CN103467104A

CN103467104A - 激光制备人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷烧结性能的方法

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Publication number: CN103467104A
Application number: CN2012101850061A
Authority: CN
Inventors: 帅词俊; 彭淑平; 刘景琳; 聂毅; 胡焕隆; 高成德
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN103467104B

Abstract

一种激光制备人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷烧结性能的方法，属于骨组织工程领域。针对在利用选择性激光烧结(SLS)技术制备多孔双相磷酸钙陶瓷(BCP)人工骨时，烧结件存在致密度低，力学性能不足的缺点，本发明提供了一种添加质量分数为0.1～1％左旋聚乳酸(PLLA)提高BCP烧结性能的方法。其优点在于：利用PLLA低温熔融引入瞬态液相，能够促进BCP颗粒的重排与致密化，从而提高BCP的烧结性能；在合理的工艺参数下，PLLA能够充分氧化直至完全消失，避免了其在人工骨中的残留，最终制备出完全由BCP构成的高性能多孔人工骨。本发明涉及一种添加少量高分子材料提高磷酸钙生物陶瓷激光烧结性能的方法，该方法具有操作工艺简单、产品性能良好、适用范围广泛的特点。

Description

激光制备人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷烧结性能的方法

技术领域

本发明属于骨组织工程领域，特别是在利用选择性激光烧结(SLS)技术制备多孔陶瓷人工骨时，提供了一种添加少量左旋聚乳酸(PLLA)提高双相磷酸钙陶瓷(BCP)烧结性能的方法。在烧结过程中，PLLA会经历熔融、碳化、氧化三个过程。利用PLLA低温熔融引入瞬态液相促进BCP颗粒的重排与致密化，提高BCP的烧结性能。并通过选择合理的工艺参数，使PLLA充分氧化直至完全消失，能够避免其在人工骨中的残留。最终制备出完全由BCP构成的高性能多孔人工骨。

背景技术

磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性，能与细胞表现出良好的亲和性，被认为是当今最有潜力的骨替代材料。磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石(Hydroxylaptite，HAP)和β-磷酸三钙(β-Triealcium Phosphate，β-TCP)等。HAP具有良好的生物活性，能与人体骨形成牢固的骨键合，但其在体内不易发生降解；β-TCP则为可降解生物陶瓷，在骨内种植后能逐渐被降解和吸收，有利于新骨的长入。因此，为了获得同时具备良好生物活性和生物降解性能的磷酸钙生物陶瓷作为人工骨材料，制备一种由HAP和β-TCP构成的双相磷酸钙陶瓷(Biphasic Calcium Phosphate，BCP)已成为骨组织工程领域的研究热点。BCP的设计兼顾了稳定相HAP和可降解相β-TCP的优点，其目的是通过选择合适的HAP/β-TCP比例，使得BCP人工骨在体内不仅能与自然骨形成牢固的骨性结合，还能随着新骨的长入逐渐被降解，从而为新骨的生长提供丰富的钙和磷。

理想的人工骨不仅要具有良好的生物学性能，还应具有与植入部位相一致的外形和孔隙分布，并能够实现“个体化定制”。选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)是一种采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状零件的快速成型技术。利用快速成型技术制备三维多孔人工骨突出的特点是：(1)可以制造出任意复杂外形的三维实体，不需要特殊的模具、工具或人工干涉；(2)微孔的数量、大小、分布及形状可控，并保证孔隙之间的完全贯通；(3)可根据骨缺损部位形状的不同，迅速制备出具有个体特征的三维多孔支架。因此，SLS技术为实现BCP人工骨的三维多孔结构提供了一条有效的解决途径。

烧结过程可分为固相烧结和液相烧结两种类型。固相烧结依靠原子扩散传质来形成连接，扩散速度慢，烧结时间长；液相烧结则是依靠液相的流动来实现传质，速度快、烧结时间短。HAP和β-TCP的熔点均高于烧结温度，其烧结过程中不会出现液相，属于固相烧结，需要足够的烧结时间来实现致密化。而在SLS系统中，激光束对任何粉末颗粒的作用时间都非常短，一般为几毫秒到几十毫秒。因此，在SLS直接烧结BCP(HAP/β-TCP)陶瓷粉末制备人工骨过程中，在极短的激光作用时间内，粉末颗粒往往来不及充分重排和致密化，烧结难以彻底完成，从而导致BCP人工骨存在致密度低、力学性能不足的缺点。

基于液相烧结机理可知，通过混合于陶瓷颗粒中的添加剂，在烧结时熔融形成液相，产生粘性流动，来促进陶瓷颗粒的重排与致密化，强化陶瓷颗粒的烧结，是提高陶瓷烧结件致密度和力学性能的一种有效途径。在磷酸钙生物陶瓷的液相烧结中，可选用的添加剂应对其具有良好的润湿性和一定的溶解性，主要包括左旋聚乳酸(Poly-lactic-acid，PLLA)，聚己内酯(Poly-caprolactone，PCL)，聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)等生物高分子材料。然而，生物高分子材料的降解产物呈酸性，在人体内易于引起无菌性炎症反应。因此，在利用添加剂提高磷酸钙生物陶瓷烧结性能的同时，应避免其在人工骨中的残留。

发明内容

本发明提出一种在利用SLS技术制备多孔BCP人工骨时，通过添加少量PLLA提高BCP烧结性能的方法。在烧结过程中，PLLA会经历熔融、碳化、氧化三个过程。利用PLLA低温熔融引入瞬态液相，能够促进BCP颗粒的重排与致密化，从而提高BCP的烧结性能。通过选择合理的工艺参数，使PLLA充分氧化直至完全消失，能够避免PLLA在人工骨中的残留。最终制备出完全由BCP构成的高性能多孔人工骨。

