，尤其對于制造個性化植入物具有無可比擬的優(yōu)勢，未來具有數(shù)百億的潛在市場。目前，對不銹鋼、鈦合金和鈷基合金多種金屬材料進(jìn)行金屬直接成形制造的植入物已經(jīng)廣泛應(yīng)用于心臟瓣膜支架、血管支架、消化道支架以及骨修復(fù)和替代支架及其他支架臨床，取得了較好的治療效果。但是復(fù)雜的人體內(nèi)環(huán)境會引起材料腐蝕而導(dǎo)致有毒元素的釋放，從而導(dǎo)致金屬材料的生物相容性和力學(xué)性能降低。此外，目前的多孔植入物不具有可控宏微觀一體化結(jié)構(gòu)和納米化結(jié)構(gòu)：合理的設(shè)計宏觀和微觀的一體化結(jié)構(gòu)能夠減少多孔植入物的應(yīng)力問題，增強(qiáng)其力學(xué)性能；納米結(jié)構(gòu)不僅有利于體內(nèi)骨細(xì)胞的粘附、還能促進(jìn)骨細(xì)胞的再生和分化，提高植入物的生物相容性。增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多孔植入物的微觀結(jié)構(gòu)的控制制造，電解還原技術(shù)能夠形成納米結(jié)構(gòu)。因此，如何解決多孔植入物微觀仿生結(jié)構(gòu)不可控及無納米結(jié)構(gòu)的問題，制備出生物相容性和力學(xué)性能俱佳的多孔植入物是其應(yīng)用于臨床的關(guān)鍵問題之一。

傳統(tǒng)的多孔金屬植入物的制造方法主要包括：有機(jī)泡沫浸漬法、造孔劑-粉末燒結(jié)法、氣相沉積法。但這些工藝可控性差，難以實(shí)現(xiàn)對植入物宏觀結(jié)構(gòu)的個性化和微觀仿生孔隙結(jié)構(gòu)的主動控制，而且無法成形納米結(jié)構(gòu)，此外工藝制備流程復(fù)雜、投資大、生產(chǎn)成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服多孔植入物直接激光增材制造難度大、微觀結(jié)構(gòu)不可控及不能形成納米結(jié)構(gòu)等不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用金屬氧化物陶瓷選區(qū)激光成形及電解還原制備具有微納結(jié)構(gòu)的個性化多孔植入物的方法，該方法將增材制造方法、電解還原方法和化學(xué)氣相沉積方法結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)可控成形，并成形納米結(jié)構(gòu)利于細(xì)胞活動，有望開辟多孔支架制備的新途徑，提高多孔植入物的生物相容性，對于促進(jìn)多孔植入物的臨床應(yīng)用具有重要意義。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種選區(qū)激光成形及電解還原制備個性化多孔植入物方法，其特征在于，包括如下的步驟：

1)根據(jù)欲植入病變部位組織的生理尺寸、內(nèi)環(huán)境特征以及病變情況通過三維軟件逆向建模設(shè)計出具有微觀結(jié)構(gòu)的個性化多孔植入物模型；

2)將金屬氧化物陶瓷球形粉通過選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材設(shè)備制備步驟1)中的植入物模型，制得金屬氧化物陶瓷多孔植入物；

3)將步驟2)制得的金屬氧化物陶瓷多孔植入物置入氯化物熔鹽電解還原設(shè)備中，進(jìn)行原位熔鹽電解還原得到初級多孔金屬植入物；

4)將步驟3)制得的初級多孔金屬植入物置入高溫真空爐中，對多孔植入物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最后利用氣相沉積的方法在多孔植入物表面沉積金屬涂層，得到多孔植入物。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，根據(jù)臨床患者病變組織的生理尺寸、內(nèi)環(huán)境特征以及病變情況通過三維軟件逆向建模設(shè)計出具有微觀結(jié)構(gòu)的個性化多孔植入物模型，微觀結(jié)構(gòu)尺寸30-1000μm。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，金屬氧化物陶瓷為難熔金屬鉭、鈦、鈮、鈹?shù)难趸锾沾?，其球形粉的球徑?0-200μm。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，選區(qū)激光熔化/燒結(jié)制造設(shè)備制備金屬氧化物陶瓷多孔植入物時的激光器為CO₂激光器、Nd:YAG激光器和光纖激光器，激光功率為10-10⁹W，掃描速度為10-1000mm/s，掃描方式為X方向、X/Y方向、外輪廓和Z字掃描，掃描間距為0.05-0.5mm，鋪粉層厚為0.05-0.5mm，保護(hù)氣體為氬氣。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)中，原位熔鹽電解還原制備多孔植入物時將2)中制得金屬氧化物陶瓷多孔植入物用鉬絲穿過作為陰極系統(tǒng)；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯管內(nèi)的碳飽和銅液作為陽極系統(tǒng)；陰極插入裝有混合熔鹽MgF₂-GaF₂的石墨坩堝中，保護(hù)性氣體為氬氣或氦氣，電解還原溫度為500-1500℃，電解時間為0.5-5h。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)中，燒結(jié)多孔植入物的溫度為1150-2500℃，利用氣相沉積的方法在多孔植入物支架表面沉積金屬涂層，反應(yīng)溫度為500-2000℃，涂層厚度為10-500μm，反應(yīng)氣氛為氫氣。

本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)中，得到最終多孔植入物可作為人工心臟瓣膜支架、血管支架、消化道支架以及骨修復(fù)和替代支架及其他支架使用。

本創(chuàng)新技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本技術(shù)將增材制造技術(shù)、電解還原技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對多孔植入物微觀結(jié)構(gòu)的成形控制。

