一种低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼的成形方法与流程

本发明涉及一种髋关节臼的成形方法，尤其是涉及一种低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼的成形方法，属于骨植入体制造
技术领域：
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背景技术：
：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，是一种分子量超过150万的高分子聚合物，拥有高度有序的片晶镶嵌在无规的无定形区独特的复合结构、极高的分子量及较高的分子缠结密度赋予其优异的性能，如，低摩擦系数、高化学稳定性、良好的生物相容性及自润滑性等。因而，被广泛应用于关节替换材料，已成为最重要的人工髋关节臼用高分子材料。人日常活动及运动带来的循环作用应力，对UHMWPE髋关节臼的耐磨性、强度要求提出了苛刻的要求。临床应用表明，UHMWPE的硬度和耐磨损性能相对较低，长期服役过程中发生蠕变而使人工关节臼产生较大磨损，致使耐磨性成为影响UHMWPE人工髋关节臼在人体复杂的生理环境下服役寿命的主要因素。此外，磨损产生的UHMWPE颗粒聚积并诱发软组织炎症，导致假体周围发生骨溶解、关节的松动。为延长UHMWPE人工髋关节臼在人体内的服役寿命，亟需提高其服役性能。目前，UHMWPE人工髋关节臼主要通过压制烧结成形。CN105031721A将超高分子量聚乙烯粉末、维生素E粉末和单层氧化石墨烯进行混合，压模成型髋关节臼的胚体后进行辐照交联处理，降低了磨损率。石国军等热压成形偶联玻璃微珠/超高分子量聚乙烯复合材料，其力学性能及磨损性能得到提升。但压制烧结成形易使UHMWPE在高温下停留时间过长而氧化降解，极易造成断链反应的发生，形成含双键、自由基等对人体有潜在危害的物质；其次，因UHMWPE颗粒的扩散系数极小，在压制成形过程中颗粒间的界面不能完全消除，易引起结构缺陷，进而导致其性能的下降。此外，压制成形工艺制造精度不高，需后处理，制造周期长。近年来，激光选区烧结(SLS)已发展成为快速制造领域重要的发展方向之一，具有可直接成形复杂形状非金属零件，加工效率高、制造工艺简单等特点。UHMWPE人工髋关节臼的制造对传统的加工方法提出了挑战，而SLS技术为其提供了一个有效的途径。SLS成形高分子材料过程中，通过对其粉末在微米尺度内瞬间快速熔化与凝固，有效降低其在高温下停留时间，极大提高其成形性能。CN105172154A提供了一种超高分子量聚乙烯的选区激光烧结成型方法，切实解决了结构复杂的超高分子量聚乙烯关节臼的精密制造。CN103450537B提供了一种石墨烯/UHMWPE热压成型方法，提高了其抗静电性能。然而，基于SLS技术的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼的成形方法在医用低磨人工髋关节臼精密制造领域现有技术中并未涉及。技术实现要素：发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼的成形方法，该方法基于SLS技术独特的成形工艺方法，结合碳纳米管、石墨烯纳米碳材料优异的低磨性能，成形石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼具有较低的磨损率，以大幅延长其在人体复杂生理环境中的服役寿命。技术方案：为解决上述技术问题，本发明可采用以下技术方案来实现：一种低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼的成形方法，其特征在于：利用激光选区烧结技术成形低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼，包括以下步骤：(1)超高分子量聚乙烯复合粉体的制备：分别称量石墨烯、碳纳米管及超高分子量聚乙烯粉体，将石墨烯与碳纳米管纳米粉体置于乙醇/十六烷基苯磺酸钠分散剂中进行超声分散30分钟，得到稳定的石墨烯/碳纳米管复合纳米粉体分散体系，再将超高分子量聚乙烯粉体置于所述的石墨烯/碳纳米管复合纳米粉体分散体系中进行超声搅拌混合60分钟后，经真空干燥处理，获得超高分子量聚乙烯复合粉体；(2)髋关节臼模型前处理：利用CAD软件对髋关节臼进行三维实体建模，并采用路径规划软件对其进行分层切片处理；(3)激光选区烧结成形：在激光选区烧结设备中，通入保护气氛，将医用纯钛基板进行预热处理后，将所述的超高分子量聚乙烯复合粉体经激光选区烧结成形。进一步地，上述步骤(1)中，所述石墨烯质量百分比为1～15％、碳纳米管质量百分比为1～15％，剩余为超高分子量聚乙烯。