适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，其通过数字化技术来对人工髋关节的三维造型进行设计，并将人工髋关节与人体骨的接触面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，然后用含CaCO3晶须的PEEK复合材料作为人工髋关节的3D打印材料，根据设计好的造型数据用专用3D打印机打印人工髋关节，再对人工髋关节与人体骨的接触面进行表面处理和涂附活性骨膏，由此得到一种性能优越的人工髋关节。本方法可用于快速制备个性化人工髋关节，且制备出来的人工髋关节具有良好的力学性能和耐磨性能，弹性模量与人体骨骼相近，同时还具有良好的生物活性和骨诱导性，可引导骨再生，使人工髋关节和人体骨连接界面愈合良好。

Preparation of PEEK Composite Artificial Hip Joint for 3D Printing

The invention provides a preparation method of PEEK composite artificial hip joint suitable for 3D printing, which designs the three-dimensional model of the artificial hip joint by digital technology, designs the contact surface between the artificial hip joint and human bone into a mesh groove structure or a honeycomb hole structure, and then uses the PEEK composite material containing CaCO3 whisker as the 3D printing material of the artificial hip joint. According to the designed modeling data, a special 3D printer is used to print the artificial hip joint, and then the interface between the artificial hip joint and the human bone is treated and coated with active bone paste. Thus, a kind of artificial hip joint with superior performance is obtained. This method can be used for rapid preparation of personalized artificial hip joint, and the prepared artificial hip joint has good mechanical properties and wear resistance. Its modulus of elasticity is similar to human skeleton. It also has good biological activity and bone induction. It can guide bone regeneration and make the interface between artificial hip joint and human bone heal well.

【技术实现步骤摘要】
适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法
本专利技术涉及一种人工髋关节的制备方法，具体是一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，属于骨外科医用材料制备

