專利名稱：基于納米羥基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光燒結(jié)機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造可吸收人工骨的設(shè)備，特別是涉及一種制備 降解可控、孔隙可調(diào)人工骨的利用激光選擇性燒結(jié)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年對人工骨的需求持續(xù)增長，美國每年骨移植超過IOO萬例， 我國現(xiàn)肢體功能受限者超過1500萬，由于缺乏理想的移植骨，已有 300萬人截肢，且每年骨損傷近300萬，僅因骨腫瘤需要進行移植的 病例就有25萬。羥基磷灰石因生物性能優(yōu)異而成為最有前途的骨材 料，但待解決難題是脆性大、韌性低，利用納米技術(shù)提高力學性能制 備人工骨是當今生物工程學前沿。
現(xiàn)在人們對人工骨的要求如下(l)良好的生物相容性。不僅要 有利于細胞的黏附、增殖，同時材料本身對機體無毒、不引起炎癥等； (2)可降解且速度可調(diào)。骨材料逐漸被人體再生骨組織所替代，且降 解率必須與骨生長率一致；(3)具有三維多孔結(jié)構(gòu)且可控。 一般認為 孔徑在IOO陶以上才合適，但也有認為200陶以上有較優(yōu)的效能，更 有學者認為限制骨順利生長的瓶頸不是孔徑大小而是孔間連通程度；
(4)良好的力學性能。材料做成多孔狀后其強度必然下降，因此要在 孔隙和強度之間取得一個最佳平衡點?，F(xiàn)有人工骨不能滿足這些生物 學性能與力學性能的要求。
利用納米互聯(lián)技術(shù)，能克服傳統(tǒng)的羥基磷灰石存在脆性大、強度 小等問題，因為利用納米技術(shù)制成的羥基磷灰石，由于納米晶粒尺寸 很小，材料中的內(nèi)在氣孔和缺陷尺寸減少，材料不易造成穿晶斷裂， 有利于提高材料的韌性和強度；并隨著晶粒尺寸變小同時又使晶界數(shù) 量大大增加，提供了足夠的晶界滑移機會，導致形變增加，有助于晶 粒間的移動，使材料塑性增強，脆性減小;且由于納米分散相有大的 表面積和強的界面相互作用，顆粒越小，材料的扭轉(zhuǎn)模量、拉伸模量 和拉伸強度就越高，疲勞抗力也相應(yīng)提高。納米人工骨除能改善力學 特性外，與現(xiàn)有人工骨材料相比最大的優(yōu)點是可通過控制晶粒的大 小實現(xiàn)人體內(nèi)降解速度與自體骨生長速度一致。這對提高移植骨的愈 合率、減少并發(fā)癥極為重要。
因此，開發(fā)一套基于納料羥基磷灰石用于制造降速可調(diào)、孔徑可 控人工骨的激光選擇性燒結(jié)機具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于納米羥基磷灰石用 于制造降速可調(diào)、孔徑可控人工骨的基于納米羥基磷灰石用于制造可 吸收人工骨的激光燒結(jié)機。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于納米羥基磷灰石用于
制造可吸收人工骨的激光燒結(jié)機，在機座上設(shè)有X、 Y運動機構(gòu)，在 所述的X、 Y運動機構(gòu)上設(shè)有燒結(jié)支板，在所述的燒結(jié)支板上設(shè)有原 料箱上下運動機械及與之連接的原料箱和燒結(jié)臺上下運動機械及與 之連接的燒結(jié)臺，在所述的燒結(jié)支板上設(shè)有進料左右運動機構(gòu)，在所 述的進料左右運動機構(gòu)上裝有與所述的原料箱對應(yīng)的進料桿，在所述 的機座上設(shè)有支架，在所述的支架上設(shè)有一個與所述的燒結(jié)臺對應(yīng)的 激光與激光聚焦系統(tǒng)，所述的激光與激光聚焦系統(tǒng)是在安裝機械和固 定機械上設(shè)有激光器和光路平行器，凸透鏡通過一個上下微調(diào)臺連接 在所述的安裝機械和固定機械上。
所有的二維運動采用滾珠絲杠機密運動機械，通過飼服電機驅(qū) 動，其移動分辨率為lum，運動速度為0 100mm/s，通過計算機調(diào) 節(jié)其運動速度，滿足激光燒結(jié)時間與燒結(jié)軌跡的控制。
所述的燒結(jié)臺上下運動機械上設(shè)有與所述的燒結(jié)臺對應(yīng)的廢料箱。
采用上述技術(shù)方案的基于納米羥基磷灰石用于制造可吸收人工 骨的激光燒結(jié)機，將納米羥基磷灰石粉末(10-100nm)置放在移動平 臺上，利用凸透鏡等聚焦系統(tǒng)把激光能量聚集到50-100 u m的光斑上， 按截面輪廓要求和一定燒結(jié)距離間隔(150-500 um)移動運動平臺， 對部分粉末進行掃描，使粉末的表面離子因溫度升高處于高能態(tài)而相 互粘結(jié)，在非燒結(jié)區(qū)的粉末仍呈松散狀，燒結(jié)完后，形成一層帶50-100 u m孔壁和100-400 u m孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的截面，工作臺下降一個層的 高度，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)，如此循環(huán)，最終形成三維多孔人 工骨。