进一步地，上述步骤(1)中，所述真空干燥处理温度为40℃，干燥时间为40分钟。进一步地，上述步骤(2)中，所述髋关节臼模型进行分层切片处理的层厚均为30μm。进一步地，上述步骤(3)中，所述的保护气氛为高纯度氩气，纯度为99.99％。进一步地，上述步骤(3)中，所述的激光选区烧结成形，其基板预热温度为40～100℃。进一步地，上述步骤(3)中，所述的激光选区烧结成形，其激光功率为20～100W，激光扫描速度为100～3000mm/s，扫描间距为30～80μm。现有技术制造超高分子量聚乙烯人工髋关节臼主要通过压制成形获得，需将超高分子量聚乙烯粉末与增强体通过球磨方法实现其两者的混合，对于纳米增强体而言，其团聚效应明显，通过球磨法难以将粉末混合均匀，易造成复合粉末压制成形后微区成分的差异，进而导致微观组织不均匀及对性能产生不利影响；其次，因UHMWPE的热导率极低，压制成形易使其在较高温度下停留时间过长而发生氧化降解，造成断链反应的发生，形成含双键、自由基等对人体有潜在危害的物质，且在压制成形过程中颗粒间的界面不能完全消除，易引起结构缺陷，进而导致其使用性能的下降；另一方面，较差的增强体/UHMWPE界面润湿特性不利于其耐磨性的提高。本发明的成形方法基于石墨烯及碳纳米管优异的自润滑特性，将石墨烯、碳纳米管与超高分子量聚乙烯通过简单的液相搅拌分散处理可直接获得球形度高、粉末流动性优良的超高分子量聚乙烯复合材料粉末，进而保证后续SLS成形的铺粉提供了均匀致密的粉床，同时以改善其耐磨性能；此外，石墨烯及碳纳米管具有优良的导热性能，在SLS成形过程中有助于提高熔体的导热性，进而有效避免其在高温下停留时间较长而导致其性能的下降。本发明基于石墨烯及碳纳米管优异的性能，创新性地运用先进的SLS成形石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼，不仅提升了其耐磨性能、延长其在人体内的服役寿命，也实现了人工髋关节臼的精密制造。综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：1、成形工艺简单、成本低廉。采用SLS成形石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼，无需压制模具及加热系统，同时无需复杂的后处理，大幅降低生产成本，具有良好的经济效益；2、创新地运用石墨烯及碳纳米管优良的导热特性，以提升UHMWPE复合材料熔体的导热性能，有效避免其在高温下停留时间较长而导致其性能的下降，使人工髋关节臼的成形性能得到大幅提升。3、基于石墨烯及碳纳米管优异的自润滑特性，利用简单易行的液相搅拌分散处理，实现了石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合粉体的制备，赋予粉末优良的流动性及均匀性等优点，满足SLS成形所需粉末的需求，以增强UHMWPE复合材料人工髋关节臼的耐磨性及人体服役性能。附图说明图1为实施例1成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的摩擦系数图；图2为实施例1成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的磨损形貌图；图3为实施例2成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的摩擦系数图；图4为实施例2成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的磨损形貌图；图5为实施例3成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的摩擦系数图；图6为实施例3成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的磨损形貌图；图7为实施例4成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的摩擦系数图；图8为实施例5成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的磨损形貌图；具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。