1.本发明属于材料领域，具体涉及钽金属牙种植体及其制备方法。
背景技术：2.口腔问题一直是影响人类身体健康和生活质量的一大难题，随着口腔医学等科学领域的不断发展，种植牙也随之面世。比起传统假牙，种植牙能很好保护牙齿原有功能，不用对其他健康牙齿造成伤害，与颌骨连接紧密，不易松动或脱落，有利于保持口腔卫生，且手术过程创伤少、耗费时间少，对人体基本不会产生任何副作用。目前的种植牙一般都为钛及钛合金制备而成的牙钉，但是钛及钛合金和人骨各方面差异较大，不能快速和人骨长合到一起，导致种植周期长，容易产生松动。而钽的生物相容性好，和人骨的力学性能较为相似，在种植后不仅能快速与人骨长合，还能防止细菌滋生，保证种植体在人体内的长期有效性。
技术实现要素：3.发明人发现，现有的钛及钛合金种植体的主要问题是与骨长合速度慢，不能很好诱导骨组织的生长，种植周期长，手术难度较大，且在较长使用时间后可能还出现松动失效的问题，给病人带来较大的麻烦。
4.本发提供了一种能诱导人体骨组织长合、与人骨生物相容性好、与牙槽骨及基台连接稳定、不易产生松动的钽金属牙种植体模型，并将该模型用3d打印工艺和机加工工艺结合的方式成功制备出来。本发明采用3d打印和机加工工艺结合的方式，设计加工出了含有多孔结构、内螺纹与外螺纹种植体，内螺纹可与现有基台完全匹配连接，更容易实现种植，降低手术植入难度，减轻病人负担。
5.在第一方面，本发明提供一种钽金属牙种植体的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)提供球形钽粉末，所述球形钽粉末具有以下特征：
7.粒径下限为15～25μm(例如20～24μm)；
8.粒径上限为50～60μm(例如50～55μm)；
9.50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s(例如5～7s)；
10.粉末球形度≥0.8(例如粉末球形度≥0.9)；
11.粉末空心粉率≤5％；
12.松装密度为9～11g/cm3(例如9～10g/cm3)；
13.(2)采用3d打印工艺将球形钽粉末加工成型，获得牙种植体坯体；
14.(3)对牙种植体坯体进行打印后处理；
15.(4)对上一步产物进行真空热处理；
16.所述真空热处理的温度为1100-1450℃(例如1200-1300℃)，时间为60-150min(例如90-120min)。
17.在一些实施方案中，所述牙种植体具有以下特征：
18.沿所述牙种植体的长度方向，所述牙种植体包括上段、中段和下段；
19.所述上段具有柱状致密基体所述柱状致密基体上设置有外螺纹；
20.所述中段具有柱状多孔基体；
21.所述下端具有柱状致密基体所述柱状致密基体上设置有外螺纹。
22.在一些实施方案中，所述牙种植体还包括从牙种植体的顶部沿牙种植体长度方向延伸的基台安装孔，所述基台安装孔内设置有内螺纹，所述内螺纹用于与基台相接合。
23.在一些实施方案中，所述柱状多孔基体的孔隙率为60～80％。
24.在一些实施方案中，所述下段的端部具有为圆弧形，圆弧半径为3～5mm。
25.在一些实施方案中，牙种植体的制备方法具有以下一项或多项特征：
26.(1)所述上段的长度为0.2h～0.5h，例如0.3h～0.4h；
27.(2)所述中段的长度为0.2h～0.5h，例如0.3h～0.4h；
28.(3)所述下段的长度为0.2h～0.5h，例如0.3h～0.4h；
29.其中，h为所述牙种植体的总长度。
30.在一些实施方案中，所述球形钽粉末具有以下特征：d10＝15μm-25μm(例如20μm)，d50＝25μm-35μm(例如30μm)，d90＝45μm-65μm(例如50-55μm)。
31.在一些实施方案中，d10、d50和d90表示粉末样品的累计粒度分布百分数达到10体积％、50体积％、90体积％时所对应的粒径。
32.在一些实施方案中，真空热处理的温度为1200～1400℃或1250～1300℃。
33.在一些实施方案中，真空热处理的时间为80～120min，例如90～100min。
34.在一些实施方案中，所述3d打印包括对填充部分执行以下扫描参数：
35.扫描激光功率300-320w；
