本发明专利技术涉及制造三维碳结构的方法，并且还涉及包含热解碳颗粒的烧结制品。该方法包括将粉状有机材料烧结(优选使用选择性激光烧结法)以形成具有所期望形状的烧结的三维结构。然后，将烧结结构热解以形成最终的碳结构。该方法特别适用于诸如骨支架和关节置换物的生物医学植入物的生产。在一些实施方案中，粉状有机材料为木质素，其为本发明专利技术的方法提供了可再生的且有高成本效益的起始原料。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于制造三维碳结构的方法，并且还涉及包含热解碳颗粒的烧结制品。背景增材制造(additive manufacturing)(AM)是制造三维结构的工艺，其基于一组数字指令来建立连续层。选择性激光烧结是已知的AM方法，其通常包括以下的一般步骤。将诸如塑料、金属、陶瓷或玻璃的粉状材料在平台上铺开，使用激光以选择性加热粉状材料区域，该区域对应于最终三维结构的二维截面。来自激光的热量使粉状材料熔合在一起。将平台降低，并涂覆新的粉末层。然后，激光选择性加热对应于下一个截面的粉状材料区域，从而将其与下方的截面熔合。重复该工艺直至完成三维结构。增材制造的一个应用是为定制医学植入物市场生产多孔的钛的骨支架。传统上，骨移植物已用于修复受损骨。最近，诸如钛和钛合金的材料已用于生产承重植入物。然而，钛植入物有很多问题。一个特别的问题是钛相对于骨的刚度问题。使用杨氏模量(Young’s Modulus)标度，钛的刚度为125Gpa，而骨的刚度只有20Gpa。因此，使用钛植入物可能导致“应力遮挡”(stress-shielding)，这意味着钛植入物承受重量和压力的应变，使周围骨变得弱化。这也能导致植入物松动(http://biometal.sjtu.edu.cn/en/Show.aspx？info_lb＝517&info_id＝784&flag＝293)。因此，期望骨支架的刚度与骨的刚度接近，以限制或消除应力遮挡。此外，研究表明，从植入物材料释放的金属离子可能产生不良生物反应或诱发变态反应。该问题的现行解决方案是仔细选择金属生物材料的组合物以避免或最小化不良反应(http://biometal.sjtu.edu.cn/en/Show.aspx？info_lb＝517&info_id＝784&flag＝293)。致密金属植入物的一项改进是多孔支架的使用，其在称为骨整合的过程中模拟骨的结构并且允许骨组织长入。这种支架可使用“造孔剂”(spaceholder)增材制造方法进行生产，借此AM用于形成包含分散的填料颗粒的三维结构，随后填料颗粒降解，留下多孔结构。多孔结构也能由发泡钛合金进行生产(参见http://biometal.sjtu.edu.cn/en/Show.aspx？info_lb＝517&info_id＝784&flag＝293)。热解碳或高温碳是合成物质，其通常在无氧条件下通过加热有机材料来生产。它具有优异的生物相容性和硬度，并且具有抗血栓功效。这导致热解碳用来生产诸如近端指间(PIP)关节和接骨板的小型骨科植入物、牙科植入物和颌面部植入物。专利技术概述在第一方面中，本专利技术提供了制造碳结构的方法，所述方法包括将粉状有机聚合物烧结以形成烧结的第一结构和将烧结的第一结构热解以将其转化为碳结构。本专利技术的方法能够使用增材制造(AM)技术通过两步法工艺来生产碳结构。首先，将粉状可熔有机聚合物烧结以形成具有所期望形状的烧结的第一结构。烧结可通过局部加热(例如使用激光或电子束)可熔聚合物实现。优选地，烧结可在惰性气氛(具有有限的氧气或无氧)中实施。如上所述，激光烧结是一项已有的技术，它允许将粉末层的选择区域进行烧结成形，且不熔化整个粉末颗粒层，并且可用于AM。通常，对于给定的激光功率，通过控制激光扫描速度(有时称为“驻留时间”)实现该加热，以使粉末温度足以熔化或软化至少粉末颗粒的表面并且允许它们熔化或烧结而不引起燃烧。通常，基于第一制品的CAD设计，用于生产期望结构的数字指令通过计算机控制的激光执行。激光有选择地相继烧结期望的最终三维结构的截面，增量式构建截面的层层叠加结构直至完成最终三维结构。例如，US 4,863,538描述了激光烧结方法。如果使用电子束代替激光来加热粉状有机聚合物，相同的原理仍然适用。在另一个实施方案中，可通过例如在模具中，优选在惰性气氛(具有有限的氧气或无氧)中使其加热而将粉状有机聚合物进行烧结。不论是通过激光、电子束或通过在模具中加热，或者实际上通过任何其他方法实施烧结，烧结通常应在使聚合物颗粒烧结或融合在一起的温度(例如，熔点或软化点)和其分解以使烧结能够发生的温度之间进行。因此，在一些实施方案中，当加热粉状有机聚合物时，假设它完全熔化，其颗粒软化并能够在低于有机聚合物熔点的温度下与其他软化的有机聚合物颗粒融合。在使用AM实施激光烧结的情况下，烧结应在粉末颗粒层内部和连续层之间发生。