CN109758245A - 一种钽铌合金牙种植体材料及钽铌合金牙种植体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钽铌合金牙种植体及其钽铌合金牙种植体材料。其中，所述钽铌合金牙种植体材料中包括Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2混合的钽粉末和铌粉末，且余量元素的重量比小于1.5％；所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为10μm－60μm。所述钽铌合金牙种植体采用所述钽铌合金牙种植体材料经由激光分层叠加选区熔融成型工艺制备。
Description
技术领域
本发明涉及医用生物材料技术领域，尤其涉及一种钽铌合金牙种植体材料及钽铌合金牙种植体。
背景技术
近年来，随着种植牙技术的发展，种植牙成为牙列缺失和缺损的主要修复方法之一，牙种植体通常被锚固在病人牙槽骨上预先开设的孔洞中，然后通过配戴相对应的牙冠，完成种植牙的修复。种植牙有如正常生理牙的外观与功能，深受患者与牙科医师的欢迎。
随着社会经济的发展，人们生活水平的提升，对医疗保健的要求也越来越高。为满足人们对保健需求的愿望，世界各国就生物医用材料研发进行了大量工作，生物医用材料经历了一个复杂的发展过程。传统的金属医用材料主要有不锈钢、钴基合金材料(CoCrMo合金、CoCrNiMo合金)和钛合金材料。
其中，不锈钢中通常需要添加的元素有如Cr、V等，存在一定的金属毒性；另外，不锈钢材料的组织相容性差，也不利于与软组织粘附、生长。
钴基合金材料(CoCrMo合金、CoCrNiMo合金)在过去相当长的时间内是一种临床应用较广泛的金属医用材料，具有较高的抗疲劳强度和抗拉强度，以及较好的抗蚀性能，主要用于替换假体连接件，如膝关节和髖关节替换假体等。但是钴基合金材料却存在弹性模量过高、低的摩擦特性，同时Co、Cr等金属也有潜在的金属毒性问题，因此不适合于制作成具有引导骨组织生长要求的牙科种植体材料。
钛合金材料，具有良好的抗蚀性能和生物相容性，而且有较大的密度及弹性模量，被广泛应用于制造植入性医用金属材料，如钛板、钛钉、钛网和钛合金牙种植体等。目前，国内外市场使用的牙科种植体,几乎都是以钛合金为原材料，但仍具有一些缺陷与不足，主要体现在：一是钛合金制备牙种植体国内无自主知识产权；二是价格高昂；三是钛及其合金仍然存在组织相容性问题，易导致植体接触的牙槽骨和牙龈的免疫排斥、无菌性炎症等，最终不得不将种植体取出；四是牙种植体材料品种单一，患者无选择余地。
因此，基于目前牙种植体材料的现状，本发明有必要提供一种基于钽铌合金的新型牙种植体材料以及新型牙种植体，以解决上述的技术缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于钽铌合金的新型牙种植体材料以及新型牙种植体，旨在解决现有牙种植体材料生物相容性、抗腐蚀性、弹性模量无法同时满足和种植体材料单一、价格居高不下等问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种钽铌合金牙种植体材料，包括Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2混合的钽粉末和铌粉末；所述钽铌合金牙种植体材料中余量元素的重量比小于1.5％；所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为10μm－60μm。
进一步地，所述钽铌合金牙种植体材料中Ta:Nb＝6:4。
进一步地，所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为15μm－45μm。
进一步地，所述余量元素中包括C元素、N元素、H元素、O元素、W元素、Ni元素、Ti元素、Si元素、Mo元素、Fe元素中的一种或者多种。
进一步地，所述C元素的含量在20～80ppm，N元素的含量小于8ppm，H元素的含量小于5ppm，O元素的含量在70～200ppm，W元素的含量在200～500ppm，Mo元素和Fe元素的含量均小于10ppm，Ni元素、Ti元素和Si元素的含量均小于2ppm。
本发明还提供一种钽铌合金牙种植体，其特征在于，所述钽铌合金牙种植体采用如上任一项所述的钽铌合金牙种植体材料经由激光分层叠加选区熔融成型工艺制备。
进一步地，所述钽铌合金牙种植体的工件致密度大于98％。
本发明的创新点和有益效果主要包括：
