CN108295302A - 一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3d打印材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印材料技术领域，具体涉及一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法。该医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法包括：步骤一、制备改性锂皂石；步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末；步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。该医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法所得到复合材料不仅打印性能优异，而且应用性能十分突出，具有优异机械强度、力学性能及抗压强度的优点，兼具无机类磷酸钙材料力学强度的和高分子类聚乳酸材料的柔韧性，同时制备工艺较为简单，生产成本比较低廉。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印材料技术领域，具体涉及一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法。
背景技术
磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物相容性和可注射性，在生理条件下能够塑造成各种形状，固化体中由水化反应生成的弱结晶羟基磷灰石与人体骨组织的无机成分相似，是一种具有广阔应用前景的新型生物医用材料。3D打印技术的出现为各种不同形状骨组织结构的设计、制造与优化提供了新的方法。因为3D打印技术可以打印制取任意形状的骨骨组织结构，所以将磷酸钙骨水泥作为打印材料，通过3D打印技术打印制备各种人工骨材料，已在美国、德国、荷兰、日本、以色列等西方发到国家得到了广泛的临床应用，并且国内也逐渐兴起。但是，国内目前尚无任何自主生产3D打印用磷酸钙骨水泥打印材料的能力，完全依靠进口，因此每年在这方面消耗了大量的宝贵外汇。
尽管在临床上已广泛用作骨组织的修复材料，但是CPC目前也存在一些问题，其中最主要的问题是CPC力学性能较差，抗压强度较低，不能满足人体骨组织的力学强度要求，无法有效作为负重部位的骨填充材料，因而导致CPC应用受到一定的限制，特别是在组织工程行业限制相当明显。因此，非常有必要开发出一种具有优异力学性能和机械强度的3D打印材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，该制备方法制得的医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料具有优异机械强度、力学性能及抗压强度的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
提供一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将锂皂石完全分散于一定温度的水中，然后加入季铵盐和聚乙二醇并继续搅拌反应一定时间，再进行洗涤、过滤，并于一定温度下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将稀土物质和磷酸钙粉末加到无水乙醇中并静置一定时间，然后进行洗涤、过滤，并于一定温度下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将聚乳酸加热至一定温度，然后加入步骤一制得的改性锂皂石，搅拌一定时间后，加入步骤二制得的稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌一定时间后，降温室温冷却，并研磨至一定粒度，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
上述技术方案中，所述步骤一中，所述季铵盐为十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵中的一种或两种按任意比例的组合物。
上述技术方案中，所述步骤一中，所述聚乙二醇的分子量不超过1万。
上述技术方案中，所述步骤二中，所述稀土物质为Ce(NO3)3、Ce2(SO4)3、CeCl3、Dy(NO3)3、Dy2(SO4)3、DyCl3、Sr(NO3)2、SrSO4或SrCl2中的一种或任意两种以上按任意比例的组合物。
上述技术方案中，所述步骤二中，所述磷酸钙粉末为无定性磷酸钙、磷酸三钙或磷酸四钙中的一种或任意两种以上按任意比例的组合物。
上述技术方案中，所述步骤一中，制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于60～85℃的300～500份水中，然后加入5～20份季铵盐和1～5份聚乙二醇并继续搅拌反应2～3h，再进行洗涤、过滤，并于60～80℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石。
上述技术方案中，所述步骤二中，制备稀土改性磷酸钙粉末：将5～15份稀土物质和50～100份磷酸钙粉末加到300～500份无水乙醇中并静置1～3h，然后进行洗涤、过滤，并于50～70℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末。
上述技术方案中，所述步骤三中，制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至150～200℃，然后加入步骤一制得的5～15份改性锂皂石，搅拌10～30min后，加入步骤二制得的100～500份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1～2h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为2000～10000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
上述技术方案中，所述步骤一中的水为纯水。
本发明与现有技术相比较，有益效果在于：
