利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用技术

本发明专利技术涉及医疗材料技术领域，具体提供了一种利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用，突破了激光选区熔化成形可降解镁基非晶合金的技术瓶颈，制备出了一种可降解镁基非晶合金骨填充块，用以治疗大范围骨缺损。具体优点如下：(1)通过快速冷却熔融态镁基非晶合金的手段将其制备呈非晶态，解决传统镁合金晶体合金降解速率过快的问题；(2)通过形貌结构优化，利用梯度结构精准调节镁基非晶合金降解速率，使其与新骨生成的速度相耦联，达到动态平衡；(3)利用镁基非晶合金降解时释放的氢气营造有利于骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞以实现骨快速长入的效果。骨细胞以实现骨快速长入的效果。

【技术实现步骤摘要】
利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用


[0001]本专利技术涉及医疗材料
，具体为利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用。

技术介绍

[0002]大范围骨缺损难以自行修复，会导致严重运动功能障碍。理想的骨缺损修复材料应既能提供即刻力学强度、又能促进骨愈合，以满足术后关节负重及快速康复的要求。目前采用的钛合金支架虽即刻力学性能优异，但其是生物惰性材料，不可降解，存在远期血源性感染风险，高分子可降解材料支架初始力学性能又难以满足骨组织修复的需求。因此，亟需一种力学适配性强、能促进骨缺损修复、可生物降解的生物医用金属材料。
[0003]镁合金的力学性能要远优于高分子可降解修复材料，又具有生物活性，可以促进骨生长，还能够在人体内降解，避免了远期血源性植入物感染风险。但是传统的镁合金在人体内降解过快，导致植入物出现应力腐蚀开裂、力学强度降低，在新骨长成之前便失去力学稳定性，从而影响骨修复效果。因此，应对镁基植入物的降解速率进行调控，使其与新骨长成的速度相耦联。
[0004]镁基非晶合金的无序的原子密堆结构赋予了其优异的耐腐蚀性能，Mg
‑
Zn
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Ca
‑
Sr非晶合金的降解速率仅为商用镁合金WE43的25％，但其制备需极高的冷却速度，而且难以对其机械加工，限制了其广泛应用。而日益成熟的3D打印技术可提供极高的冷却速度，还具有复杂结构一次成形的特点，成为了理想的制备非晶合金的手段。因此，可以利用3D打印技术根据骨生长情况制备具有复杂梯度结构的多孔植入物，达到精准调节降解行为的目的。基于上述背景，本专利技术拟利用镁基非晶合金的组织结构优势，结合3D打印技术可制备复杂几何结构的特点，制备具有复杂连续梯度结构、降解速率可调控、力学性能与骨适配的3D打印镁基非晶填充块，并利用其降解所产生的碱性环境与氢环境促进骨组织愈合。

