CN103420681A - 利用选择性激光和温控炉实现二次烧结制备人工骨的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用选择性激光和温控炉实现二次烧结制备高韧性三维纳米陶瓷人工骨的成型方法，第一次烧结中利用选择性激光根据人工骨模型信息逐层扫描生物陶瓷粉末，层层叠加得到具有复杂几何外形和可控互联微孔的纳米人工骨初始坯体，第二次烧结中，激光成型件在温控炉中以较低烧结温度进行长时间保温，在保温阶段晶界迁移受到抑制，晶界扩散得以维持，从而晶粒的生长受到控制，致密化过程仍得以进行直至人工骨完全致密化。本发明所成型的人工骨为既具有与植入部位相一致的外形和互联并可控的孔隙结构，又有良好机械性能的纳米生物陶瓷人工骨支架。

Description

利用选择性激光和温控炉实现二次烧结制备人工骨的方法

技术领域

本发明属于纳米生物材料的先进快速制造领域，具体涉及一种以纳米生物陶瓷粉末为原料，利用选择性激光烧结获得具有复杂几何外形和贯穿互联微孔的初始坯体完成第一次烧结、利用温控炉使其低温致密化实现第二次烧结而制备高韧性纳米生物陶瓷人工骨的二次烧结成型方法。

背景技术

骨是人体内最重要的硬组织，在保护体内器官、为肌肉提供附着、产生血液细胞等方面发挥不可替代的作用。随着我国工业、交通、体育等事业的发展及人口老龄化加剧，因外伤、疾病导致的骨折、骨缺损日益成为威胁人类健康的重大问题。据民政部门报告，我国现有骨缺损患者超过1500万，每年新增近300万，全球人工骨市场2009年总销售额估计在250亿～260亿美元，并保持20％左右的增长速度。目前，骨移植成为仅次于输血的第二大移植手术，研制恢复、维持或改进人体骨功能的替代物已成为一项迫切的任务。

人工骨是通过先成型生物材料的支架，然后在上面复合细胞、促进并指导新的骨细胞形成的方式，来实现骨组织器官的人工制造。目前，通常采用的骨修复方法是自体移植、异体移植与异种移植，人工骨与以上骨移植相比有如下优点：(1)供量不受限制；(2)可形成有生命力的活体组织，模拟骨组织的自然生长过程，从而对病损部位进行形态、结构和功能上的重建，并达到永久性替代；(3)生物相容性和生物活性良好，骨传导能力强。生物陶瓷因具有无毒、耐腐蚀、弹性模量与人体组织相当、良好的生物相容性和生物活性等优点成为最有潜力的人工骨材料，但由于脆性大、韧性低，导致它的使用可靠性和抗破坏能力差。纳米陶瓷结构是解决陶瓷脆性的战略途径，因晶粒的细化使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使纳米陶瓷在受力时表现出独特的超塑性。因而，致密的纳米生物陶瓷人工骨因有良好的生物活性和机械性能而成为合适的骨修复材料。

选择性激光烧结是一种化快速层叠制造技术，能根据所设计人工骨模型将陶瓷粉末材料直接成型为具有复杂外形和可控互联孔隙结构的纳米人工骨毛坯。达到与缺损骨组织形态大小完全吻合的要求，宏观上完全贯通并可控的孔隙结构，可为细胞提供与天然骨相似的微环境，利于引导新骨的再生。另一方面，由于晶粒长大是一个首先由晶粒的接触颈长大开始，当颈部区形成晶界，且宽度长大到相当于小晶粒的尺寸时，晶界将较为迅速地扫过小晶粒，两个晶粒便形成一个晶粒的过程，因此可通过控制烧结时间来抑制晶粒的生长。激光具有能量集中，方向性好而且能量、辐射时间和聚焦光斑可调的特点，利用激光烧结纳米陶瓷时，粉末受热区域小、烧结时间极短，能达到骤热骤冷的效果，使纳米颗粒失去生长空间，从而实现对纳米晶粒长大的控制，选择性激光烧结可制备晶粒尺寸保持在纳米尺度的人工骨毛坯。但由于激光成型过程中烧结时间很短，使得材料烧结不充分，致密度低，机械性能不高。

由于纳米材料比表面积大、表面能高、原子严重配位不足，在利用纳米材料制备人工骨过程中晶粒仍要保持在纳米尺度十分困难，二次烧结是一种通过控制烧结过程中晶粒生长而制备高致密度纳米陶瓷的新方法。传统二次烧结方法为将坯体快速升温到较高烧结温度进行短时间烧结达到一定的密度后(第一次烧结)，再降低烧结温度进行长时间保温，在保温阶段晶界迁移受到抑制，晶界扩散得以维持，晶粒的生长受到控制，而致密化过程仍得以进行直至陶瓷完全致密化(第二次烧结)。

因此，为解决上述技术问题，针对目前组织工程中陶瓷人工骨材料所存在的不能兼顾人工骨三维几何结构和机械性能的问题，发明一种快速成型方法用以制备宏观结构与缺损组织几乎完全吻合、内部孔隙完全贯通并且力学性能尤其是韧性有显著提高的三维纳米生物陶瓷人工骨具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种以纳米生物陶瓷粉末为原料，利用选择性激光烧结获得具有复杂几何外形和贯穿互联微孔的初始坯体完成第一次烧结、利用温控炉使其低温致密化实现第二次烧结而制备高韧性纳米生物陶瓷人工骨的二次烧结成型方法，其具体步骤包括：

