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CN110882414A - 一种多孔口腔种植体及其制备方法 - Google Patents

一种多孔口腔种植体及其制备方法 Download PDF

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CN110882414A CN201911368721.7A CN201911368721A CN110882414A CN 110882414 A CN110882414 A CN 110882414A CN 201911368721 A CN201911368721 A CN 201911368721A CN 110882414 A CN110882414 A CN 110882414A
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谢晓莉
罗骏思
戴煜
吴振寰
李礼
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Abstract

本发明提供了一种多孔口腔种植体的制备方法，包括：将合金粉末通过激光选区熔化工艺制备得到多孔种植体；将所述多孔种植体进行真空热处理后炉冷，得到多孔口腔种植体。本发明采用特定的热处理工艺，尤其针对特定成分的3D打印制备的TTNZ合金多孔材料，能够较大提升材料的抗压强度，使TTNZ多孔口腔种植体的力学性能满足临床使用需求。本发明制备的TTNZ多孔口腔种植体的压缩强度为：269～320MPa，弹性模量为：10～20GPa，具有较好的综合力学机械性能。

Description

一种多孔口腔种植体及其制备方法
技术领域
本发明属于医用植入材料技术领域，尤其涉及一种多孔口腔种植体及其制备方法。
背景技术
目前，市场上绝大多数商品化种植体由纯钛(Ti)或TC4(Ti6Al4V)制造而成，尽管Ti和Ti6Al4V具有良好的生物相容性，但是弹性模量较高、含有细胞毒性元素的Al和V仍是这两种材料目前主要的问题。为了解决上述问题，学者们在Ti或Ti6Al4V种植体的表面改性方面做了大量研究，然而这些方法未能改变元素的组成，不能从本质上解决Ti或Ti6Al4V缺陷。因此，将低弹性模量、无毒、高生物相容性的新型钛合金TNTZ合金应用于口腔种植体。
由于人体植入物的弹性模量与人骨弹性模量不能完全匹配，会导致口腔种植体普遍存在“应力屏蔽”效应(Stress Shielding Effect)，长期使用会造成种植体周围骨组织出现废用性吸收，植体暴露，严重影响了植体的有效使用。纯钛及TC4的弹性模量远高于颌骨，β钛合金弹性模量也有66GPa左右，均未实现与颌骨的真正匹配。由此可见，单纯通过改变材料还无法完全消除或大幅减少实心植体的“应力屏蔽”效应。
为了降低口腔种植体的弹性模量并提高其生物活性，在实心植体中引入多孔结构，从而使其弹性模量与人骨相匹配，而且多孔结构利于成骨细胞的黏附和增殖，新骨的长入使得种植体与骨组织之间形成机械绞索，增加骨结合强度。因此，新型钛合金TNTZ材料制备出全贯通型，开放互联的多孔口腔种植体，以期实现种植体弹性模量的可控和生物性能的优化。但是多孔TTNZ种植体的抗压强度与人骨及牙相比较低，难以满足临床使用需求。因此，如何使种植体的力学强度满足临床使用要求成为本领域关注的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多孔口腔种植体及其制备方法，本发明提供的方法制备得到的多孔种植体构件力学性能满足临床使用要求。
本发明提供了一种多孔口腔种植体的制备方法，包括：
将合金粉末通过激光选区熔化工艺制备得到多孔种植体；
将所述多孔种植体进行真空热处理后炉冷，得到多孔口腔种植体。
在本发明中，所述多孔种植体的成分为：
9～11wt％的Ta；
1.5～2wt％的Nb；
1.3～1.8wt％的Zr；
＜0.03wt％的Fe；
0.003～0.008wt％的C；
0.1～0.2wt％的O；
0.002～0.004wt％的N；
0.0005～0.0015wt％的H；
余量为Ti。
在本发明中，所述Ta的质量含量优选为9.5～10.5％，更优选为10.1％；所述Nb的质量含量优选为1.6～1.8％，更优选为1.7％；所述Zr的质量含量优选为1.4～1.7％，更优选为1.5～1.6％；所述Fe的质量含量优选为0.01～0.02％；所述C的质量含量优选为0.004～0.006％，更优选为0.005％；所述O的质量含量优选为0.12～0.15％，更优选为0.139％；所述N的质量含量优选为0.003％；所述H的质量含量优选为0.001％。
在本发明中，所述合金粉末的成分以及各成分的用量按照预获得的多孔种植体的成分及其各成分含量进行配制即可，所述合金粉末的成分能够使获得的多孔种植体的成分满足上述多孔种植体的成分要求即可。
在本发明中，所述合金粉末的流动性优选≤20s/50g，更优选为5～15s/50g，最优选为8～12s/50g，流动性好以满足激光选区熔化铺粉要求。在本发明中，所述合金粉末的粒径范围优选为15～53μm，更优选为20～50μm，最优选为30～40μm；d10优选控制在20±3μm，d50优选控制在30±3μm，d90优选控制在50±3μm。
本发明对所述合金粉末的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的制备合金粉末的方法进行制备即可，如可将合金粉末中各成分的元素单质通过旋转雾化法制备得到合金粉末。