2.制備的多孔植入物具有個性化的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀孔隙結(jié)構(gòu)，個性化定制更加利于患者治療。

3.制備的多孔植入物具有納米結(jié)構(gòu)，利于細(xì)胞活動，提高植入物的生物相容性。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述一種選區(qū)激光成形及電解還原制備個性化多孔植入物方法，包括個性化宏微觀一體化設(shè)計、選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造、熔鹽電解還原和化學(xué)氣相增強(qiáng)四個環(huán)節(jié)：

所述制備方法根據(jù)欲植入病變部位組織的生理尺寸、內(nèi)環(huán)境特征以及病變情況通過三維軟件逆向建模設(shè)計出具有微觀結(jié)構(gòu)的個性化多孔植入物模型，微觀結(jié)構(gòu)尺寸30-1000μm。

所述制備方法將金屬氧化物陶瓷球形粉使用選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造設(shè)備制備設(shè)計出的植入物模型，制得金屬氧化物陶瓷多孔植入物。

選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造中使用的金屬氧化物陶瓷為難熔金屬鉭、鈦、鈮或鈹?shù)难趸锾沾桑淝蛐畏鄣那驈綖?0-200μm。選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制備金屬氧化物陶瓷多孔植入物時的激光器為CO₂激光器、Nd:YAG激光器和光纖激光器，激光功率為10-10⁹W，掃描速度為10-1000mm/s，掃描方式為X方向、X/Y方向、外輪廓和Z字掃描，掃描間距為0.05-0.5mm，鋪粉層厚為0.05-0.5mm，保護(hù)氣體為氬氣。

所述制備方法將金屬氧化物陶瓷多孔植入物置入氯化物熔鹽電解還原設(shè)備中，進(jìn)行原位熔鹽電解還原得到初級多孔金屬植入物。

原位熔鹽電解還原制備初級多孔金屬植入物時將金屬氧化物陶瓷多孔植入物用鉬絲穿過作為陰極系統(tǒng)；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯管內(nèi)的碳飽和銅液作為陽極系統(tǒng)；陰極插入裝有混合熔鹽MgF₂-GaF₂的石墨坩堝中，保護(hù)性氣體為氬氣或氦氣，電解還原溫度為500-1500℃，電解時間為0.5-5h。

所述制備方法將初級多孔金屬植入物置入高溫真空爐中，高溫?zé)Y(jié)，最后利用氣相沉積的方法在初級多孔金屬植入物表面沉積金屬涂層，得到多孔金屬植入物。

燒結(jié)初級多孔金屬植入物的溫度為1150-2500℃，利用氣相沉積的方法在初級多孔金屬植入物支架表面沉積金屬涂層，反應(yīng)溫度為500-2000℃，涂層厚度為10-500μm，反應(yīng)氣氛為氫氣。

所述得到最終多孔植入物可作為人工心臟瓣膜支架、血管支架、消化道支架以及骨修復(fù)和替代支架及其他支架使用。

實(shí)施例

一種選區(qū)激光成形及電解還原制備個性化多孔植入物方法，該方法包括個性化宏微觀一體化設(shè)計、選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造、熔鹽電解還原和化學(xué)氣相增強(qiáng)四個環(huán)節(jié)：

以Ta₂O₅通過選區(qū)激光成形及電解還原制備具有微納結(jié)構(gòu)的個性化多孔鉭植入物為例。首先根據(jù)臨床患者病變組織的生理尺寸、內(nèi)環(huán)境特征以及病變情況使用三維軟件設(shè)計出具有微觀結(jié)構(gòu)的個性化多孔鉭植入物模型。然后將Ta₂O₅球形粉使用選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造設(shè)備制備設(shè)計出的植入物模型，制得Ta₂O₅多孔植入物。再將Ta₂O₅多孔植入物置入氯化物熔鹽中，進(jìn)行原位熔鹽電解還原得到初級多孔鉭植入物。最后將初級多孔鉭植入物置入高溫真空爐中，對多孔鉭植入物進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，最后利用氣相沉積的方法在多孔鉭植入物表面沉積鉭涂層，得到多孔鉭植入物。制備的多孔鉭植入物具有個性化的宏觀結(jié)構(gòu)、可控的微觀結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)納米化，利于個性化置入。

個性化宏微觀一體化設(shè)計時，根據(jù)臨床患者病變組織的生理尺寸、內(nèi)環(huán)境特征以及病變情況使用三維軟件設(shè)計出具有微觀結(jié)構(gòu)的個性化多孔鉭植入物模型，根據(jù)病患情況確定微觀結(jié)構(gòu)尺寸。選區(qū)激光熔化/燒結(jié)增材制造中使用的Ta₂O₅球形粉，選擇激光器，控制激光功率、掃描速度、掃描方式、掃描間距、鋪粉層厚和保護(hù)氣體。原位電解還原制備初級多孔鉭植入物時將Ta₂O₅多孔植入物用鉬絲穿過作為陰極系統(tǒng)；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯管內(nèi)的碳飽和銅液作為陽極系統(tǒng)；陰極插入裝有混合熔鹽MgF₂-GaF₂的石墨坩堝中，控制電解還原溫度、電解時間和保護(hù)氣體。高溫?zé)Y(jié)電解還原得到的多孔鉭植入物，最后利用氣相沉積的方法在多孔鉭植入物表面沉積鉭涂層，控制反應(yīng)溫度、鉭涂層厚度和反應(yīng)氣氛。得到最終多孔鉭植入物可在欲植入的人體組織內(nèi)使用。