CN107226693A

CN107226693A - 增材制造支架结合凝胶浇注制备多孔磷酸钙陶瓷的方法

Info

Publication number: CN107226693A
Application number: CN201710341046.3A
Authority: CN
Inventors: 洪友良; 武祯
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Taohe Science And Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: CN107226693B

Abstract

本发明涉及一种多孔磷酸钙陶瓷的制备方法，属于多孔生物陶瓷制备技术领域。该方法是采用由增材制造技术制造的多孔支架作为模板，并结合凝胶浇注的方法制备多孔磷酸钙陶瓷。本发明的制备技术能有效克服增材制造技术过程中因逐层叠加制造产生的不利因素和陶瓷粉末直接打印过程中陶瓷颗粒不能紧密连接的不利因素，获得一次成型的、力学稳定的、且具有良好机械性能的多孔磷酸钙陶瓷。

Description

增材制造支架结合凝胶浇注制备多孔磷酸钙陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及一种多孔磷酸钙陶瓷的制备方法，属于多孔生物陶瓷制备技术领域。

背景技术

因为与骨的无机矿物成分相似，磷酸钙一直成为骨缺损修复用首选材料。而在实际应用中，通常需要把磷酸钙加工成具有多孔结构的陶瓷。之所以需要把磷酸钙加工成多孔结构是因为合适的孔隙不但有利于骨组织长入和宿主骨整合，而且还能极大提高陶瓷的生物活性。为获得具有良好生物学性能的磷酸钙多孔陶瓷，到目前为止，已有不同用于制备多孔磷酸钙陶瓷的技术被报道，例如使用制孔剂模板法（中国专利号200710016725.X，03135581.1，201110458811.2，201610063506.6），发泡法（中国专利号200410096287.9，200510021620.4，200610020320.9），冷冻干燥法（中国专利号200510120569.2）有机泡沫浸渍法（中国专利号200510043159.2，200610013334.8），水分解作为造孔剂法（中国专利号201210234006.6），有机制孔剂（中国专利号201510850673.0），低温烧结自然成孔法（中国专利号201110154051.6），表面生物矿化制孔（中国专利号201410192445.4），多孔层交替叠层成型法（中国专利号201019114034.2）等。虽然这些方法都能制备出具有孔隙结构的磷酸钙陶瓷，但是由这些方法制备出来的多孔磷酸钙陶瓷的孔隙不均匀且孔结构不可控，而且由这些技术制备的多孔磷酸钙陶瓷的大孔隙间的连接贯通性不好甚至不贯通。这就极大的影响了磷酸钙陶瓷的生物学性能。

为了克服上述技术的缺陷，当前人们引入了一种增材制造技术来制备多孔磷酸钙陶瓷。专利号为201410144150.5的专利和专利号为201210185006.1的专利分别公开了一种利用激光选区烧结的增材制造技术制备了磷酸钙制支架的方法。使用增材制造技术制造多孔磷酸钙陶瓷能很好的控制陶瓷中大孔隙的结构和直径，并且能确保大孔隙之间的贯通性。尽管如此，使用增材制造技术制造的多孔磷酸钙陶瓷也存在缺陷。由于增材制造技术是通过层层叠加材料的方式来构建陶瓷，这就导致构建的陶瓷层与层之间的陶瓷连接点处连接不紧密，这就导致制备的陶瓷的机械强度低；并且在层层叠加过程中因陶瓷不同步成型容易产生力学不稳定的陶瓷坯体，从而容易导致陶瓷开裂等现象。另外，当前使用增材制造把陶瓷粉末直接快速成型，导致成型的多孔陶瓷坯体内的陶瓷粉末颗粒之间的粘结性差，这样也极大的影响了多孔磷酸钙陶瓷的机械强度。

发明内容

为了克服当前增材制造技术制备多孔磷酸钙陶瓷的缺陷，本发明提出使用由增材制造技术制造的多孔支架作为模板，并结合凝胶浇注成型方法制备多孔磷酸钙陶瓷。使用本发明的方法能有效克服增材制造技术制造过程中的因逐层叠加制造产生的不利因素和陶瓷粉末直接打印过程中陶瓷颗粒不能紧密连接的不利因素，获得一次成型的、力学稳定的、且具有良好机械性能的多孔磷酸钙陶瓷。