(1)本发明提供的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，该制备方法首先利用分子量不高于1万的聚乙二醇和季铵盐对锂皂石进行改性，制备得到亲水和疏水达到一定平衡的改性锂皂石。聚乙二醇先进入锂皂石的孔结构，然后吸附在锂皂石表面，赋予锂皂石的亲水性。季铵盐进入锂皂石层间，赋予锂皂石的疏水性。经过聚乙二醇和季铵盐复合改性的锂皂石，能够作为聚乳酸熔融结晶的高效成核剂；而单独聚乙二醇或季铵盐改性的锂皂石完全不具备引导成核的功能。其次，在无水乙醇介质中通过稀土物质对磷酸钙材料进行化学改性。稀土物质在无水乙醇中完全溶解后，与磷酸钙颗粒表面发生粘接作用。通过XRD、红外光谱等表征手段分析测试，发现稀土物质会置换磷酸钙颗粒中的Ca2+或表面的-OH，即生成稀土离子/磷酸钙新的化学结构。经过稀土物质改性的磷酸钙(稀土离子/磷酸钙)粉末能够作为聚乳酸熔融结晶成核完善剂。然后先将聚乳酸加热至一定温度使其充分熔化，然后加入改性锂皂石，搅拌一定时间后，加入稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌一定时间后，降温室温冷却，并研磨至一定粒度，即制得医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。其中，成核剂改性锂皂石在聚乳酸基体中形成叠加的层状结构，进而诱导聚乳酸附生结晶于改性锂皂石结构表面。因为改性锂皂石具备相适应的亲水/疏水平衡，所以在聚乳酸熔体中容易被分散均匀，而且与聚乳酸分子链的相互作用强，因此改性锂皂石的成核作用十分显著，可以有效地促进聚乳酸结晶而生成比较完善的球晶形态。另外，XRD追踪表征发现，完善剂稀土离子/磷酸钙主要功能是迫使聚乳酸分子链优先附生于小尺寸的聚乳酸针状结构的长轴方向进行结晶(而其他方向生长受限)，即趋向于生成针状晶体结构；随着时间的增加，聚乳酸针状晶体结构逐渐生长并最终形成完善的球晶形态。不加入稀土离子/磷酸钙，聚乳酸晶体难以生成完善优良的针状晶体结构和球晶形态。研究表明，聚乳酸的球晶结构越完善，聚乳酸越能发挥内韧力的作用；当受到外界力作用时，越能迅速地导走消散产生的内应力，从而显著提高了打印实体成品的力学性能和机械强度。利用成核剂改性锂皂石和完善剂稀土离子/磷酸钙来提高聚乳酸最终形成完善的针状晶体结构和球晶形态，是本申请的核心技术之处。
(2)本发明提供的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，将所制备的改性锂皂石和稀土离子改性磷酸钙分别作为成核剂和完善剂，从而控制聚乳酸的结晶行为和结晶结构，使得磷酸钙材料和拥有完善针状晶体结构和球晶形态的聚乳酸形成类似于互穿网络结构，通过聚乳酸大分子链能迅速引走外界力产生的内应力，从而显著提高磷酸钙材料的力学强度。所得到复合材料不仅打印性能优异，而且应用性能十分突出，具有优异机械强度、力学性能及抗压强度的优点，兼具无机类磷酸钙材料力学强度的和高分子类聚乳酸材料的柔韧性，同时制备工艺较为简单，生产成本比较低廉。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1。
一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于70℃的400份水中，然后加入12份季铵盐和3份聚乙二醇并继续搅拌反应2.5h，再进行洗涤、过滤，并于70℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
本实施例中，季铵盐为十八烷基三甲基溴化铵；
其中，聚乙二醇的分子量不超过1万；
步骤一中的水为纯水；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将12份稀土物质和70份磷酸钙粉末加到400份无水乙醇中并静置2h，然后进行洗涤、过滤，并于60℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
本实施例中，稀土物质为Ce(NO3)3；
本实施例中，磷酸钙粉末为无定性磷酸钙；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至180℃，然后加入步骤一制得的12份改性锂皂石，搅拌20min后，加入步骤二制得的250份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1.5h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为5000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
实施例2。
一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于60℃的300份水中，然后加入5份季铵盐和1份聚乙二醇并继续搅拌反应2h，再进行洗涤、过滤，并于60℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
本实施例中，季铵盐为十八烷基三甲基氯化铵；
其中，聚乙二醇的分子量不超过1万；
步骤一中的水为纯水；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将5份稀土物质和50份磷酸钙粉末加到300份无水乙醇中并静置1h，然后进行洗涤、过滤，并于50℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
本实施例中，稀土物质为Ce2(SO4)3；
本实施例中，磷酸钙粉末为磷酸三钙；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至150℃，然后加入步骤一制得的5份改性锂皂石，搅拌10min后，加入步骤二制得的100份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为2000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
实施例3。
一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于85℃的500份水中，然后加入20份季铵盐和5份聚乙二醇并继续搅拌反应3h，再进行洗涤、过滤，并于80℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
本实施例中，季铵盐为十六烷基三甲基溴化铵；
其中，聚乙二醇的分子量不超过1万；
步骤一中的水为纯水；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将15份稀土物质和100份磷酸钙粉末加到500份无水乙醇中并静置3h，然后进行洗涤、过滤，并于70℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