本发明对所述激光选区熔化工艺的具体方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的激光选区熔化方法制备得到所需的形状的多孔种植体即可，即包括铺粉和打印过程，将合金粉末进行铺粉后采用激光束按照预设的切片形状及扫描路径对合金粉末进行快速熔化，逐层叠加，直至预设的复杂构件部件完全成型，将成型后的构件在成型腔室内放置。
在本发明中，所述激光选区熔化过程中的基板预热温度优选为80～120℃，更优选为90～110℃，最优选为100℃；优选成型室内氩气保护；优选腔室内氧含量低于100ppm且压力优选维持在10～40mbar，更优选为20～30mbar。在本发明中，所述在成型腔室内的放置时间优选为3～5小时。
在本发明中，所述激光选区熔化过程中的铺粉厚度优选为20～60μm，更优选为30～55μm；供粉量优选为所需铺粉量的1.5～2倍。
在本发明中，所述激光选区熔化过程中的扫描实体的激光功率优选为320～370W，更优选为330～360W，最优选为340～350W；扫描轮廓的激光功率优选为150～200W，更优选为160～190W，最优选为170～180W；扫描支撑的激光功率优选为320～370W，更优选为330～360W，最优选为340～350W；光斑直径优选为65～75μm，更优选为68～72μm，最优选为70μm；实体扫描速度优选为2200～2700mm/s，更优选为2300～2600mm/s，最优选为2400～2500mm/s；轮廓扫描速度优选为400～500mm/s，更优选为420～480mm/s，最优选为440～460mm/s；支撑扫描速度优选为2200～2700mm/s，更优选为2300～2600mm/s，最优选为2400～2500mm/s；扫描间距优选为0.06～0.08，更优选为0.07。
在本发明中，所述真空热处理优选在真空热处理炉内进行，采用抽真空与置换相结合的方式。在本发明中，所述真空热处理的真空度优选为0.5～1.5Pa，更优选为0.8～1.2Pa，最优选为1Pa；优选先抽真空至8～12Pa，更优选为10Pa后向成型室内充入高纯Ar气，反复置换多次，直至真空度达到0.5～1.5Pa。
在本发明中，所述真空热处理的温度优选为850～950℃，更优选为880～920℃，最优选为900℃；优选经过0.8～1.2小时，更优选为1小时升温至真空热处理温度。在本发明中，所述真空热处理的保温时间优选为3.5～4.5小时，更优选为4小时。在本发明中，所述炉冷优选为炉冷至室温，所述室温的温度优选为20～30℃，更优选为25℃。
本发明采用特定的热处理工艺，尤其针对特定成分的3D打印制备的TTNZ合金多孔材料，能够较大提升材料的抗压强度，使TTNZ多孔口腔种植体的力学性能满足临床使用需求。本发明制备的TTNZ多孔口腔种植体的压缩强度为：260～320MPa，弹性模量为：10～20GPa，具有较好的综合力学机械性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
设定激光选区熔化工艺参数，扫描实体的激光功率350W，扫描轮廓的激光功率200W，扫描支撑的激光功率350W，光斑直径70μm，实体扫描速度2500mm/s，轮廓扫描速度450mm/s，支撑扫描速度2500mm/s，扫描间距为0.07进行激光选区熔化，完成多孔种植体构件的3D打印，所采用的合金粉末粒径范围为15～53μm；基板预热温度为60～90℃，成型室内氩气保护，腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10～40mbar；铺粉厚度为0.055mm。
真空热处理炉设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至10Pa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至真空度达到1Pa为止。
将上述多孔种植体构件从基板切除后放入上述真空热处理炉进行热处理：600℃，保温8h，炉冷至室温，得到多孔口腔种植体。
按照GB/T 15072.1-20《贵金属合金化学分析方法》系列标准，测试本发明实施例1制备的多孔种植体构件的成分，检测结果为：10.1wt％的Ta；1.7wt％的Nb；1.6wt％的Zr；0.01wt％的Fe；0.005wt％的C；0.139wt％的O；0.003wt％的N；0.001wt％的H；86.442wt％的Ti。
按照GB/T 7314-2017《金属材料室温压缩试验方法》和GB/T 31930-2015《金属材料延性试验多孔状和蜂窝状金属压缩试验方法》标准方法，对本发明实施例1制备的多孔口腔种植体进行性能检测，检测结果为，本发明实施例1制备的多孔口腔种植体的压缩强度的平均值为209.5，弹性模量的平均值为20GPa。
实施例2
设定激光选区熔化工艺参数，扫描实体的激光功率350W，扫描轮廓的激光功率200W，扫描支撑的激光功率350W，光斑直径70μm，实体扫描速度2500mm/s，轮廓扫描速度450mm/s，支撑扫描速度2500mm/s，扫描间距为0.07进行激光选区熔化，完成多孔种植体构件的3D打印，所采用的合金粉末粒径范围为15～53μm；基板预热温度为60～90℃，成型室内氩气保护，腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10～40mbar；铺粉厚度为0.055mm。
真空热处理炉设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至10Pa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至真空度达到1Pa为止。