技术介绍
近年来，随着经济和科技的发展，组织工程和再生医学的发展水平得到了大幅度的提升，从而为骨缺损的修复提供了新的选择，将骨组织工程技术应用于大面积的骨缺损治疗，可以克服自体骨移植和异体骨移植的缺点。骨组织工程要求人工骨要由骨传导性和骨诱导性好的生物材料构成，且生物相容性和生物降解性要好。随着人口老龄化社会的来临，老年人股骨头坏死和股骨颈骨折已是骨科常见病，对老年人股骨颈骨折应尽早采用髋关节置换已是众多学者的共识。目前钴铬钼合金人工髋关节因为其价格低廉使用得较为广泛，为了提高耐磨性能，市面上还出现了氧化锆氧化铝陶瓷人工髋关节，然而不管是钴铬钼合金人工髋关节还是氧化锆氧化铝陶瓷人工髋关节，均没有生物活性，且刚性太强，弹性模量太高，会产生遮挡现象，不符合骨组织工程材料的要求，因此我们希望采用其他材料来制备一种具有良好机械性能、生物活性和成骨诱导功能的人工髋关节。聚醚醚酮（PEEK）是一种具有高强度、高断裂韧性的塑料，其耐疲劳性可与合金媲美。医用级PEEK具有很好的生物相容性、无细胞毒性、无诱变性、无致癌性，不引起过敏，还具有极强的耐腐蚀、耐水解和耐化学性，而且其具有良好的机械性能，是目前研究得较为广泛的人工骨材料之一。医疗领域所用的PEEK是经美国FDA认证的最佳长期骨移植材料，其玻璃化温度为145℃，熔化温度为334℃。单独使用PEEK作为人工骨材料，其缺点在于耐磨性不足且缺乏成骨诱导功能。通过调整补强材料的加入比例，PEEK复合材料的杨氏模量可调节到18-19GPa，和人体骨骼的杨氏模量最为接近，其作为植入骨可以和健康骨长久并存，骨骼不会发生疏松退化。相关公开资料表明，加入碳酸钙（CaCO3）晶须后的PEEK复合材料的磨损率下降明显，CaCO3晶须依靠晶须的桥接，裂纹偏转和拨出效应来吸收能量，消除裂纹尖端应力，从而降低周围基体材料所受的应力，增加耐磨性，而且磨损出来的微粒不会造成异物损害，也不会增加磨损性。加入10-20%CaCO3晶须的PEEK复合材料的磨损率下降26倍，CaCO3晶须含量为15%时，PEEK复合材料的磨损率相对纯PEEK降低86%，含有15-20%CaCO3的PEEK晶须复合材在各个压力下的摩擦系数和磨损率最低，减摩效果最优。3D打印技术是以一种以数字模型文件为基础，依托信息技术、材料科学和精密机械等多种学科的尖端技术，其主要通过计算机辅助设计（CAD）软件设计模型数据，将数据导入特定的打印机，运用粉末状金属或塑料等可熔融粘合材料，通过加热熔融挤出逐层打印的方式来构造物体。目前3D打印技术已逐步应用到骨组织工程支架材料的制备过程中，3D打印可根据CT扫描数据或计算机设计模型制造出与人体骨骼形态相一致的人工髋关节，并制造出相应的仿生孔隙，以增强材料的生活活性。由于PEEK材料的熔点高，粘度大，目前市面上可将PEEK作为打印材料的3D打印机很少，德国Apium公司生产的ApiumM系列3D打印机为专业打印植入医疗器械的3D打印机，其具有加热温度高、喷头压力大、打印分辨率高等优点，可适用于PEEK、碳纤维增强PEEK、PEI9085、POM-C等多种高性能的高分子材料，而且使用其处理PEEK材料，不会影响PEEK材料的生物相容性和杀菌性能。另外，为了进一步增加骨诱导性和生物活性，还需要对由3D打印机打印出来的PEEK复合材料人工髋关节进行进一步的表面处理。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，以用于快速制备一种具有良好机械强度和生物活性、弹性模量与人体骨骼相近、有诱导成骨功效的个性化人工髋关节。本专利技术的具体技术方案如下：一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，包括以下步骤：（1）人工髋关节的三维造型设计利用CT扫描技术获取患者髋关节包括股骨和髋臼的形状数据，根据扫描数据用计算机CAD三维重建技术构建出人工髋关节的三维造型，人工髋关节由人工髋臼和人工股骨头插入件组合而成，再根据计算机虚拟髋关节置换的效果来对人工髋关节的三维造型进行修正；然后将人工髋关节与人体骨的接触面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，所述人工髋关节与人体骨的接触面包括人工髋臼与人体髋骨的接触面以及人工股骨头插入件与人体股骨干的接触面。（2）3D打印材料的制备取医用级PEEK粉剂85重量份与长度为50-150μm的碳酸钙（CaCO3）晶须15-20重量份进行混合，再加入足量的甘油和乙醇，放入高速打磨机中打磨成混悬液，再用抽滤机抽滤掉混悬液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中干燥，得到含CaCO3晶须的PEEK复合材料，将此PEEK复合材料作为3D打印材料备用。（3）3D打印人工髋关节将步骤（2）准备好的PEEK复合材料加入德国Apium公司生产的ApiumM系列3D打印机的加热腔中，将步骤（1）设计好的人工髋臼和人工股骨头插入件的三维造型以STL格式导入3D打印机的控制软件中并自动转化为相应的分层数据，由3D打印机将PEEK复合材料进行加热熔融，再从喷头挤出，逐层打印叠加成型，由此得到由PEEK复合材料制成的人工髋臼和人工股骨头插入件。（4）人工髋臼的臼窝和人工股骨头插入件的球头的精加工处理对人工髋臼的臼窝表面及人工股骨头插入件的球头表面用高精度磨床进行加工，保证人工髋臼的臼窝表面与人工股骨头插入件的球头表面实现精密匹配。（5）表面涂层材料的制备取聚己内酯（PCL）40-70重量份、纳米羟基磷灰石（nHA）15-20重量份、β-磷酸钙（β-TCP）15-20重量份进行混合，再加入足量的二氯甲烷作为溶剂，充分搅拌后配制成喷涂胶。（6）人工髋关节与人体骨的接触面的表面处理对人工髋关节与人体骨的接触面进行喷砂处理，用扫描电镜（SEM）观察PEEK复合材表面有晶须头露出即可，喷砂处理后用水洗净，用热风吹干；然后用步骤（5）制得的喷涂胶用喷枪均匀喷涂到人工髋关节与人体骨的接触面上，涂层厚度为100-200μm，喷涂完成后用高速热风吹干，使涂层中的二氯甲烷完全挥发，涂层表面因二氯甲烷逸出而形成大量微孔，再对人工髋关节与人体骨的接触面进行二次喷砂处理，用水洗净后用热风吹干，消毒备用。（7）人工髋关节与人体骨的接触面涂附活性骨膏在置换手术前，对人工髋关节与人体骨的接触面的网孔内涂入一层活性骨膏后即可立即用于置换手术；所述活性骨膏的配制方法为：收集钻股骨配合孔时产生的自体骨粉25-70重量份，加入nHA15-25重量份、β-TCP10-30重量份，再加入适量的富血小板纤维蛋白（PRF）共同搅拌调成膏状，即为活性骨膏。本专利技术通过数字化技术来对人工髋关节的三维造型进行设计，并将人工髋关节与人体骨的接触面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，然后用含CaCO3晶须的PEEK复合材料作为人工髋关节的3D打印材料，根据设计好的造型数据用专用3D打印机打印人工髋关节，再对人工髋关节与人体骨的接触面进行表面处理和涂附活性骨膏，由此得到一种性能优越的PEEK复合材料人工髋关节。本方法可用于快速制备个性化人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）人工髋关节的三维造型设计利用CT扫描技术获取患者髋关节包括股骨和髋臼的形状数据，根据扫描数据用计算机CAD三维重建技术构建出人工髋关节的三维造型，人工髋关节由人工髋臼和人工股骨头插入件组合而成，再根据计算机虚拟髋关节置换的效果来对人工髋关节的三维造型进行修正；然后将人工髋关节与人体骨的接触面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，所述人工髋关节与人体骨的接触面包括人工髋臼与人体髋骨的接触面以及人工股骨头插入件与人体股骨干的接触面；（2）3D打印材料的制备取医用级PEEK粉剂85重量份与长度为50‑150μm的碳酸钙（CaCO3）晶须15‑20重量份进行混合，再加入足量的甘油和乙醇，放入高速打磨机中打磨成混悬液，再用抽滤机抽滤掉混悬液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中干燥，得到含CaCO3晶须的PEEK复合材料，将此PEEK复合材料作为3D打印材料备用；（3）3D打印人工髋关节将步骤（2）准备好的PEEK复合材料加入德国Apium公司生产的Apium M系列3D打印机的加热腔中，将步骤（1）设计好的人工髋臼和人工股骨头插入件的三维造型以STL格式导入3D打印机的控制软件中并自动转化为相应的分层数据，由3D打印机将PEEK复合材料进行加热熔融，再从喷头挤出，逐层打印叠加成型，由此得到由PEEK复合材料制成的人工髋臼和人工股骨头插入件；（4）人工髋臼的臼窝和人工股骨头插入件的球头的精加工处理对人工髋臼的臼窝表面及人工股骨头插入件的球头表面用高精度磨床进行加工，保证人工髋臼的臼窝表面与人工股骨头插入件的球头表面实现精密匹配；（5）表面涂层材料的制备取聚己内酯（PCL）40‑70重量份、纳米羟基磷灰石（nHA）15‑20重量份、β‑磷酸钙（β‑TCP）15‑20重量份进行混合，再加入足量的二氯甲烷作为溶剂，充分搅拌后配制成喷涂胶；（6）人工髋关节与人体骨的接触面的表面处理对人工髋关节与人体骨的接触面进行喷砂处理，用扫描电镜（SEM）观察PEEK复合材表面有晶须头露出即可，喷砂处理后用水洗净，用热风吹干；然后用步骤（5）制得的喷涂胶用喷枪均匀喷涂到人工髋关节与人体骨的接触面上，涂层厚度为100‑200μm，喷涂完成后用高速热风吹干，使涂层中的二氯甲烷完全挥发，涂层表面因二氯甲烷逸出而形成大量微孔，再对人工髋关节与人体骨的接触面进行二次喷砂处理，用水洗净后用热风吹干，消毒备用；（7）人工髋关节与人体骨的接触面涂附活性骨膏在置换手术前，对人工髋关节与人体骨的接触面的网孔内涂入一层活性骨膏后即可立即用于置换手术；所述活性骨膏的配制方法为：收集钻股骨配合孔时产生的自体骨粉25‑70重量份，加入nHA 15‑25重量份、β‑TCP 10‑30重量份，再加入适量的富血小板纤维蛋白（PRF）共同搅拌调成膏状，即为活性骨膏。...