本發(fā)明設(shè)計了一種集進料與燒結(jié)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，即原料箱向上運 動，進料運動機構(gòu)帶動進料桿把原料送到燒結(jié)臺后，運動臺運動按一 定的方式通過計算機控制實現(xiàn)二維運動，激光通過聚焦系統(tǒng)燒結(jié)在燒 結(jié)臺上的納米羥基磷灰石，通過控制光斑的大小和燒結(jié)距離間隔獲得 人工骨大小不同的孔隙與孔壁，滿足不同人工骨制造的要求。
本發(fā)明設(shè)計了一種激光聚焦系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，通過此聚焦系統(tǒng)， 可使從激光器出來的光斑為3mm平行光的平行光聚焦成最小為49um 的光斑，得到不同大小的光斑，可以滿足不同實驗或生產(chǎn)條件下所需 要的溫度場，能實現(xiàn)熔融納米羥基磷灰石的要求，與運動平臺的速度在形成三維網(wǎng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)的人工骨，從
而實現(xiàn)制作各種人工骨的目的。
發(fā)明的優(yōu)點及積極效果
①本發(fā)明是集成了精密機械、醫(yī)學、生物學、納米科學、光學、 電子學、計算機等多項技術(shù)及制作、檢測、控制等多項功能于一體的
人工骨制造裝置；
② 可以制作各種孔徑與孔壁的人工骨；
③ 可以方便和精確實現(xiàn)激光光斑大小的控制；
④ 通過對納米顆粒大小的控制實現(xiàn)對降解速度的控制；
⑤ 生產(chǎn)出的人工骨具有復雜三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。


圖1是用于可吸收人工骨制造的激光選擇性燒結(jié)機結(jié)構(gòu)； 圖2是二維運動平臺結(jié)構(gòu)； 圖3是激光與激光聚焦系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明。 參見圖1、圖2和圖3，在機座17上設(shè)有X、 Y運動機構(gòu)1，在X、 Y運動機構(gòu)1上設(shè)有燒結(jié)支板18，在燒結(jié)支板18上設(shè)有原料箱上下 運動機械3及與之連接的原料箱6和燒結(jié)臺上下運動機械4及與之連 接的燒結(jié)臺7，燒結(jié)臺上下運動機械4上設(shè)有與燒結(jié)臺7對應(yīng)的廢料 箱8，在燒結(jié)支板18上設(shè)有進料左右運動機構(gòu)2,在進料左右運動機 構(gòu)2上裝有與原料箱6對應(yīng)的進料桿5，在機座17上設(shè)有支架15， 在支架15上設(shè)有一個與燒結(jié)臺7對應(yīng)的激光與激光聚焦系統(tǒng)16，激 光與激光聚焦系統(tǒng)是在安裝機械IO和固定機械12上設(shè)有激光器9和 光路平行器11，凸透鏡14通過一個上下微調(diào)臺13連接在安裝機械 10和固定機械12上。所有的二維運動采用滾珠絲杠機密運動機械， 通過詞服電機驅(qū)動，其移動分辨率為lPm，運動速度為0 100mm/s， 通過計算機調(diào)節(jié)其運動速度，滿足激光燒結(jié)時間與燒結(jié)軌跡的控制。 X、 Y運動機構(gòu)1采用滾珠絲杠機密運動機械，通過飼服電機驅(qū) 動，其移動分辨率為lym，運動速度為0 100mm/s，通過計算機調(diào) 節(jié)其運動速度，滿足激光燒結(jié)時間與燒結(jié)軌跡的控制。
進料左右運動機構(gòu)2上裝有進料桿5，通過左右運動實現(xiàn)納米羥 基磷灰石由原料箱6到燒結(jié)臺7的進料，滿足進料的需求。
原料箱上下運動機械3上裝有原料箱6，帶動原料箱6上下運動，
每燒完一個截面后向上運動一個截面的高度。
燒結(jié)臺上下運動機械4上裝有燒結(jié)臺7，帶動燒結(jié)臺7上下運動，
每燒完一個截面后向下運動一個截面高度。本發(fā)明設(shè)計了一種激光與激光聚焦系統(tǒng)16的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式，從 激光器9出來的光大約為3mm，通過光路平行器11平行校準后，經(jīng)過 安裝機械10和固定機械12連接固定后，連接一個上下微調(diào)臺13實 現(xiàn)上下運動的微調(diào)，后通過凸透鏡14聚焦成最小為50um的光斑。