(1)通过CT医学图像得到人工骨缺损部位几何模型，在CAD软件中进行布尔运算控制人工骨内部孔隙结构，并进行切片处理以STL格式输出修复体几何模型；

(2)利用选择性激光完成第一次烧结：选择性激光快速成形系统根据STL文件信息逐层扫描生物陶瓷粉末，层层叠加成型激光烧结的三维纳米陶瓷人工骨毛坯；

(3)利用温控炉完成第二次烧结：将激光烧结毛坯放入温控炉中在较低烧结温度下进行长时间保温得到完全致密的人工骨。

本发明中由于激光具有能量集中，方向性好而且能量、辐射时间和聚焦光斑可控的特点，利用激光烧结纳米陶瓷时，粉末受热区域小、烧结时间极短，能达到骤热骤冷的效果，使纳米颗粒失去生长空间，从而制备出有一定致密度且晶粒尺寸保持在纳米尺度的人工骨毛坯，其内部烧结颈形成，出现大量晶界界面，晶界扩散激活能降低。同时，由于激光具有原型复杂系数最大、效率高的优点，所成型纳米陶瓷人工骨坯体外形与骨缺损组织吻合并有可控互联微孔。第二次烧结中，将激光烧结成型件在温控炉中升温到较低烧结温度并进行长时间保温，在保温阶段晶界迁移受到抑制，晶界扩散得以维持，晶粒的生长受到控制，而致密化过程仍得以进行直至完全致密。本发明制备的人工骨几何结构同天然骨组织几乎完全吻合，有互联并可控的孔隙分布，且力学性能尤其是韧性相对传统生物陶瓷显著提高，该人工骨支架用传统技术无法制备。

具体实施方式

本发明首先根据植入体外形要求构建人工骨三维几何模型，然后在激光快速成型系统上对纳米生物陶瓷粉末完成初次选择性激光成型，随后将成型件放入温控炉中在较低烧结温度下进行长时间保温，通过第二次烧结完成纳米人工骨的致密化，并且整个烧结过程中晶粒不明显长大，所成形人工骨晶粒尺寸保持在纳米尺度，有良好的机械性能和生物学性能。

本发明中所用生物陶瓷粉末为纳米羟基磷灰石(HAP)粉末，纳米磷酸三钙(TCP)粉末，纳米生物玻璃(BG)粉末中的一种或几种均匀混合，该生物陶瓷材料有良好的生物相容性和生物活性。

下面实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明并不局限于此。本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容，采用其他原料和工艺参数实现本发明。

实施例：

本实例中首先对骨缺损组织进行三维几何模型建模和优化。在mimics软件中由病损骨CT扫描图像进行三维实体建模，模型经Geomagic Studio软件处理后导入

通用CAD软件，进行布尔运算控制内部互联的孔隙结构，同时，在Ansys软件中进行有限元分析进一步优化支架结构，随后将最终三维几何模型切片处理后导入选择性激光烧结成型系统。

本实例采用纳米磷酸三钙粉末作为原料，利用自主开发选择性激光烧结快速成型系统(ZL200910043210.8)通过对粉末选择性进行激光扫描，层层叠加烧结成型三维多孔人工骨毛坯实现第一次烧结，激光成型系统参数设定为：激光能量13W；扫描速度150mm/s；烧结层厚0.1mm。

第二次烧结中，将激光成型人工骨毛坯放入温控炉中以5℃/min的速度升温到900℃，在此温度下保温20h，在保温阶段晶界迁移受到抑制，晶界扩散得以维持，晶粒的生长受到控制，而致密化过程仍得以进行直至完全致密化。保温结束后随炉冷却并进行退火处理以减小内部应力，至此陶瓷人工骨成型完成。

本实例所制备的人工骨不但具有与植入部位相一致的外形和孔隙分布，而且烧结出的陶瓷人工骨晶粒尺寸在纳米尺度，还表现出良好的机械性能。

Claims (5)

1.一种利用选择性激光和温控炉实现二次烧结制备高韧性三维纳米陶瓷人工骨的成型方法，其步骤包括：

(1)第一次烧结为选择性激光成型人工骨毛坯，激光快速成形系统根据人工骨几何模型信息逐层扫描纳米生物陶瓷粉末，层层叠加烧结成型三维纳米人工骨毛坯；

(2)第二次烧结在温控炉中进行，将激光烧结毛坯放入温控炉中升温到较低烧结温度并进行长时间保温。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：利用选择性激光完成第一次烧结，由于激光具有能量集中、方向性好且可控的特性，利用激光烧结纳米陶瓷时，粉末受热区域小、烧结时间极短，能达到骤热骤冷的效果，使纳米颗粒失去生长空间，所制备人工骨毛坯的晶粒尺寸保持在纳米尺度，同时坯体宏观上几何外形与骨缺损组织吻合并有互联微孔；微观上，烧结颈形成，原来的颗粒界面形成大量晶界。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二次烧结在温控炉中实现，烧结时将成型件升温到较低烧结温度(如900℃)并进行长时间保温(如20h)，在保温过程中，通过抑制晶界迁移(导致晶粒快速长大)，保持晶界扩散(使坯体致密化)，晶粒的生长受到控制，而致密化过程仍得以进行直至完全致密，保温结束后随炉冷却进行退火处理减少支架内部应力。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述生物陶瓷粉末为纳米羟基磷灰石(HAP)粉末，纳米磷酸三钙(TCP)粉末和纳米生物玻璃(BG)粉末中的一种或几种均匀混合。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所成型的纳米生物陶瓷人工骨为具有任意复杂形状、内部孔隙完全贯通并可调、生物相容性好、韧性高并可降解或吸收的新一代致密实体造型。