本发明的制备工艺主要分为混粉、烧结成型两个步骤。具体工艺为：

1、混粉：利用机械混合法将HAP和β-TCP粉末混合均匀，制得BCP粉末。然后，在BCP粉末中添加少量PLLA，利用机械混合法混合均匀，制得PLLA质量分数为0.1～1％的BCP/PLLA混合粉末。其中，PLLA为无定形颗粒，平均粒径为1～5μm，相对分子质量为10000，粘度为0.51～1.0dl/g，玻璃化温度为60～65℃，熔点为175～185℃。HAP为长针状颗粒，长为150nm，宽为20nm，纯度≥99.5％；β-TCP颗粒粒径为200nm，纯度≥99％；

2、烧结成型：将BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系统，按缺损骨截面的轮廓要求和一定烧结距离间隔，控制激光有选择地烧结BCP/PLLA混合粉末。烧结一层后，工作台下降一个层厚度，再进行下一层的铺料和烧结，这样层层叠加，最终制得多孔BCP人工骨。其中，光斑直径经光学系统调整后可达50μm，铺粉厚度为0.2mm。

本发明优点在于：

1、SLS技术是逐点烧结成型的，利用SLS技术能够制备任意复杂外形的，孔径和孔隙分布可控的多孔结构人工骨。

2、在烧结过程中，利用PLLA低温熔融引入瞬态液相，有利于促进BCP颗粒的重排与致密化，提高BCP的烧结性能，从而改善BCP人工骨的力学性能。

3、通过选择合理的工艺参数，PLLA能够充分氧化直至完全消失，避免了PLLA在BCP人工骨中的残留。

4、涉及一种添加少量高分子材料提高磷酸钙生物陶瓷激光烧结性能的方法，该方法制备工艺稳定、操作过程简单、产品性能良好、适用范围广泛。

附图说明

图1为人工骨支架选择性激光烧结工作原理。

图2为未添加PLLA的BCP人工骨的微观组织(经腐蚀)。

图3为添加PLLA质量分数为1％的BCP人工骨的微观组织(经腐蚀)。

图4为添加PLLA质量分数为1％的BCP/PLLA混合粉末的FT-IR图谱。

图5为添加PLLA质量分数为1％的BCP人工骨的FT-IR图谱。

具体实施方式

下面结合一个实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种在激光制备多孔陶瓷人工骨中添加少量PLLA提高BCP烧结性能的方法，将HAP和β-TCP粉末，按质量比为1∶1，利用机械混合法，制得混合均匀的BCP粉末。然后，将少量PLLA添加至BCP粉末，利用机械混合法，制得PLLA质量分数为1％的BCP/PLLA混合粉末。将所得BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系统，烧结制备多孔BCP人工骨。其中，光斑直径为2mm，铺粉厚度为0.2mm，激光功率为10W，扫描速度为100mm/min。经与未添加PLLA所得BCP人工骨对比，发现当在BCP粉末中添加质量分数为1％的PLLA时，所得BCP人工骨微观组织更加致密，晶粒分布更加均匀；显微硬度由403.6±13.008HV提高至490.3+10.671HV；断裂韧性由1.32±0.103MPam^1/2增加至1.72±0.105MPam^1/2。这表明添加质量分数为1％的PLLA能够明显提高BCP的烧结性能。傅里叶红外衍射(FT-IR)测试结果显示，在BCP/PLLA混合粉末烧结前后，C＝O基团消失，说明在所得BCP人工骨中没有PLLA的残留。最终制备出完全由BCP构成的高性能多孔人工骨。

Claims

1.一种在利用选择性激光烧结(SLS)技术制备多孔陶瓷人工骨时，添加少量左旋聚乳酸(PLLA)提高双相磷酸钙陶瓷(BCP)烧结性能的方法，其制备工艺为：

A、混粉：称取羟基磷灰石(HAP)和β-磷酸三钙(β-TCP)粉末，利用机械混合法将两者混合均匀，制得BCP粉末，然后，将少量PLLA添加至BCP粉末，利用机械混合法，制得PLLA质量分数为0.1～1％的BCP/PLLA混合粉末；

B、烧结成型：将BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系统，按缺损骨截面的轮廓要求和一定烧结距离间隔，控制激光有选择地烧结BCP/PLLA混合粉末，烧结一层后，工作台下降一个层厚度，再进行下一层的铺粉和烧结，这样层层叠加，制得多孔BCP人工骨，光斑直径经光学系统调整后可达50μm，铺粉厚度为0.2mm。

2.按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：HAP为长针状颗粒，长为150nm，宽为20nm，纯度≥99.5％；β-TCP颗粒粒径为200nm，纯度≥99％；PLLA为无定形颗粒，平均粒径为1～5μm，相对分子质量为10000，粘度为0.51～1.0dl/g，玻璃化温度为60～65℃，熔点为175～185℃。

3.按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：利用SLS技术能够制备任意复杂外形的，孔径和孔隙分布可控的多孔结构人工骨。

4.按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：利用PLLA低温熔融引入瞬态液相，能够促进BCP颗粒的重排与致密化，从而提高BCP的烧结性能，制备的多孔BCP人工骨致密程度高、组织均匀、力学性能明显提高。

5.按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：通过选择合理的工艺参数，PLLA能够充分氧化直至完全消失，避免了其在人工骨中的残留，最终制备出完全由BCP构成的高性能多孔人工骨。

6.按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：涉及一种添加少量高分子材料提高磷酸钙生物陶瓷激光烧结性能的方法，该方法制备工艺稳定、操作过程简单、产品性能良好、适用范围广泛。