实施例1本发明的低磨超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼成形方法，利用激光选区烧结技术成形超高分子量聚乙烯复合材料髋关节臼，其成形方法包括：(1)超高分子量聚乙烯复合粉体的制备：按石墨烯质量百分比为15％、纳米管质量百分比为15％、超高分子量聚乙烯质量百分比为70％分别称量石墨烯、碳纳米管及超高分子量聚乙烯粉体，将石墨烯与碳纳米管纳米粉体置于乙醇/十六烷基苯磺酸钠分散剂中进行超声分散30分钟，得到稳定的石墨烯/碳纳米管复合纳米粉体分散体系，再将超高分子量聚乙烯粉体置于所述的石墨烯/碳纳米管复合纳米粉体分散体系中进行超声搅拌混合60分钟后，经40℃真空干燥处理40分钟，获得超高分子量聚乙烯复合粉体；(2)髋关节臼模型前处理：利用CAD软件对髋关节臼进行三维实体建模，并采用路径规划软件对其进行分层切片处理，层厚均为30μm；(3)激光选区烧结成形：在激光选区烧结设备中，通入纯度为99.99％的高纯度氩气为保护气氛，将医用纯钛基板进行预热40℃，将所述的超高分子量聚乙烯复合粉体在激光功率为20W，激光扫描速度为100mm/s，扫描间距为30μm工艺条件下经激光选区烧结成形。实施例2本实施方式与实施例1不同的是在步骤(1)中称量时，将石墨烯质量百分比设定为8％、纳米管质量百分比为8％、超高分子量聚乙烯质量百分比为84％；在步骤(3)中将激光功率设定为60W，其他与实施例1相同。实施例3本实施方式与实施例2不同的是在步骤(3)中将基板预热温度控制在70℃；在步骤(3)中将激光扫描间距设定为60μm，其他与实施例2相同。实施例4本实施方式与实施例3不同的是在步骤(1)中称量时，将石墨烯质量百分比设定为1％、纳米管质量百分比为1％、超高分子量聚乙烯质量百分比为98％；在步骤(3)中将激光扫描速度设定为1600mm/s；在步骤(3)中将激光功率设定为100W，其他与实施例3相同。实施例5本实施方式与实施例4不同的是在步骤(3)中将基板预热温度设定为100℃，其他与实施例4相同。对比实施例采用传统热压法制备的超高分子量聚乙烯人工关节臼在人体内的磨损率约为9.8±0.7mg/m3，磨损较高，易引起植入体周围组织感染，严重降低其在人体中的服役寿命。本发明的方法是基于石墨烯、碳纳米管优异的自润滑及导热性能，创新地运用先进的激光选区烧结技术，成形低磨的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼，并对其在人体模拟体液环境下进行耐磨性能测定，旨在对比其耐磨特性，以证明本发明的技术优势。从图1、3、5和7可明显发现，石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境下的摩擦系数均较小，且摩擦系数的波动不大，进一步说明其工作的平稳性；从图2、4、6和8可以看出，石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境中的腐蚀与磨损的交互作用下，摩擦后的表无明显磨痕及粘附等磨损特征，仍保持着较为完整的原始表面，以其说明具有良好的抗磨损特性。此外，对不同工艺参数成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼在人体模拟体液环境下的耐磨性能进行测定与评价，如表1，磨损率远低于传统热压法制备的超高分子量聚乙烯关节臼，以说明基于本发明成形的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼具有较高的耐磨性能，能满足高性能人工髋关节臼在人体内的服役要求。表1本发明中石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼的耐磨性能实施例摩擦系数磨损率(mg/m3)实施例10.09±0.010.58±0.01实施例20.05±0.010.21±0.01实施例30.11±0.011.23±0.01实施例40.18±0.011.81±0.01实施例50.14±0.011.55±0.01对比例9.8±0.7在合适的工艺参数条件下，可获得耐磨性高的石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼，有效避免因磨损的UHMWPE颗粒引起组织感染，同时可延长其人体内的服役寿命。本发明基于石墨烯及碳纳米管优异的性能，运用先进的激光选区烧结技术成形石墨烯/碳纳米管/UHMWPE复合材料人工髋关节臼，具有良好的耐磨性；同时成形工艺简单、成本低廉，为高性能人工髋关节臼的量产提供技术保障。上述描述仅为本发明的实施例而已，便于该
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的技术研发人员的理解和使用发明。因此，本发明并不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做的改进、修改和等同代替都应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3