本發(fā)明采用激光加熱的方式使納米羥基石表面離子處于高能級 狀態(tài)而產(chǎn)生納米互聯(lián)，利用激光聚焦系統(tǒng)使激光聚焦成微米大小的光 斑進行選擇性燒結(jié)，形成微米大小的孔與孔壁，最終形成具有復雜三 維形狀的可吸收人工骨。強激光微米大小光斑的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，通過控制 凸透鏡焦點與加熱原料的距離，可實現(xiàn)各種^50um的光斑，可以滿足 不同實驗或生產(chǎn)條件下所需要求，得到不同的孔隙和孔壁，與人工骨 的制造工藝很好地相匹配。運動臺以一定的方式做二維運動，最終形 成具有復雜形狀帶微孔結(jié)構(gòu)的三維人工骨。集進料與燒結(jié)的結(jié)構(gòu)實 現(xiàn)，即原料箱向上運動，進料運動機構(gòu)帶動進料桿把原料送到燒結(jié)臺 后，運動臺按一定的方式通過計算機控制實現(xiàn)二維運動，激光通過聚 焦系統(tǒng)燒結(jié)在燒結(jié)臺上的納米羥基磷灰石，通過控制光斑的大小和燒 結(jié)距離間隔獲得人工骨大小不同的孔隙與孔壁，滿足不同人工骨制造 的要求。聚焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式(9、 10、 11、 12、 13)，這種結(jié)構(gòu)形式 具有安裝方便、光斑穩(wěn)定、上下可調(diào)的特點。集進料與燒結(jié)的結(jié)構(gòu)實 現(xiàn)(1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8)，即原料箱向上運動，進料運動機構(gòu) 帶動進料桿左右運動，燒結(jié)臺上下運動，運動臺的二維運動采用滾珠 絲杠機密運動機械，通過飼服電機驅(qū)動，其移動分辨率為lPm，運動 速度為0 100mm/s，通過計算機調(diào)節(jié)其運動速度，滿足激光燒結(jié)時間 與燒結(jié)軌跡的控制。裝有本發(fā)明設(shè)計的運動軟件，通過該軟件實現(xiàn)對 整個激光燒結(jié)機生產(chǎn)過程的監(jiān)測與控制。激光源(9)為人工骨在制 造過程中提供穩(wěn)定的輸入能源，計算機通過控制運動軌跡與燒結(jié)距離 獲得各種結(jié)構(gòu)與形狀的人工骨。
權(quán)利要求
1、一種基于納米羥基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光燒結(jié)機，其特征是在機座(17)上設(shè)有X、Y運動機構(gòu)(1)，在所述的X、Y運動機構(gòu)(1)上設(shè)有燒結(jié)支板(18)，在所述的燒結(jié)支板(18)上設(shè)有原料箱上下運動機械(3)及與之連接的原料箱(6)和燒結(jié)臺上下運動機械(4)及與之連接的燒結(jié)臺(7)，在所述的燒結(jié)支板(18)上設(shè)有進料左右運動機構(gòu)(2)，在所述的進料左右運動機構(gòu)(2)上裝有與所述的原料箱(6)對應(yīng)的進料桿(5)，在所述的機座(17)上設(shè)有支架(15)，在所述的支架(15)上設(shè)有一個與所述的燒結(jié)臺(7)對應(yīng)的激光與激光聚焦系統(tǒng)(16)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米羥基磷灰石用于制造可吸收 人工骨的激光燒結(jié)機，其特征是所述的激光與激光聚焦系統(tǒng)是在安 裝機械(10)和固定機械(12)上設(shè)有激光器(9)和光路平行器(11)， 凸透鏡(14)通過一個上下微調(diào)臺(13)連接在所述的安裝機械(10) 和固定機械(12)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于納米羥基磷灰石用于制造可 吸收人工骨的激光燒結(jié)機，其特征是所有的二維運動采用滾珠絲杠 機密運動機械，通過詞服電機驅(qū)動，其移動分辨率為lum，運動速度 為0 100mm/s,通過計算機調(diào)節(jié)其運動速度，滿足激光燒結(jié)時間與燒 結(jié)軌跡的控制。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于納米羥基磷灰石用于制造可 吸收人工骨的激光燒結(jié)機，其特征是所述的燒結(jié)臺上下運動機械(4) 上設(shè)有與所述的燒結(jié)臺(7)對應(yīng)的廢料箱(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于納米羥基磷灰石用于制造可吸收人工骨的激光燒結(jié)機，在機座(17)上設(shè)有X、Y運動機構(gòu)(1)，在X、Y運動機構(gòu)(1)上設(shè)有燒結(jié)支板(18)，在燒結(jié)支板(18)上設(shè)有原料箱上下運動機械(3)及與原料箱(6)和燒結(jié)臺上下運動機械(4)及燒結(jié)臺(7)，在燒結(jié)支板(18)上設(shè)有進料左右運動機構(gòu)(2)及進料桿(5)，在機座(17)上的支架(15)上設(shè)有一個與燒結(jié)臺(7)對應(yīng)的激光與激光聚焦系統(tǒng)(16)。將納米羥基磷灰石粉末(10-100nm)置放在燒結(jié)臺(7)上，利用凸透鏡等聚焦系統(tǒng)把激光能量聚集成50-100μm光斑，按截面輪廓要求和一定燒結(jié)距離間隔(150-500μm)移動運動平臺，對部分粉末進行激光掃描，最終形成三維多孔人工骨。
文檔編號B23K26/00GK101530950SQ200910043210
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者帥詞俊, 彭淑平 申請人:中南大學