为实现上述目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述的制备多孔磷酸钙陶瓷的技术，采用如下连续制备步骤：

A) 预制贯通孔模板：使用增材制造打印机制造在三维方向孔径都为20-1000微米的多孔支架模板；

B) 原料配制：把水、磷酸钙颗粒、分散剂、粘结剂、不饱和烯单体、多烯交联剂、过硫酸铵和四甲基乙二胺按照重量比(30-50): (30-50): (0.2-2): (10-20): (2-6): 1:(0.005-0.01)进行混合组成混合物M；

C) 预制坯体：把混合物M灌注进入多孔支架模板，然后置于温度为20-80℃，湿度为70-100%的氮气保护环境中反应6-72小时，获得多孔支架模板/陶瓷坯体；

D) 除模板工艺：把多孔支架模板/陶瓷坯体置于有机溶剂中浸泡10-30小时除去多孔支架，然后放入烘箱中在30-100℃烘烤2-8小时获得干燥的多孔陶瓷坯体；

E) 高温烧结工艺：把干燥的多孔陶瓷坯体放入温度可控高温烧结炉以2-5℃/min升温速率加热至1000-1200℃，并保温3-6小时除去有机组分，然后以2-5℃/min降温速率降温至室温，获得多孔磷酸钙陶瓷;

进一步地，在步骤A)中，所述的多孔支架的孔隙是三维贯通的；

进一步地，在步骤A)中，所述的多孔支架的组成是聚乳酸或者ABS；

进一步地，在步骤B)中，所述的磷酸钙颗粒，其化学成分是羟基磷灰石，或者是磷酸三钙，或者是羟基磷灰石和磷酸三钙的组合物；

进一步地，在步骤B)中，所述的粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、或者它们的混合物；

进一步地，在步骤B)中，所述的分散剂是聚丙烯酸钠或者聚乙烯吡咯烷酮；

进一步地，在步骤B)中，所述的不饱和烯单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸盐类、甲基丙烯酸盐类、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物中的一种或一种以上；

进一步地，在步骤B)中，所述的多烯交联剂是N,N-亚甲基-双丙烯酰胺、二（甲基）丙烯酸乙二醇酯、戊二醛、含1,2二醇结构的交联剂中的一种或一种以上；

进一步地，在步骤D)中，所述的有机溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃，或者它们的组合；

本发明通过使用上述方法得到的多孔磷酸钙陶瓷，其孔径在三维方向都为20-1000微米。

本发明具有以下特点及有益的技术效果：

本发明的构成方法形成的多孔磷酸钙陶瓷，因为使用的由增材制造技术制造多孔支架作为模板，其的孔隙大小、结构和三维贯通性是可以预先设计的，所以多孔磷酸钙陶瓷的孔隙大小和结构也是可控的、且孔在三维方向能保证是相互贯通的。这就保证了制备的多孔磷酸钙陶瓷具有良好的生物学性能。

本发明所述的多孔磷酸钙陶瓷，因为是往由增材制造技术制造的多孔支架孔隙内一次性浇注含磷酸钙颗粒的混合物M，所以是一次性成型，这样就避免了增材制造的因层层叠加成型影响产品的机械性能。

本发明使用凝胶浇注方法，即在把含磷酸钙颗粒的凝胶前驱体混合物M灌注进入由增材制造技术制造的高分子多孔支架后，凝胶前驱体会交联形成高分子网络结构。在混合物M干燥过程中，混合物M内的水凝胶网络会逐渐收缩导致水凝胶网络内磷酸钙颗粒紧密接触并避免陶瓷开裂，从而获得具有良好机械性能的多孔磷酸钙陶瓷。

此外，使用本发明的构成方法，在提高陶瓷的机械性能的同时，并没有改变由增材制造技术制造形成的多孔支架的复杂结构和形貌，所以完全能成为增材制造在临床设计并制造复杂硬组织多孔磷酸钙陶瓷的一个后续补充手段。

