CN104150934A - 选区激光烧结中用纳米氧化钛增强镁黄长石骨支架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用纳米氧化钛粉末增强增韧镁黄长石骨支架，并利用选区激光烧结技术制备具有可控微孔结构的三维多孔陶瓷骨支架的方法。本发明解决了生物陶瓷韧性低、强度差和传统的多孔支架制备方法中所制备支架的微观孔结构不可控的问题。本发明的方法如下：将纳米氧化钛添加到微米的镁黄长石粉末中，使用机械混合的方法将复合粉末混合均匀，然后将粉末置于选区激光烧结系统中利用快速成型技术制备多孔镁黄长石骨支架。本发明所制备的多孔支架具有强韧化的力学性能和可控的微孔结构，能够满足组织工程骨研究及应用的需求。

Description

选区激光烧结中用纳米氧化钛增强镁黄长石骨支架的方法
技术领域
本发明属于骨组织工程领域，特别是涉及一种利用选区激光烧结(SLS)制备具有可控微孔结构的三维多孔镁黄长石(Ca2MgSi2O7，Akermanite，AK)陶瓷骨支架，并利用纳米氧化钛(TiO2)增强增韧支架性能的方法。
技术背景
骨支架是骨组织工程的三要素之一，在骨修复过程中扮演了重要的角色。骨支架必须具有良好的生物相容性，足够的力学性能和可控的降解速率。生物活性陶瓷由于具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还具有一定的骨传导性等优点，是一种理想的硬组织修复材料。
生物活性陶瓷AK由于含有Si和Mg等元素，植入人体后可释放一定浓度的Si离子和Mg离子，能有效促进成骨细胞的生长和分化。同时，AK具有可控的降解速率，并能在模拟体液中形成类骨磷灰石层，有利于与骨组织形成骨结合。虽然AK的机械性能相对于其他生物陶瓷来讲较高，但其断裂韧性也只有1.83MPam1/2，远低于人体致密骨的2-12MPam1/2。因此，有必要进一步提高AK的力学性能。
添加纳米二次相是提高陶瓷力学性能的有效途径。由于TiO2具有良好的生物相容性、较高的热稳定性和优良的机械性能，在激光烧结过程中，一部分AK粉末会以纳米尺度的TiO2粉末为核形成晶粒，从而将纳米TiO2包裹在晶粒内，形成“晶内型”，在晶粒内的TiO2颗粒周围产生局部张应力，这种张应力通过AK晶粒传到晶界上，产生残余应力，从而强化主晶界。另一部分纳米TiO2颗粒分布在晶界上，形成“晶间型”，当裂纹扩展时，由于纳米颗粒的“钉扎”作用，断裂模式会由沿晶断裂转变为穿晶断裂，从而提高了材料的力学性能。因此，我们选用纳米TiO2作为增强相。
骨支架还应具有合适的微观孔结构(孔径大小、孔分布、孔隙率、孔间连通程度和支架表面积)，以利于细胞的植入、组织的生长、外基质的形成、氧气和营养的输送、代谢物的排出以及血管和神经的长入，这是支架能否发挥最优成骨效能的关键。利用SLS技术不仅能够实现复杂三维形状，更重要的是能够实现对支架微观孔结构的精确控制，从而达到满足骨组织再生的空间结构要求。
综上所述，利用纳米尺度的TiO2能够大幅度提高AK支架的力学性能，利用SLS技术能够精确控制支架的微观孔结构，最终制备出具有增强的力学性能和可控的微孔结构的AK多孔骨支架。
发明内容
本发明提出利用纳米TiO2粉末增强增韧AK骨支架，并利用SLS技术制备具有可控微孔结构的三维多孔陶瓷骨支架的方法。
本发明实施方案包括：
(1)纳米/微米混合粉末的制备：利用电子天平称量一定量的AK粉末，再取质量百分比为1％-5％的TiO2粉末加入AK粉末中，利用机械混合的方法使两种粉末混合均匀。其中，AK粉末的颗粒尺寸为1-40μm，纯度大于98％，熔点为1260℃；TiO2粉末为金红石型，平均颗粒尺寸为20nm，纯度大于99.9％，熔点为1850℃。
(2)生物陶瓷多孔骨支架的设计和制备：首先利用SolidWorks三维设计软件对多孔支架进行结构设计，将设计好的三维数据模型导入计算机进行分层切片处理，得到每一层的截面轮廓信息。然后，在工作台上均匀地铺上薄薄的一层AK/TiO2混合粉末，计算机根据界面轮廓信息精确地控制激光对粉末进行有选择性的烧结，一层烧结完成后，工作台下降一个粉层的高度，开始下一层粉末的烧结，往复循环，最终制备三维多孔AK陶瓷骨支架。其中，激光烧结工艺参数为：扫描速度，100mm/min；激光功率，8W；铺粉厚度，0.1-0.2μm；扫描间距，3mm；光斑直径，1mm。
(3)支架的力学性能测试：将所制备的支架样品经镶嵌和抛光处理后，在显微硬度仪上，用300gf的负载在抛光表面用锥形金刚石压头产生一系列压痕，通过计算支架的断裂韧性。将制备的多孔支架置于电子万能材料试验机测试平台上测得支架的压缩强度。
本发明的优势在于：
(1)所制备的AK陶瓷骨支架，植入人体后能够释放一定浓度的Si和Mg离子，促进骨细胞的增殖和分化，具有良好的生物相容性。
(2)利用纳米TiO2作为增强增韧相来提高AK支架的强度和韧性，在烧结过程中，一部分纳米TiO2位于AK晶内，另一部分位于晶间，两种结构共同作用产生多重界面和穿晶断裂效应，从而大大改善了陶瓷支架的力学性能。
(3)向微米的AK粉末中添加纳米TiO2粉末，双粒度混合粉体可以提高陶瓷的烧结性能。
(4)利用SLS技术，制备出具有可控微孔结构的三维多孔生物陶瓷骨支架，为细胞的粘附、增殖和分化提供了合适的微环境。
(5)涉及一种在选区激光制备多孔陶瓷骨支架过程中利用纳米氧化物增强增韧相来提高生物陶瓷支架力学性能的方法，该方法具有制备工艺简单、技术参数容易控制、操作方便和产品性能良好的特点，可用于骨组织工程领域。
附图说明
图1是SolidWorks软件设计的三维多孔支架图
图2是激光烧结混合粉末过程图
图3是利用SLS技术制备的AK生物陶瓷多孔支架图
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描述，但本发明之内容并不局限于此：
(1)利用电子天平精确称量质量为0.25g的纳米TiO2粉末和4.75g的微米AK粉末，将两种粉末使用机械混合的方法混合均匀，最终制备出TiO2质量分数为5％的AK/TiO2复合粉末。
(2)首先利用SolidWorks三维设计软件对多孔支架进行结构设计，设计的三维多孔支架如附图1所示，将设计好的三维数据模型导入计算机进行分层切片处理，得到每一层的截面轮廓信息。然后，将制备好的基板置于工作平台上，在基板上均匀地铺上薄薄的一层混合粉末，铺粉厚度为0.1-0.2μm，激光在计算机的精确控制下，开始沿着水平方向有选择性地烧结混合粉末，一层烧结完成后，工作平台在计算机的控制下下降0.1μm，再铺粉并进行下一层烧结，烧结过程如附图2所示。这样层层叠加，直到烧结高度达到2mm时，激光在计算机的控制下，转变烧结方向，开始沿竖直方向有选择性地烧结粉末，又开始层层烧结，直到烧结高度达到2mm时，又转变烧结方向，这样往复烧结，最终制备出纵横交错具有可控孔结构的多孔支架，激光烧结制备的多孔支架如附图3所示。
(3)将所制备的支架样品镶嵌于环氧树脂中，经抛光处理后，进行压痕实验，实验力为300gf，保持时间为15s，测量出裂纹的长度，并计算出试样的断裂韧性。再将所制备的支架置于电子万能材料试验机测试平台上，压头的移动速度控制在0.5mm/min，测量得到支架的压缩强度。结果发现，所制备支架的断裂韧性和压缩强度比没有添加纳米TiO2粉末的纯陶瓷支架有明显提高。