将上述多孔种植体构件从基板切除后放入上述真空热处理炉进行热处理：800℃，保温4h，炉冷至室温，得到多孔口腔种植体。
按照实施例1的方法，测试本发明实施例2制备的多孔种植体构件的成分，检测结果为：10.1wt％的Ta；1.7wt％的Nb；1.6wt％的Zr；0.01wt％的Fe；0.005wt％的C；0.139wt％的O；0.003wt％的N；0.001wt％的H；86.442wt％的Ti。
按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备的多孔口腔种植体进行性能检测，检测结果为，本发明实施例2制备的多孔口腔种植体的压缩强度平均值为230MPa，弹性模量平均值为17.5GPa。
实施例3
设定激光选区熔化工艺参数，扫描实体的激光功率350W，扫描轮廓的激光功率200W，扫描支撑的激光功率350W，光斑直径70μm，实体扫描速度2500mm/s，轮廓扫描速度450mm/s，支撑扫描速度2500mm/s，扫描间距为0.07进行激光选区熔化，完成多孔种植体构件3D打印，采用的合金粉末粒径范围为15～53μm；基板预热温度为60～90℃，成型室内氩气保护，腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10～40mbar；铺粉厚度为0.055mm。
真空热处理炉设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至10Pa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至真空度达到1Pa为止。
将上述多种植体构件从基板切除后放入上述真中空热处理炉进行热处理：900℃，保温4h，炉冷至室温，得到多孔口腔种植体。
按照实施例1的方法，测试本发明实施例3制备的多孔种植体构件的成分，检测结果为：10.1wt％的Ta；1.7wt％的Nb；1.6wt％的Zr；0.01wt％的Fe；0.005wt％的C；0.139wt％的O；0.003wt％的N；0.001wt％的H；86.442wt％的Ti。
按照实施例1的方法，对本发明实施例3制备的多孔口腔种植体进行性能检测，检测结果为，本发明实施例3制备的多孔口腔种植体的压缩强度平均值为294.5MPa，弹性模量平均值为15GPa。
由以上实施例可知，本发明提供了一种多孔口腔种植体的制备方法，包括：将合金粉末通过激光选区熔化工艺制备得到多孔种植体；将所述多孔种植体进行真空热处理后炉冷，得到多孔口腔种植体。本发明采用特定的热处理工艺，尤其针对特定成分的3D打印制备的TTNZ合金多孔材料，能够较大提升材料的抗压强度，使TTNZ多孔口腔种植体的力学性能满足临床使用需求。利用本发明提供的方法制备的新型TTNZ合金多孔种植体有效解决了多孔TTNZ材料力学强度较低的问题，平衡了多孔种植体生物性能与力学性能间的关系，压缩强度：269～320MPa，弹性模量：10～20GPa，可以满足口腔临床种植体使用的力学机械性能的要求。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔口腔种植体的制备方法，包括：
将合金粉末通过激光选区熔化工艺制备得到多孔种植体；
将所述多孔种植体进行真空热处理后炉冷，得到多孔口腔种植体；
所述多孔种植体的成分为：
9～11wt％的Ta；
1.5～2wt％的Nb；
1.3～1.8wt％的Zr；
＜0.03wt％的Fe；
0.003～0.008wt％的C；
0.1～0.2wt％的O；
0.002～0.004wt％的N；
0.0005～0.0015wt％的H；
余量为Ti；
所述真空热处理的温度为850～950℃，保温时间为3.5～4.5小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空热处理的真空度为0.5～1.5Pa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空热处理的升温时间为0.8～1.2小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉冷为炉冷至室温。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉末的流动性≤20s/50g。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉末的粒径为15～53μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光选区熔化过程中的铺粉厚度为20～60μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光选区熔化过程中扫描实体的激光功率为320～370W；扫描轮廓的激光功率为150～200W；扫描支撑的激光功率为320～370W；光斑直径为65～75μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光选区熔化过程中实体扫描速度为2200～2700mm/s；轮廓扫描速度为400～500mm/s；支撑扫描速度为2200～2700mm/s；扫描间距为0.06～0.08。
10.一种权利要求1所述的方法制备得到的多孔口腔种植体。
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