СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСТЕОИНТЕГРИРУЕМЫХ ИМПЛАНТАТОВ Российский патент 2025 года по МПК B32B15/02 B22F3/105 B22F10/28 A61F2/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии и аддитивному производству, а именно к способам получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов из титановых сплавов и нелегированного титана.

В последние годы в мире интенсивно развивается производство новых материалов медицинского назначения для травматологии и ортопедии. В настоящее время одним из наиболее востребованных медициной металлических материалов является титановый сплав Ti-6Al-4V [Грязнов М.Ю., Шотин С.В., Чувильдеев В.Н., Семенычева А.В., Берендеев Н.Н. Усталостные характеристики титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного с использованием технологии послойного лазерного сплавления. Проблемы прочности и пластичности. 2023. Номер 4, с. 447-461]. Хотя он широко используется, в частности, для производства имплантатов и эндопротезов, хорошо известно, что наличие в сплаве ванадия и алюминия с течением времени может оказывать негативное комплексное воздействие на здоровье пациентов. В этой связи нелегированный титан (типа Grade 1, Grade 2, Grade 4, ВТ1-0, ВТ1-00) мог бы найти самое широкое применение для медицинских приложений благодаря прекрасному сочетанию биосовместимости и коррозионностойкости (см., например, статью М.Ю. Грязнов, С.В. Шотин, В.Н. Чувильдеев, А.Н. Сысоев, Н.В. Мелёхин, А.В. Пискунов, Н.В. Сахаров, А.В. Семенычева, А.А. Мурашов. Улучшение физико-механических характеристик нелегированного титана ВТ1-0 и исследование влияния на них режимов селективного лазерного сплавления // ЖТФ. 2023. Т 93, вып. 2. С. 241-248, DOI: 10.21883/JTF.2023.02.54499.209-22). Нелегированный титан обладает улучшенной биосовместимостью благодаря высокой чистоте по примесям, оказывающим токсичное действие на биологические объекты. Однако главным недостатком при использовании нелегированного титана в качестве материала для эндопротезов и имплантатов являются недостаточно высокие механические свойства, которые накладывают существенные ограничения на его использование. Повышение механических характеристик, в частности, прочности и твердости, является весьма важной задачей для нелегированного титана, поскольку это позволит повысить износостойкость и удельную прочность медицинских изделий. Повышение прочностных характеристик нелегированного титана достигается за счет использования технологии послойного лазерного сплавления (ПЛС), которая позволяет сформировать уникальную мелкозеренную структуру, обеспечивающую высокие прочностные характеристики. Решение задачи одновременного повышения биосовместимости и повышения прочностных характеристик медицинских изделий из титана - связано с созданием уникальных биметаллических материалов и конструкции.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов при сохранении биосовместимости и высоких прочностных характеристик имплантатов.

Техническим результатом является обеспечение биосовместимости имплантата за счет изготовления всей поверхности имплантата из нелегированного (высокочистого) титана с сохранением высоких механических характеристик изделия за счет применения высокопрочного титанового сплава. Кроме того, изготовление биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов проводят в одном технологическом процессе послойного лазерного сплавления, что упрощает технологию изготовления подобного рода медицинских изделий.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов, включающий изготовление с помощью биметаллической 3D-печати центральной внутренней части имплантата из металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана и внешней наружной части имплантата, контактирующей с костными тканями, из металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана в одном технологическом процессе послойного лазерного сплавления, причем обе металлопорошковые композиции характеризуются текучестью не более 25 с, внешняя наружная часть имплантата, изготавливаемая из металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана, имеет толщину от 1 до 1,5 мм, причем процесс получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов реализуется в газообразном аргоне высокой чистоты с использованием волоконного лазера с длиной волны излучения 1064 нм при температуре предварительного подогрева платформы для металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана 150°С и для металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана 180°С.

В частных случаях реализации высокопрочный сплав на основе титана содержит титан - 6 алюминия - 4 ванадия (сплав Ti-6Al-4V) - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5832-3-2020 или титан - 6 алюминия - 7 ниобия (сплав Ti-6Al-7Nb) - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5832-11-2014. Нелегированный титан выбирают из следующих марок (сортов) титана (Grade): Grade 1 ELI, Grade 1, Grade 2, Grade 3, Grade 4A, Grade 4B - в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5832-2-2020.

В частности, по технологии биметаллической 3D-печати на базе технологии ПЛС основная несущая центральная часть имплантата может быть изготовлена из высокопрочного сплава Ti-6Al-4V, а его «оболочка» (тонкий наружный слой толщиной от 1 до 1,5 мм), контактирующая с костными тканями, в рамках одного технологического процесса ПЛС может быть изготовлена из нелегированного титана (типа Ti Grade 2). Таким образом, основная несущая центральная часть имплантата, изготовленная из высокопрочного сплава Ti-6Al-4V, обеспечивает высокие механические характеристики изделия, а поверхностный слой, изготовленный из нелегированного титана, обеспечивает высокую биосовместимость благодаря высокой чистоте по примесям.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Осуществляется подготовка рабочего файла изготавливаемого изделия (имплантата) и управляющей программы процесса ПЛС. Для создания модели изделий могут быть использованы различные CAD-системы: «Компас-3D», «SolidWorks», «AutoCAD» и другие универсальные системы автоматизированного проектирования.