36.扫描速度550-650(mm/s)
37.扫描线间距0.12-0.16mm；
38.条形分区宽度8～12/mm；
39.条形分区扫描间距0.1～0.2mm；
40.条形分区间搭接量0.05～0.1/mm；
41.条带平移宽度6-8mm。
42.在一些实施方案中，所述3d打印包括以下一项或多项参数：
43.(1)轮廓扫描激光功率190-210w，轮廓扫描速度550-650(mm/s)；
44.(2)填充扫描激光功率300-320w，填充扫描速度550-650(mm/s)，填充扫描线间距0.12-0.16mm；
45.(3)上表面扫描激光功率200-300w，上表面扫描速度450-550(mm/s)，上表面扫描线间距0.10-0.14mm；
46.(4)下表面扫描激光功率200-300w，下表面扫描速度450-550(mm/s)，下表面扫描线间距0.10-0.14mm。
47.在一些实施方案中，打印后处理包括以下一项或多项操作：机械加工、表面处理和清洗。
48.在第二方面，本技术提供一种钽金属牙种植体，由上述任一项所述的方法制备而得。
49.在一些实施方案中，牙种植体具有以下一项或多项特征：
50.(1)抗拉强度600～700mpa；
51.(2)屈服强度520～620mpa；
52.(3)延伸率20％～35％；
53.(4)密度16～17g/cm2；
54.(5)硬度hv为220～230。
55.本发明的有益效果：
56.(1)本发提供了一种能诱导人体骨组织长合、与人骨生物相容性好、与牙槽骨及基台连接稳定、不易产生松动的钽金属牙种植体模型，并将该模型用3d打印工艺和机加工工艺结合的方式成功制备出来。本发明采用3d打印和机加工工艺结合的方式，设计加工出了含有多孔结构、内螺纹与外螺纹种植体，内螺纹可与现有基台完全匹配连接，更容易实现种植，降低手术植入难度，减轻病人负担。
57.(2)本技术采用了具有特定物理化学性质的球形钽钽粉作为原料，通过3d打印工艺与机加工工艺相结合的钽种植体加工工艺流程，结合打印后特定的真空热处理技术，制备获得了多孔与实体相结合的牙种植体，该产品具有改善的强度、硬度、密度。
附图说明
58.图1的(a)和(b)是一些实施例的牙种植体的示意图；
59.图2是一些实施例的牙种植体的基台安装孔的示意图；
60.图3是实施例1的球形钽粉末的放大200倍照片；
61.图4是实施例1的球形钽粉末的放大500倍照片；
具体实施方式
62.现在将详细提及本发明的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的工艺操作。
63.当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
64.除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规食品级试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明实施例所用试验条件为本领域常规试验条件。除非特别说明，本发明实施例所用试剂均为市购。
65.实施例1
66.一种钽制品及3d打印制备工艺，流程为：粉末准备
→
模型建立
→
打印
→
后处理
→
热处理。
67.1、粉末准备
68.提供粒度分布范围为22.74μm-50.95μm(d10＝20μm，d50＝30μm，d90＝55μm)的球形钽粉末，其氧含量≤200ppm、球形度≥95％。
69.图3和图4分别示出了球形钽粉末的扫描电子显微镜照片。
70.原料粉末的杂元素化学成分见下表：
71.表1
[0072][0073][0074]
原料粉末的物理性能见下表
[0075]
表2
[0076]
项目实测值粒度分布(μm)22.74μm-50.95μm流动性(s)5.9s球形度0.93空心粉率＜5％松装密度9.8g/cm3[0077]
*粒度分布检测标准参照gb/t 19077-2016粒度分析激光衍射法
[0078]
*流动性检测标准参照gb/t 1482金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)
[0079]