1、利用钽金属较好的生物组织相容性，生物体内耐腐蚀性强的特点，钽铌合金牙种植体以及钽铌合金牙种植体材料具有较好的生物相容性和抗腐蚀性；
2、通过添加铌金属元素的添加，促进了钽合金的高温熔融过程；
3、基于激光分层叠加选区熔融成型工艺，利用国产3D打印设备加工，有利于促进民族工业的发展和提高我国自主研发能力；
4、为牙科种植市场单一的材料品种提供选择余地，克服国外产品对我国市场垄断，降低牙种植体价格，减少对国外进口的依赖；
5、与传统加工方法的比较，利用3D打印技术和钽铌合金牙种植体材料制造的牙种植体，可以一次性解决种植体形态大小数据采集，适时3D打印制作，精准匹配，满足患者个性化订制需求、节约患者就诊时间，节约材料，减少环境污染的优点。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种用于3D打印牙种植体的钽铌合金牙种植体材料，所述钽铌合金牙种植体材料中包括Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2混合的钽粉末和铌粉末，以及重量比小于1.5％的余量元素；所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为10μm－60μm。
具体的，所述钽铌合金牙种植体材料可以为通过将粉末粒径为10μm－60μm的钽粉末和粉末粒径为10μm－60μm的铌粉末按照Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2的比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成的打印基材粉末。其中，所述钽粉末和铌粉末均包含有部分的所述余量元素，最终所述钽铌合金牙种植体材料中包括的余量元素的重量比小于1.5％。
可选地，所述钽铌合金牙种植体材料中Ta:Nb＝6:4。
可选地，所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为15μm－45μm。
可选地，所述余量元素中包括C元素、N元素、H元素、O元素、W元素、Ni元素、Ti元素、Si元素、Mo元素、Fe元素中的一种或者多种。
可选地，所述C元素的含量在20～80ppm，N元素的含量小于8ppm，H元素的含量小于5ppm，O元素的含量在70～200ppm，W元素的含量在200～500ppm，Mo元素和Fe元素的含量均小于10ppm，Ni元素、Ti元素和Si元素的含量均小于2ppm。
本发明的创新背景为：
钽是过渡族元素，各种文献均已证实钽具有良好的生物相容性以及在人体体液环境下有良好的抗腐蚀性。早在十九世纪中叶，生物医学领域开始使用这种金属，作为制备起搏器电极、神经修复的薄膜、颅骨造型板等材料。纯钽密度大(16.6g/cm3)，设计成具有生物组织粘附的医用材料是进一步利用金属钽的一个重要途径。因此，钽在支撑组织的修复、整形等方面具有更大的优势。Bermuderz等研究表明在强酸性环境中钽还具有非常好的抗腐蚀性能，与Ti和不锈钢植入材料相比，没有明显的重量上或韧性上的改变。金属钽生物材料在植入活体组织后由于良好的耐久性和抗蚀性能，且不产生组织应力屏蔽而能够为组织生长提供有效的支架模板，是一种具有良好生物相容性的永久性植入医用材料。
国内对金属钽在生物医用材料方面的应用及其生物学性能研究相对较少，其应用滞后于美、欧等西方发达国家。在同类产品性能方面，仍存在较大的差距，尽管过去20年国内许多大学和研究机构就生物材料开展了多方面的研究，从材料制备技术方面综合分析，材料或产品均以跟踪研究为主，新材料研究仍然不足。加上纯钽的熔点高，高温条件下易氧化与氢气反应等特点，通过普通方法制备钽十分困难。鉴于以上原因，国内关于钽材料制备医用材料的报道非常有限。
另一方面，生物材料研究涉及多学科知识领域，需要学科间的交叉和融合。同时，由于生物材料从研发到临床应用周期时间长，须在多层次上报审获批，才能最后成为临床用产品，无形中引导企业和科研人员选择经美国食品药品管理局批准的材料或元素作为研究对象，以求加快完成研发过程。然而，严峻的现实是因知识产权问题突出，我国必须研究和发展具有自主知识产权的生物材料产品，由于美国专利产品金属钽多孔材料进入中国医疗市场，自2008年开始，有关于钽金属生物材料的综述性论文报道逐渐增多，却因知识产权的限制，加上金属钽制备难度大，鲜见有具有特色或具有自主知识产权的研究进展或研究成果报道。
本发明提供的钽铌合金牙种植体采用如上所述的钽铌合金牙种植体材料经由激光分层叠加选区熔融成型工艺制备。
进一步地，所述钽铌合金牙种植体的工件致密度大于98％。