На основании эскиза с использованием формообразующих, а также дополнительных операций, формируется 3D-модель. Модель должна быть целостным твердым телом для последующей конвертации в рабочий файл 3D-принтера. Рабочая модель используется непосредственно для управления процессом ПЛС. Рабочие модели должны быть в формате *stl.

Затем осуществляют подготовку рабочего файла изготавливаемого изделия. Подготовка рабочего файла состоит из следующих этапов:

- загрузка 3D-модели образца в формате .stl с одновременной проверкой целостности исходной электронной геометрической модели, диагностика и исправление ошибок;

- моделирование расположения изделий на платформе;

- генерация системы поддержек (при необходимости);

- разбиение электронной геометрической модели и поддержек на слои;

- выбор и присвоение технологических параметров каждому слою.

Перечень параметров, входящих в состав режима ПЛС:

- мощность лазерного излучения;

- скорость сканирования (скорость перемещения лазерного луча);

- диаметр пятна (поперечный размер лазерного луча, сфокусированного на поверхности платформы построения);

- толщина слоя (величина смещения платформы построения по оси Z, а также высота порошкового слоя);

- шаг сканирования (расстояние между центральными осями двух соседних параллельных треков);

- тип штриховки (тип траектории лазерного луча);

- стратегия построения (тип прохода лазерного луча по обрабатываемой поверхности);

- размер ячейки (величина ячейки (квадрата) заполнения в случае "шахматной" стратегии построения;

- угол штриховки (угол поворота направления штриховки в разных сечениях);

- температура платформы.

При проведении операций подготовки электронной геометрической модели к 3D-печати также учитываются:

- возможность одновременной печати серии изделий с учетом их конструктивных особенностей;

- необходимость изготовления образцов-свидетелей для проведения контрольных исследований, в том числе разрушающих испытаний.

Управление работой ПЛС-установки и процессом 3D-печати осуществляется встроенной автоматизированной системой управления.

Подготовка исходных CAD-моделей к процессу 3D-печати (синтезу) проводится в специализированном встроенном ПО, которое позволяет пользователю размещать исходные CAD-модели изделий на платформе построения принтера с последующим их разбиением на слои и созданием поддерживающих элементов. Создаваемый рабочий файл полностью определяет последовательность изготовления изделия с использованием ПЛС-установки.

Подготовка процесса ПЛС состоит из следующих этапов:

- предпусковая подготовка:

- включение питания лазера;

- включение питания приводов;

- инициализация отдельных модулей и систем установки;

- включение питания стабилизатора температуры (чиллера);

- настройка печати:

- выбор рабочего файла печати;

- задание параметров: температура нагрева платформы (°C), содержание кислорода, скорость прокачки защитного газа, скорость циркуляции защитного газа, уровень избыточного давления в рабочей камере.

В процессе выбора технологических параметров ПЛС учитываются следующие свойства металлопорошковой композиции (МПК):

- температура плавления материала, температура ликвидуса, температура солидуса, температуры фазовых превращений;

- гранулометрические характеристики (дисперсный состав: распределение частиц по размерам, грануломорфологические характеристики (форм-фактор, состояние поверхности порошка, наличие сателлитов);

- реологические характеристики порошка: текучесть и насыпная плотность порошка.

Перед началом процесса печати необходимо наполнить бункер установки МПК в количестве, достаточном для проведения цикла изготовления изделия.

Затем осуществляют процесс ПЛС, включающий подготовку рабочей камеры, нагрев и плавление материала источником тепла, затвердевание.

В процессе печати в камере поддерживается инертная атмосфера. В качестве рабочего газа используется аргон газообразный высокой чистоты марки 4.8 (объемная доля аргона не менее 99,998%). Установка осуществляет автоматический контроль содержания кислорода (предельно допустимый уровень кислорода в процессе ПЛС составляет 0,1%).

Процесс изготовления изделий по технологии ПЛС реализуется в рабочей камере установки. Изделия непосредственно изготавливаются на платформе построения, являющейся подвижным дном рабочей камеры, на которое наносят слои МКП, сплавляемые лазерным лучом.

Рабочая камера состоит из верхней и нижней частей. В верхней части камеры происходит основной технологический цикл послойного построения изделия из МПК методом ПЛС. В нижней части камеры располагается колодец построения с механизмом вертикального перемещения платформы построения и система сбора остаточной МПК.

Система подачи и разравнивания МПК состоит из рабочего бункера, дозаторов и устройства планаризации (разравнивания) порошков по рабочей платформе. Количество дозируемого порошка регулируется количеством оборотов дозирующего вала. Диапазон допустимых значений толщины слоя МПК 30-200 мкм.