*球形度检测标准参照ys/t 1297-2019钛及钛合金粉末球形率测定方法
[0080]
*空心粉率检测标准参照金相法测试，镶样抛末观察。
[0081]
*送装密度检测标准参照松装密度采用“gb/t 1479.1-2011金属粉末松装密度的测定第1部分:漏斗法”判定。
[0082]
2、模型建立
[0083]
根据目标产品的结构，使用solidworks软件进行三维建模，主要画出整体支柱和内外螺纹结构，使用3-matic软件对多孔结构进行建模处理，随后将两部分模型装配成一个整体，并用magics软件进行修复处理。
[0084]
图1的(a)和(b)分别示出牙种植体的示意图。
[0085]
如图1的(a)和(b)所示，牙种植体沿由上至下的方向(长度方向)，包括上段11、中段12和下段13。此处的“上/顶”和“下/底”分别表示牙种植体在植入状态下远离牙床的一端和靠近牙床的一端”[0086]
上段11具有柱状致密基体，所述柱状致密基体上设置有外螺纹。该外螺纹可以是7.3度锥螺纹，可二次拧紧，保证种植体整体稳定性。
[0087]
中段12具有柱状多孔基体121。柱状多孔基体121一方面可以减轻牙种植体的重量，减少患者使用时的负重感。另一方面，柱状多孔基体121更容易使骨组织与种植体结合，增快骨整合的速度，有效防止种植体周围炎的发生，插图部分示出了多孔结构121的俯视图。
[0088]
下段13具有柱状致密基体，所述柱状致密基体上设置有外螺纹。该外螺纹为双线螺纹，大导程，可以快速旋进，缩短手术时间。下段13具有锥型端部，锥形端部具有三刃自攻双线锥螺纹，基于此结构，种植体在牙床钻孔后可直接拧入，减少了预攻丝工序。牙种植体的底部131为圆弧形状，该圆弧形状的底部结构能够防止在手术拧入种植体的过程中拧穿牙床。
[0089]
图2是一些实施例的牙种植体的基台安装孔的示意图。牙种植体还包括从牙种植体的顶部111沿牙种植体长度方向(由上至下)延伸的基台安装孔14。基台安装孔14用于将基台(图中未示出基台)安装并固定在牙种植体上。基台安装孔的内部具有内螺纹141，内螺纹141能够与基台(图中未示出基台)结合，进一步保证基台在连接时的稳定性，不会产生松动。基台安装孔14中的基台就位处为锥面结构15，该结构可以使基台与种植体配合更紧密。
[0090]
在一个具体实施例中，牙种植体具体尺寸如下：总长14mm；上段11的外螺纹为m5标准外螺纹，螺纹高3.5mm；下段13的外螺纹高1.8mm，锥形端部的螺纹锥度为16
°
，锥形端部部分的外螺纹高约1.8mm，最底部保护圆弧半径3.5mm。中段12的长度为4.5mm，外径为5mm，内径为3.4mm。柱状多孔基体121的孔隙率为70％。多孔结构的杆径为0.4mm。
[0091]
在基台安装孔14中设置有与基台连接的凹槽，凹槽锥度为7.3
°
。直径为3.2mm，深0.5mm。在基台安装孔14中还设置有内六方孔，内六方孔的内接圆为2.6mm，深度2.5mm，其主要用是为牙钉旋进过程中将内六角扳手扭矩传递至牙钉。与基台连接的螺纹为m2内六角标准细牙螺纹，深5mm。
[0092]
3、打印
[0093]
用buildstar软件对设计好的模型进行排版、设置材料包、调整工件参数，多孔结构的扫描参数与致密结构的扫描参数有所不同，多孔结构激光扫描填充、参数对应下表中较小的参数，其余为填充实体部分扫描参数，需将两部分分别进行调整，完成后进行切片处理，即观察理论情况下模型的打印过程，预测打印时间及需要的装粉量，以保证零件顺利打印。
[0094]
打印参数的设置如下表：
[0095]
样品1、3采用表3.1的参数进行打印
[0096]
表3.1(样品1、3)
[0097][0098]
样品2、4采用表3.2的参数进行打印。
[0099]
表3.2(样品2、4)
[0100][0101]
对3d打印参数中的关键性参数说明如下：
[0102]
轮廓参数：激光扫描组成构件表面区域的功率、线条数量，其中包含扫描线条数量(contour std count)为1时，扫描间距为0，扫描线条数量(contour std count)大于1时，间距参数方有效。间距参数在比例参数中设置，轮廓扫描功率(contour std laser power)为激光功率，可分别设置多条不同的轮廓扫描功率和轮廓扫描速度，设置数量取决于扫描线条数量的值。