具体的，通过激光分层叠加选区熔融成型工艺制备所述钽铌合金牙种植体的方法，具体包括步骤：
步骤一：将直径为10-60μm的钽粉末和直径为10-60μm的铌粉末按照Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2的比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末；
步骤二：根据预先采集的口腔牙缺损信息数据重建牙种植体模型；
步骤三：根据计算机重建的所述牙种植体模型，进行切片并逐层分析获得切片分层截面轮廓数据，并生成每一层打印层的激光扫描熔融路径；
步骤四：在升降工作台上通过逐层平压所述打印基材粉末形成相应的所述打印层，并在每次平压所述打印基材粉末后，根据相应的所述激光扫描熔融路径对该打印层进行数控激光选择性扫描，以使被激光照射的所述打印基材粉末熔化并与前一层已成型的牙种植体轮廓融合，在扫描完成后将所述升降工作台下降一个层厚，并平压下一层的所述打印层；
步骤五：在所述牙种植体模型的所有分层截面均成型完成后，对从所述升降功能工作台上取出的工件上多余的所述打印基材粉末去除，得到所述钽铌合金牙种植体。
具体的，在步骤一中所述打印基材粉末即为上述的所述钽铌合金牙种植体材料。
进一步地，在所述步骤三中，激光扫描熔融路径包括填充路径和轮廓路径。具体的，在一较佳的实施例中，针对所述打印层上的填充路径和轮廓路径采用不同的激光照射功率和扫描速度。
可选地，在一实施方式中，所述填充路径的填充功率为275W，填充速度为100mm/s，在生成所述填充路径时，所述填充线间距为0.20mm；所述轮廓路径的轮廓功率为130W，轮廓速度为800mm/s。可以理解的是，在其他实施方式中，所述填充功率，填充速度，填充线间距，轮廓功率为130W，轮廓速度的设置值还可以根据工件的大小和设备的性能进行匹配的设置。
优选地，所述方法在步骤五之后还包括步骤：对所述钽铌合金牙种植体进行表面喷砂处理。
本发明的创新点和有益效果主要包括：
1、利用钽金属较好的生物组织相容性，生物体内耐腐蚀性强的特点，钽铌合金牙种植体以及钽铌合金牙种植体材料具有较好的生物相容性和抗腐蚀性；
2、通过添加铌金属元素，促进了钽合金的高温的熔融过程；
3、为牙科种植市场单一的材料品种提供选择余地，克服国外产品对我国市场垄断，降低牙种植体价格，减少对国外进口的依赖；
请参考表一，为本发明各个实施例中的钽铌合金牙种植体材料的钽粉末和铌粉末的参数和配比，然后将制备得到的钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末经由激光分层叠加选区熔融成型工艺制备成功最终的牙种植体。
实施例一：
步骤一：将直径为15-45μm的钽粉末和直径为15-45μm的铌粉末按照Ta:Nb＝600g:400g比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末；
步骤二：根据预先采集的口腔牙缺损信息数据重建牙种植体模型；
步骤三：根据计算机重建的所述牙种植体模型，进行切片并逐层分析获得切片分层截面轮廓数据，并生成每一层打印层的激光扫描熔融路径；
步骤四：在升降工作台上通过逐层平压所述打印基材粉末形成相应的所述打印层，并在每次平压所述打印基材粉末后，根据相应的所述激光扫描熔融路径对该打印层进行数控激光选择性扫描，以使被激光照射的所述打印基材粉末熔化并与前一层已成型的牙种植体轮廓融合，在扫描完成后将所述升降工作台下降一个层厚，并平压下一层的所述打印层；
步骤五：在所述牙种植体模型的所有分层截面均成型完成后，对从所述升降功能工作台上取出的工件上多余的所述打印基材粉末去除，并进行表面喷砂处理后，得到所述钽铌合金牙种植体。
打印成型后的牙种植体额打工隔间致密度为98.18％，对打印成型后的牙种植体进行化学成分检测，得到成分报告：
实施例二：
步骤一：将直径为15-45μm的钽粉末和直径为15-45μm的铌粉末按照Ta:Nb＝620g:400g比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末；
步骤二：根据预先采集的口腔牙缺损信息数据重建牙种植体模型；
步骤三：根据计算机重建的所述牙种植体模型，进行断层分析获得断层截面轮廓数据，并生成每一层打印层的激光扫描熔融路径；
步骤四：在升降工作台上通过逐层平压所述打印基材粉末形成相应的所述打印层，并在每次平压所述打印基材粉末后，根据相应的所述激光扫描熔融路径对该打印层进行数控激光选择性扫描，以使被激光照射的所述打印基材粉末熔化并与前一层已成型的牙种植体轮廓融合，在扫描完成后将所述升降工作台下降一个层厚，并平压下一层的所述打印层；