如下文所述，可能使用的聚合物之一是木质素，并且对于木质素，可在至少130℃、至少150℃、至少175℃、至少200℃、至少225℃、至少250℃、至少275℃或至少300℃的温度下加热聚合物。如果在模具中加热聚合物，优选加热至少2小时、至少3小时、至少4小时、至少5小时、至少6小时、至少7小时、至少8小时、至少9小时、至少10小时、至少11小时、至少12小时或至少15小时。所需的温度和时间依赖于多种因素，并且特别依赖于所使用的有机聚合物以及要生产的烧结结构的体积、厚度和形状。一旦产生具有所期望形状的烧结的第一结构，就将结构实施热解工艺。热解是有机材料在无氧条件下的热分解。热解工艺使烧结有机聚合物转化为碳。在一些实施方案中，可将产生的碳称为“热解碳”。该术语在本文中用于指当有机聚合物进行热解至相比于通过使聚合物部分或完全分解(使其全部或大部分碳含量保留在第二物质中)而导致的有机聚合物的碳含量百分比，热解物质的碳含量百分比提高时所产生的物质。在本专利技术的一些实施方案中，将烧结的第一结构热解至基本上全部烧结的有机聚合物被热解的程度。以重量计，这种碳结构可为至少85％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％或100％的碳。在其他实施方案中，将烧结的第一结构热解至足以在结构的一些或所有表面上产生碳壳或涂层的程度。例如，烧结的有机聚合物的核可保留在最终的碳结构中。可备选地，第一结构的部分或区域可被完全热解，而其他部分或区域可能一点也没热解或者可能进行足以产生涂层或壳的热解。涂层或壳本身可能具有以重量计至少85％、至少90％、至少95％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％或100％的碳含量。壳的厚度依赖于要生产的结构的尺寸和物理/技术要求。例如，涂层或壳可具有小于或等于90％、小于或等于80％、小于或等于70％、小于或等于60％、小于或等于50％、小于或等于40％、小于或等于30％、小于或等于20％、小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、小于或等于1％、小于或等于0.5％、小于或等于0.1％、小于或等于0.05％或小于或等于0.01％的结构的最大厚度的厚度。给定聚合物的热解温度依赖于所使用的聚合物。例如，热解可在至少200℃、至少300℃、至少400℃、至少500℃、至少600℃、至少700℃、至少800℃、至少900℃、至少1000℃、至少1200℃、至少1500℃、至少2000℃、至少2500℃或至少3000℃的温度下实施。可将热解实施至少30秒、至少1分钟、至少5分钟、至少10分钟、至少15分钟、至少20分钟、至少30分钟、至少1小时、至少1.5小时、至少2小时、至少2.5小时、至少3小本文档来自技高网...
【技术保护点】
制造碳结构的方法，所述方法包括将粉状有机聚合物烧结以形成烧结的第一结构，以及将所述烧结的第一结构热解以使其转化为碳结构。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.13 EP 14155061.61.制造碳结构的方法，所述方法包括将粉状有机聚合物烧结以形成烧结的第一结构，以及将所述烧结的第一结构热解以使其转化为碳结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状有机聚合物包含碳水化合物、任选的木质素或其盐或其衍生物。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述粉状有机聚合物具有不大于0.125mm的粒径。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在烧结之前，将添加剂包含在所述粉状有机聚合物中，该添加剂可为(i)补强剂，其任选选自碳纤维、在烧结温度下形成碳纤维的材料、以及钛；(ii)填料，其倾向于保留在最终结构中并且任选选自陶瓷、玻璃和碳颗粒；或者(iii)添加剂，其可降解以形成孔隙。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述添加剂是可降解的，并且所述方法包括将所述添加剂降解以在所述碳结构中形成孔隙。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述烧结步骤为增材制造工艺，或者所述烧结步骤在模具中进行。7.根据权利要求6所述的方法，其中通过使用激光或电子束来实施烧结。8.根据前述权...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·J·莫里斯，
申请(专利权)人：莫里斯兄弟控股有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB
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