[0103]
轮廓分区阈值(contour std partition threshold)：区分激光扫描上下表面的临界值，仅对应的contour std partition on/off参数为1时生效。当局部垂悬(overhang)值大于轮廓分区阈值时，该局部的轮廓会被判定为下表面轮廓，轮廓分区阈值由layer thickness和overhang参数共同决定，其值为绝对值。
[0104]
上表面(upskin)、下表面(downskin)参数：根据构件摆放位置，平行于构件成型基板的两个表面，激光扫描1次后该区域不再扫描为上表面，激光扫描次后该区域继续扫描的为下表面，可进行多次扫描以达到构件成型要求。
[0105]
支撑：为了保证构件打印成功，对构件下表面设置的一种结构，辅助下表面扫描成型，分为块状线状、点状、实体、锥形、网状、轮廓、树形等多种结构。
[0106]
填充扫描次数(fill scan count)：激光对构件非轮廓区域进行扫描的次数，相邻两次扫描的方向为相互垂直。
[0107]
填充扫描速度(fill speed)：激光扫描该区域时时的速度。
[0108]
线间距(fill distance)：在同一扫描截面上，相邻两条激光线条之间的距离。
[0109]
填充层间旋转角(fill rotate angle)：激光沿着某一确定的方向扫描完一层后，下一层扫描时会以上一次扫描方向旋转一定的角度进行扫描，两层扫描方向所形成的夹角。
[0110]
条形分区宽度是(stripe width)：激光扫描时每一条激光组合形成一个具有距离的宽度。
[0111]
条形分区扫描间距(stripe fill distance)：固定条带宽度中每一条激光之间的距离。
[0112]
条形分区间搭接量(stripe overlap)：相邻两个条带形成具有一定相交的宽度距离。
[0113]
条带平移宽度(stripe offset)：相邻层之间条带错位平移距离。
[0114]
4、打印后处理
[0115]
打印后处理包括机械加工、表面处理和清洗等步骤，具体如下
[0116]
打印完成后，将基板从打印机中取出，并用线切割将牙种植体坯体从基板上切割下来，线切割主要采用钼丝快走丝切割，加工精度高，切割面粗糙度良好，牙种植体不会产生应力变形。去除在打印过程中添加的支撑，主要为技术人员以锉刀、镊子等工具进行手工去除。
[0117]
使用喷砂机及砂轮机对牙种植体坯体进行喷砂抛光处理，使表面粗糙度达到要求。采用机械加工的方法加工基台安装孔内部内用于后续与基台连接内螺纹、上端的外螺纹和下段的外螺纹。
[0118]
由于多孔结构内部易留残渣残粉，需对牙种植体进行超声波清洗，将种植体放在烧杯中并用无水乙醇完全淹没，置于超声波清洗机中清洗0.5hr。
[0119]
5、热处理
[0120]
采用真空炉对上一步产物进行热处理，真空度为≤7
×
10-3
pa，热处理温度设置为1450℃，保温时间为90min。
[0121]
性能检测：
[0122]
步骤(4)获得的样品为硬态，未经热处理退火，下文用y表示。步骤(5)获得的样品为退火态，下文用m表示。
[0123]
对以上制备的牙种植体样品进行了性能检测，样品1与样品2为退火态用m表示，样品3与样品4为硬态用y表示。
[0124]
抗拉强度、屈服强度、延伸屈的检测执行gb/t 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》结果如表4所示：
[0125]
表4
[0126][0127][0128]
密度检测执行gb/t 3850-2015《致密烧结金属次材料与硬质合金密度测定方法》和硬度检测执行gb/t 230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验》如表5所示：
[0129]
表5
[0130] 密度/(g/cm3)硬度/hv样品116.47230样品216.467231样品316.351220样品416.381229
[0131]