技术实现思路

[0005]针对上述情况，为弥补上述现有缺陷，本专利技术提供了一种利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用，该方案利用激光选区熔化成形方法的加工由主要成分为Mg、Zn、Ca、Sr组成的Mg基非晶合金粉末，制备一种可治疗大段骨缺损的可降解镁基非晶合金骨填充块，该镁基非晶合金骨填充块具有非晶态的微观组织结构与连续梯度孔隙(孔隙率40％—80％)的空间几何结构，其孔隙结构可根据患者骨组织微环境内的成骨活性进行设计，对填充块的降解速率进行调控，使其与新骨长成的速度相耦联，达到骨组织再生修复完成与镁基非晶合金填充块全部降解同步；在此期间，镁基非晶合金填充块降解所产生的氢气构成了局部富氢环境，对骨组织修复具有促进的功能。与此同时，该富氢环境还抑制了需氧细菌生长，达到抗感染、抗炎的效果。
[0006]本专利技术提供如下的技术方案：本专利技术提出的一种利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法，具体包括下列步骤：
[0007]步骤一、根据患者影像学资料进行三维重建、分析，设计镁基非晶合金填充块的外形轮廓；
[0008]步骤二、结合有限元力学分析结果，并结合患者实际情况，对镁基非晶合金填充块的孔隙结构进行设计；
[0009]步骤三、应用激光选区熔化成形工艺对镁基非晶合金粉末进行加工成形，从而得到镁基非晶合金填充块，镁基非晶合金填充块植入人体后降解释放氢气，镁基非晶合金填充块降解时释放的氢气有利于骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞以实现骨快速长入；
[0010]步骤四、制得的镁基非晶合金填充块经物理清粉、清洗、灭菌、包装即可等待外科植入使用。
[0011]进一步地，步骤一中根据患者病情，设计镁基非晶合金填充块的宏观几何结构为由内向外具有连续梯度孔隙结构，通过镁基非晶合金填充块的形貌结构优化，利用连续梯度孔隙结构精准调节镁基非晶合金降解速率，使其与新骨生成的速度相耦联，达到动态平衡，孔隙结构的孔隙率为40％～80％。
[0012]进一步地，所述孔隙结构的单元孔形为六面体形，孔径在0.3mm至0.35mm之间。
[0013]进一步地，步骤三所述激光选区熔化成形工艺的具体处理步骤如下：
[0014](1)将电极感应熔炼气雾化法(EIGA)制得的镁基非晶合金粉末放入激光选区熔化3D打印设备中；
[0015](2)充入氩气，加工期间控制箱体内氧含量在500ppm以下，调节加热基板温度为100
‑
150℃区间，铺层厚度为0.03
‑
0.04mm，层与层之间加工方向成90
°
条件下，对镁基非晶合金粉进行激光选区熔化3D打印即可制得镁基非晶合金填充块。
[0016]作为优选地，所述镁基非晶合金粉末的粒径为0.015
‑
0.053mm。
[0017]作为优选地，所述激光选区熔化3D打印的工艺参数为：激光功率为60
‑
100W，扫描速度为200
‑
500mm/s，扫描间距为0.08
‑
0.10mm，控制其冷却速率大于105K/s，通过快速冷却熔融态镁基非晶合金的手段将其制备呈非晶态，利用非晶合金无晶界、耐腐蚀的特点提供适量的氢气，有效解决传统镁合金降解速率过快的问题，从而解决了传统镁基合金植入物植入人体后容易产生气肿的问题，并在降解速率可控的情况下，提供富氢环境合理控制骨再生的微环境，并使得制得的基非晶合金填充块的致密度可以达到99.5％。
[0018]本专利技术一种利用激光选区熔化加工的镁基非晶合金填充块的应用，其用于治疗大范围骨缺损。
[0019]进一步地，一种利用激光选区熔化加工的镁基非晶合金填充块的应用，其具体应用方法为：将根据患者情况制备的对应的镁基非晶合金填充块植入患者体内，植入后14日内，每12小时观察是否有气肿出现，定期影像学观察骨长入情况与填充块降解情况。
[0020]采用上述结构本专利技术取得的有益效果如下：本专利技术提出的利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法及应用，突破了激光选区熔化成形可降解镁基非晶合金的技术瓶颈，制备出了一种3D打印可降解镁基非晶合金骨填充块，用以治疗大范围骨缺损。具体优点如下：
[0021](1)通过快速冷却熔融态镁基非晶合金的手段将其制备呈非晶态，解决传统镁合金晶体合金降解速率过快的问题；
[0022](2)通过形貌结构优化，利用梯度结构精准调节镁基非晶合金降解速率，使其与新
骨生成的速度相耦联，达到动态平衡；
[0023](3)利用镁基非晶合金降解时释放的氢气营造有利于骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞以实现骨快速长入的效果。
[0024]最终实现利用激光选区熔化成形可降解镁基非晶合金填充块提高骨缺损的临床疗效。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术稍微实施例，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法，其特征在于，具体包括下列步骤：步骤一、根据患者影像学资料进行三维重建、分析，设计镁基非晶合金填充块的外形轮廓，镁基非晶合金填充块的宏观几何结构为由内向外具有连续梯度孔隙结构；步骤二、结合有限元力学分析结果，并结合患者实际情况，对镁基非晶合金填充块的孔隙结构进行设计；步骤三、应用激光选区熔化成形工艺对镁基非晶合金粉末进行加工成形，从而得到镁基非晶合金填充块；步骤四、制得的镁基非晶合金填充块经物理清粉、清洗、灭菌、包装即可等待外科植入使用。2.根据权利要求1所述的利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法，其特征在于，结合患者实际情况对镁基非晶合金填充块的孔隙结构进行设计，孔隙结构的孔隙率为40％～80％。3.根据权利要求2所述的利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法，其特征在于，所述孔隙结构的单元孔形为六面体形，孔径在0.3mm至0.35mm之间。4.根据权利要求1所述的利用激光选区熔化加工镁基非晶合金填充块的方法，其特征在于，步骤三所述激光选区熔化成形工艺的具体处理步骤如下：(1)将电极感应熔炼气雾化法(EIGA)制得的镁基非晶合金粉末放入激光选区熔化3D打印设备中；(2)充入氩气，加工期间控制箱体内氧含量在500ppm以下，调节加热基板温度为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓亮，王亚运，
申请(专利权)人：上海交一医学技术集团有限公司，
类型：发明
国别省市：