附图说明

图1是本发明实施例1所使用的由增材制造技术制备的三维贯通的聚乳酸支架作为模板的SEM照片。

图2是本发明实施例1构成的多孔羟基磷灰石陶瓷的SEM照片。

图3是本发明实施例1构成的多孔羟基磷灰石陶瓷局部结构的SEM照片。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应理解为是对本发明保护内容的任何限定。

实施例 1

根据本发明的步骤A)，使用熔融沉积成型（FDM）增材制造打印机和聚乳酸作为耗材制造出如图1的孔径为500微米的、孔贯通的聚乳酸多孔支架模板；

步骤B)，把3.0克水、3.0克羟基磷灰石颗粒、0.025克分散剂聚丙烯酸钠，0.1克粘结剂羟丙基甲基纤维素，0.2克丙烯酰胺单体，0.033克N,N-亚甲基-双丙烯酰胺交联剂，0.010克过硫酸铵和0.015克四甲基乙二胺充分混合获得混合物M；

步骤C)，把混合物M灌注进入多孔支架模板，然后置于温度为50℃，湿度为90%的氮气保护环境中反应24小时，获得多孔支架模板/陶瓷坯体；

步骤D)，把多孔支架模板/陶瓷坯体置于二氯甲烷中浸泡20小时除去多孔支架，然后放入烘箱中在60℃烘烤5小时获得干燥的多孔陶瓷坯体；

步骤E)，把干燥的多孔陶瓷坯体放入温度可控高温烧结炉以2℃/min升温速率加热至1100℃，并保温5小时除去有机组分，然后以2℃/min降温速率降温至室温，获得如图2和图3的孔隙为400微米的，且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例2

使用ABS作为打印耗材，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例3

使用磷酸三钙作为磷酸钙颗粒，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔磷酸三钙陶瓷。

实施例4

使用羟基磷灰石/磷酸三钙组分比为6:4的双相磷酸钙作为磷酸钙颗粒，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石/磷酸三钙双相陶瓷。

实施例5

使用聚乙烯醇作为粘结剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例6

使用聚乙二醇作为粘结剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例7

使用聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例8

使用甲基丙烯酸作为不饱和烯单体，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例9

使用戊二醛作为多烯交联剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例10

步骤D)中，使用三氯甲烷作为有机溶剂，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为400微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例11

步骤A)中，打印孔径为1300微米的多孔聚乳酸支架，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为1000微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

实施例12

步骤A)中，打印孔径为26微米的多孔聚乳酸支架，其他制备条件和实施例1相同，获得孔隙为20微米的、且孔隙三维贯通的多孔羟基磷灰石陶瓷。

Claims

1.一种多孔磷酸钙陶瓷的制备方法，采用如下连续制备步骤：

E) 高温烧结工艺：把干燥的多孔陶瓷坯体放入温度可控高温烧结炉以2-5℃/min升温速率加热至1000-1200℃，并保温3-6小时除去有机组分，然后以2-5℃/min降温速率降温至室温，获得多孔磷酸钙陶瓷。

2.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤A)中，所述的多孔支架的孔隙是三维贯通的。

3.根据权利要求1或2所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤A)中，所述的多孔支架的组成是聚乳酸或者ABS。

4.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤B)中，所述的磷酸钙颗粒的化学成分是羟基磷灰石，或者是磷酸三钙，或者是羟基磷灰石和磷酸三钙的组合物。

5.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤B)中，所述的分散剂的是聚丙烯酸钠或聚乙烯吡咯烷酮。

6.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤B)中，所述的粘结剂的是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、或者它们的混合物。

7.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤B)中，所述的不饱和烯单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸盐类、甲基丙烯酸盐类、丙烯酰胺、丙烯酰胺衍生物、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺衍生物中的一种或一种以上。

8.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤B)中，所述的多烯交联剂是N,N-亚甲基-双丙烯酰胺、二（甲基）丙烯酸乙二醇酯、戊二醛、含1,2二醇结构的交联剂中的一种或一种以上。

9.根据权利要求1所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法, 其特征在于，在步骤D)中，所述的有机溶剂是二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃，或者它们的组合。

10.一种采用根据权利要求1-9所述的方法得到的多孔磷酸钙陶瓷，其特征在于，所述的多孔磷酸钙陶瓷的孔径在三维方向都为20-1000微米。