由表4和5可知，本技术采用特定物理化学性质的球形钽钽粉，通过3d打印工艺与机加工工艺相结合的钽种植体加工工艺流程，几何打印后特定的真空热处理技术，制备获得了多孔与实体相结合的牙种植体，该产品具有改善的强度、硬度、密度。
[0132]
原始粉末为不规则形状粉末，未经球化整形，粉末粒度分布广，流动性较差，在3d打印铺粉过程中，容易产生缺陷区域，铺粉不均匀，经过烧结后会形成空洞等严重的缺陷。
[0133]
真空热处理对于改善打印产品的性能是关键的，1450℃真空热处理能够改善牙种植体的力学性能，能够满足人体咬合力。
[0134]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
技术特征：1.一种钽金属牙种植体的制备方法，包括以下步骤：(1)提供球形钽粉末，所述球形钽粉末具有以下特征：粒径下限为15～25μm；粒径上限为50～60μm；50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s；粉末球形度≥0.8；粉末空心粉率≤5％；松装密度为9～11g/cm3；(2)采用3d打印工艺将球形钽粉末加工成型，获得牙种植体坯体；(3)对牙种植体坯体进行打印后处理；(4)对上一步产物进行真空热处理；所述真空热处理的温度为1100-1450℃，时间为60-150min。2.根据权利要求1所述的制备方法，所述牙种植体具有以下特征：沿所述牙种植体的长度方向，所述牙种植体包括上段(11)、中段(12)和下段(13)；所述上段(11)具有柱状致密基体所述柱状致密基体上设置有外螺纹；所述中段(12)具有柱状多孔基体(121)；所述下端(13)具有柱状致密基体所述柱状致密基体上设置有外螺纹。3.根据权利要求4所述的制备方法，所述牙种植体还包括从牙种植体的顶部(111)沿牙种植体长度方向延伸的基台安装孔(14)，所述基台安装孔(14)内设置有内螺纹(141)，所述内螺纹(141)用于与基台接合。4.根据权利要求4所述的制备方法，所述柱状多孔基体121的孔隙率为60～80％。5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述下段(13)的端部具有为圆弧形，圆弧半径为3～5mm。6.根据权利要求2所述的制备方法，其具有以下一项或多项特征：(1)所述上段的长度为0.2h～0.5h；(2)所述中段的长度为0.2h～0.5h；(3)所述下段的长度为0.2h～0.5h；其中，h为所述牙种植体的总长度。7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述3d打印包括对填充部分执行以下扫描参数：扫描激光功率300-320w；扫描速度550-650(mm/s)扫描线间距0.12-0.16mm；条形分区宽度8～12/mm条形分区扫描间距0.1～0.2mm条形分区间搭接量0.05～0.1/mm条带平移宽度6-8mm。8.根据权利要求1所述的制备方法，所述球形钽粉末具有以下特征：d10＝15μm-25μm，d50＝25μm-35μm，d90＝45μm-65μm。
9.一种钽金属牙种植体，由权利要求1～8任一项所述的方法制备而得。10.根据权利要求9所述的牙种植体，其具有以下一项或多项特征：抗拉强度600～700mpa；屈服强度520～620mpa；延伸率20％～35％；密度16～17g/cm2；硬度hv为220～230。
技术总结本发明提供一种钽金属牙种植体的制备方法，包括以下步骤：(1)提供球形钽粉末，所述球形钽粉末具有以下特征：粒径下限为15～25μm；粒径上限为50～60μm；50g粉末通过标准漏斗的时间5～10s；粉末球形度≥0.8；粉末空心粉率≤5％；松装密度为9～11g/cm3；(2)采用3D打印工艺将球形钽粉末加工成型，获得牙种植体坯体；(3)对牙种植体坯体进行打印后处理；(4)对上一步产物进行真空热处理；所述真空热处理的温度为1100-1450℃，时间为60-150min。150min。150min。
技术研发人员：李小平 李兴钰 张亚军 拓万勇 刘磊 马晶
受保护的技术使用者：宁夏东方智造科技有限公司
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