步骤五：在所述牙种植体模型的所有分层截面均成型完成后，对从所述升降功能工作台上取出的工件上多余的所述打印基材粉末去除，并进行表面喷砂处理后，得到所述钽铌合金牙种植体。
打印成型后的牙种植体额打工隔间致密度为98.43％，对打印成型后的牙种植体进行化学成分检测，得到成分报告：
实施例三：
步骤一：将直径为15-45μm的钽粉末和直径为15-45μm的铌粉末按照Ta:Nb＝580g:400g比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末；
步骤二：根据预先采集的口腔牙缺损信息数据重建牙种植体模型；
步骤三：根据计算机重建的所述牙种植体模型，进行切片并逐层分析获得切片分层截面轮廓数据，并生成每一层打印层的激光扫描熔融路径；
步骤四：在升降工作台上通过逐层平压所述打印基材粉末形成相应的所述打印层，并在每次平压所述打印基材粉末后，根据相应的所述激光扫描熔融路径对该打印层进行数控激光选择性扫描，以使被激光照射的所述打印基材粉末熔化并与前一层已成型的牙种植体轮廓融合，在扫描完成后将所述升降工作台下降一个层厚，并平压下一层的所述打印层；
步骤五：在所述牙种植体模型的所有分层截面均成型完成后，对从所述升降功能工作台上取出的工件上多余的所述打印基材粉末去除，并进行表面喷砂处理后，得到所述钽铌合金牙种植体。
打印成型后的牙种植体额打工隔间致密度为98.06％，对打印成型后的牙种植体进行化学成分检测，得到成分报告：
实施例四：
步骤一：将直径为10-60μm的钽粉末和直径为10-60μm的铌粉末按照Ta:Nb＝600g:400g比例一同加入混料机中，进行充分的混合后，形成钽铌合金牙种植体材料打印基材粉末；
步骤二：根据预先采集的口腔牙缺损信息数据重建牙种植体模型；
步骤三：根据计算机重建的所述牙种植体模型，进行断层并逐层分析获得分层截面轮廓数据，并生成每一层打印层的激光扫描熔融路径；
步骤四：在升降工作台上通过逐层平压所述打印基材粉末形成相应的所述打印层，并在每次平压所述打印基材粉末后，根据相应的所述激光扫描熔融路径对该打印层进行数控激光选择性扫描，以使被激光照射的所述打印基材粉末熔化并与前一层已成型的牙种植体轮廓融合，在扫描完成后将所述升降工作台下降一个层厚，并平压下一层的所述打印层；
步骤五：在所述牙种植体模型的所有分层截面均成型完成后，对从所述升降功能工作台上取出的工件上多余的所述打印基材粉末去除，并进行表面喷砂处理后，得到所述钽铌合金牙种植体。
打印成型后的牙种植体额打工隔间致密度为98.14％，对打印成型后的牙种植体进行化学成分检测，得到成分报告：
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第X实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料、方法步骤或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种钽铌合金牙种植体材料，其特征在于，包括Ta:Nb＝5.8～6.2:3.8～4.2混合的钽粉末和铌粉末；所述钽铌合金牙种植体材料中余量元素的重量比小于1.5％；所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为10μm－60μm。
2.如权利要求1所述的钽铌合金牙种植体材料，其特征在于，所述钽铌合金牙种植体材料中Ta:Nb＝6:4。
3.如权利要求1所述的钽铌合金牙种植体材料，其特征在于，所述钽粉末和铌粉末的粉末粒径为15μm－45μm。
4.如权利要求1所述的钽铌合金牙种植体材料，其特征在于，所述余量元素中包括C元素、N元素、H元素、O元素、W元素、Ni元素、Ti元素、Si元素、Mo元素、Fe元素中的一种或者多种。
5.如权利要求4所述的钽铌合金牙种植体材料，其特征在于，所述C元素的含量在20～80ppm，N元素的含量小于8ppm，H元素的含量小于5ppm，O元素的含量在70～200ppm，W元素的含量在200～500ppm，Mo元素和Fe元素的含量均小于10ppm，Ni元素、Ti元素和Si元素的含量均小于2ppm。
6.一种钽铌合金牙种植体，其特征在于，所述钽铌合金牙种植体采用如权利要求1-5中任一项所述的钽铌合金牙种植体材料经由激光分层叠加选区熔融成型工艺制备。
7.如权利要求6所述的钽铌合金牙种植体，其特征在于，所述钽铌合金牙种植体的工件致密度大于98％。
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