【技术特征摘要】
1.一种适于3D打印的PEEK复合材料人工髋关节的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）人工髋关节的三维造型设计利用CT扫描技术获取患者髋关节包括股骨和髋臼的形状数据，根据扫描数据用计算机CAD三维重建技术构建出人工髋关节的三维造型，人工髋关节由人工髋臼和人工股骨头插入件组合而成，再根据计算机虚拟髋关节置换的效果来对人工髋关节的三维造型进行修正；然后将人工髋关节与人体骨的接触面设计成网状开槽结构或蜂窝状孔洞结构，所述人工髋关节与人体骨的接触面包括人工髋臼与人体髋骨的接触面以及人工股骨头插入件与人体股骨干的接触面；（2）3D打印材料的制备取医用级PEEK粉剂85重量份与长度为50-150μm的碳酸钙（CaCO3）晶须15-20重量份进行混合，再加入足量的甘油和乙醇，放入高速打磨机中打磨成混悬液，再用抽滤机抽滤掉混悬液中的甘油和乙醇，并放入干燥机中干燥，得到含CaCO3晶须的PEEK复合材料，将此PEEK复合材料作为3D打印材料备用；（3）3D打印人工髋关节将步骤（2）准备好的PEEK复合材料加入德国Apium公司生产的ApiumM系列3D打印机的加热腔中，将步骤（1）设计好的人工髋臼和人工股骨头插入件的三维造型以STL格式导入3D打印机的控制软件中并自动转化为相应的分层数据，由3D打印机将PEEK复合材料进行加热熔融，再从喷头挤出，逐层打印叠加成型，由此得到由PEEK复合材料制成的人工髋臼和人工股骨头插入件；（4）人工髋臼的臼窝和人工股骨头插入件的球头的精加工处理对人工髋臼的臼窝表面及人工股骨头插入件的球头表面用高精度磨床进行加工，保证人工髋臼的臼窝表面与人工股骨头插入件的球头表面实现精密匹配；（5）表面涂层材料的制备取聚己内酯（PCL）40-70重量份、纳米羟基磷灰石（nHA）15-20重量份、β-磷酸钙（β-TCP）15-20重量份进行混合，再加入足量的二氯甲烷作为溶剂，充分搅拌后配制成喷涂胶；（6）人工髋关节与人体骨的接触面的表面处理对人工髋关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉元，王粤凡，
申请(专利权)人：南宁越洋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广西,45