Claims (7)

1.一种利用纳米二氧化钛(TiO2)粉末增强增韧镁黄长石(AK)骨支架，并利用选区激光烧结(SLS)技术制备具有可控微孔结构的三维多孔陶瓷骨支架的方法，其具体所采用的工艺为：
(1)纳米/微米混合粉末的制备：利用电子天平称量一定量的AK粉末，再取质量分数为1-5％的TiO2粉末加入AK粉末中，利用机械混合的方法使两种粉末混合均匀。其中，AK粉末的颗粒尺寸为1-40μm，纯度大于98％，熔点为1260℃；TiO2粉末为金红石型，平均颗粒尺寸为20nm，纯度大于99.9％，熔点为1850℃；
(2)生物陶瓷多孔支架的设计和制备：首先利用三维设计软件设计多孔支架，将设计好的三维数据模型导入计算机进行分层切片处理，得到每一层的截面轮廓信息。然后，在工作台上均匀地铺上薄薄的一层AK/TiO2混合粉末，铺粉厚度为0.1-0.2μm，计算机根据界面轮廓信息精确地控制激光对粉末进行有选择性的烧结，一层烧结完成后，工作台下降一个粉层的高度，开始下一层粉末的烧结，往复循环，最终制备出三维多孔陶瓷骨支架；
(3)支架的力学性能测试：将所制备的支架样品经镶嵌和抛光处理后，在显微硬度仪上，用300gf的负载在抛光表面用锥形金刚石压头产生一系列压痕，测量裂纹长度，通过计算获得支架的断裂韧性。将制备的多孔支架置于电子万能材料试验机测得支架的压缩强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：AK粉末的颗粒尺寸为1-40μm，纯度大于98％，熔点为1260℃；TiO2粉末为金红石型，平均颗粒尺寸为20nm，纯度大于99.9％，熔点为1850℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用AK粉末来制备多孔支架，植入人体后能够释放一定浓度的Si和Mg离子，促进骨细胞的增殖和分化，使支架具有良好的生物相容性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用质量分数为1-5％的纳米TiO2粉末，在烧结过程中，一部分纳米TiO2位于AK晶内，另一部分位于晶间，两种结构共同作用产生多重界面和穿晶断裂效应，从而大大改善了陶瓷支架的力学性能。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：向微米的AK粉末中加入纳米TiO2粉末，双粒度混合粉体可以提高陶瓷的烧结性能。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用选区激光烧结制备具有可控微孔结构的三维多孔生物陶瓷骨支架，为细胞的粘附、增殖和分化提供了合适的微环境。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：涉及一种在选区激光制备多孔陶瓷骨支架过程中利用纳米氧化物增强增韧相来提高生物陶瓷支架力学性能的方法，该方法具有制备工艺简单、技术参数容易控制、操作方便和产品性能良好的特点，可用于骨组织工程领域。
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