Создание и поддержание рабочей атмосферы в камере осуществляется посредством системы подачи инертного газа, которая обеспечивает заполнение камеры инертной средой, поддержание заданного (минимального) уровня концентрации кислорода, фильтрацию и удаление газов из установки.

ПЛС-установка оснащена волоконным лазером с выходной мощностью лазерного излучения 1000 Вт и длиной волны излучения 1064 нм.

Оптическая сканирующая система обеспечивает точность позиционирования ± 5 мкм, диаметр сфокусированного лазерного пятна может варьироваться в диапазоне 50-200 мкм. Оптическая система охлаждается с помощью чиллера.

При изготовлении образцов используется МПК титана Ti grade 2 и титанового сплава Ti-6Al-4V: основная фракция (20-45) мкм, средний размер d_ср = 30 мкм, текучесть не более 25 с.

Образцы изготавливаются на платформе построения размером ∅120 мм. Набор технологических параметров процесса ПЛС для изготовления образцов из титана Ti Grade 2 и титанового сплава Ti-6Al-4V представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Полный перечень технологических параметров процесса ПЛС для изготовления биметаллических изделий из чистого титана Ti Grade 2 и титанового сплава Ti-6Al-4V

п.п. № Параметр Значение параметра Ti Grade 2 Ti-6Al-4V Контур 1 Количество контуров 1 1 2 Отступ, мкм 50 60 3 Мощность излучения, Вт 80 80 4 Скорость сканирования, мм/с 120 110 Сечение 5 Штриховка линейная линейная 6 Угол штриховки, ° 90 90 7 Стратегия зигзаг (двунаправленная) зигзаг (двунаправленная) 8 Мощность излучения, Вт 100 90 9 Скорость сканирования, мм/с 150 100 10 Поворот штриховки, ° 90 90 Количество обходов, шт. 2 2 Общие настройки 11 Температура предварительного подогрева, °C 150 180 12 Толщина слоя, мкм 30 30 13 Тип газа аргон аргон 14 Содержание кислорода, ppm до 1000 до 1000 15 Величина избыточного давления 1,5 кПа 1,5 кПа

После завершения процесса ПЛС производится удаление МПК из рабочей камеры в бункер нижней камеры. Изделие совместно с платформой построения извлекается из рабочей камеры.

Заготовка отделяется от платформы построения методом электроэрозионной резки. Полученное изделие подвергается контролю в соответствии с разработанным технологическим процессом. На этом этапе осуществляется контроль отклонений формы и размеров от заданных значений в CAD-модели.

Термическая обработка образцов проводится с целью снижения внутренних напряжений и повышения физико-механических характеристик.

Таким образом, обеспечивается изготовление биосовместимого имплантата с сохранением высоких механических характеристик изделия в одном технологическом процессе ПЛС.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и аддитивному производству и касается способа получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов из титановых сплавов и нелегированного титана. Способ включает изготовление с помощью биметаллической 3D-печати центральной внутренней части имплантата из металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана и внешней наружной части имплантата, контактирующей с костными тканями, из металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана в одном технологическом процессе послойного лазерного сплавления, при этом обе металлопорошковые композиции характеризуются текучестью не более 25 с, внешняя наружная часть имплантата имеет толщину от 1 до 1,5 мм, процесс осуществляют в газообразном аргоне высокой чистоты с использованием волоконного лазера с длиной волны излучения 1064 нм при температуре предварительного подогрева платформы для металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана 150°С и для металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана 180°С. Изобретение обеспечивает биосовместимость имплантата с сохранением высоких механических характеристик изделия и упрощение технологии изготовления подобного рода медицинских изделий. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов, включающий изготовление с помощью биметаллической 3D-печати центральной внутренней части имплантата из металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана и внешней наружной части имплантата, контактирующей с костными тканями, из металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана в одном технологическом процессе послойного лазерного сплавления, причем обе металлопорошковые композиции характеризуются текучестью не более 25 с, внешняя наружная часть имплантата, изготавливаемая из металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана, имеет толщину от 1 до 1,5 мм, причем процесс получения биметаллических остеоинтегрируемых имплантатов реализуется в газообразном аргоне высокой чистоты с использованием волоконного лазера с длиной волны излучения 1064 нм при температуре предварительного подогрева платформы для металлопорошковой композиции на основе нелегированного титана 150°С и для металлопорошковой композиции на основе высокопрочного сплава титана 180°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокопрочный сплав на основе титана включает сплав титан - 6 алюминия - 4 ванадия (Ti-6Al-4V).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокопрочный сплав на основе титана включает сплав титан - 6 алюминия - 7 ниобия (Ti-6Al-7Nb).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что марку нелегированного титана выбирают из Grade 1 ELI, Grade 1, Grade 2, Grade 3, Grade 4A, Grade 4B.