本实施例中，稀土物质为CeCl3和Dy(NO3)3按任意比例的组合物；
本实施例中，磷酸钙粉末为磷酸四钙；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至200℃，然后加入步骤一制得的15份改性锂皂石，搅拌30min后，加入步骤二制得的500份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌2h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为10000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
实施例4。
一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于65℃的350份水中，然后加入8份季铵盐和2份聚乙二醇并继续搅拌反应2.3h，再进行洗涤、过滤，并于65℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
本实施例中，季铵盐为十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基氯化铵按任意比例的组合物；
其中，聚乙二醇的分子量不超过1万；
步骤一中的水为纯水；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将7份稀土物质和60份磷酸钙粉末加到350份无水乙醇中并静置1.3h，然后进行洗涤、过滤，并于55℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
本实施例中，稀土物质为DyCl3、Sr(NO3)2、SrSO4和SrCl2按任意比例的组合物；
本实施例中，磷酸钙粉末为无定性磷酸钙和磷酸三钙按任意比例的组合物；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至160℃，然后加入步骤一制得的8份改性锂皂石，搅拌15min后，加入步骤二制得的200份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1.2h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为3000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
实施例5.
一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于80℃的450份水中，然后加入18份季铵盐和4份聚乙二醇并继续搅拌反应2.8h，再进行洗涤、过滤，并于75℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
本实施例中，季铵盐为十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基氯化铵按任意比例的组合物；
其中，聚乙二醇的分子量不超过1万；
步骤一中的水为纯水；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将14份稀土物质和90份磷酸钙粉末加到450份无水乙醇中并静置2.5h，然后进行洗涤、过滤，并于65℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
本实施例中，稀土物质为Dy(NO3)3、Dy2(SO4)3和DyCl3按任意比例的组合物；
本实施例中，磷酸钙粉末为无定性磷酸钙、磷酸三钙和磷酸四钙按任意比例的组合物；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至190℃，然后加入步骤一制得的14份改性锂皂石，搅拌25min后，加入步骤二制得的400份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1.8h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为9000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
实验：
将实施例1至4制得的医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料A～D、国外进口同类商品(型号：Jet-2A，以色列CollPlant生物3D打印公司生产)进行各种对比测试，结果如下表1所示。
表13D打印材料性能对比测试结果
| 测试指标 | a | b | c | d | Jet-2A |
| 弯曲强度(MPa) | 1.0 | 0.9 | 1.0 | 1.0 | 0.9 |
| 抗压强度(MPa) | 7.9 | 7.8 | 7.8 | 7.9 | 7.7 |
| 柔韧性(mm) | 1 | 1 | 0.5 | 1 | 2 |
| 打印精度(mm) | 0.3 | 0.4 | 0.2 | 0.3 | 0.4 |
由表1可知，本申请制备的医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料具有力学强度、柔韧性、打印精度等性能指标优异的优点，好于目前国外进口同类商品，因此值得大力推广开发。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、制备改性锂皂石：首先将锂皂石完全分散于一定温度的水中，然后加入季铵盐和聚乙二醇并继续搅拌反应一定时间，再进行洗涤、过滤，并于一定温度下干燥至恒重，即制得改性锂皂石；
步骤二、制备稀土改性磷酸钙粉末：将稀土物质和磷酸钙粉末加到无水乙醇中并静置一定时间，然后进行洗涤、过滤，并于一定温度下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末；
步骤三、制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将聚乳酸加热至一定温度，然后加入步骤一制得的改性锂皂石，搅拌一定时间后，加入步骤二制得的稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌一定时间后，降温室温冷却，并研磨至一定粒度，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
2.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，所述季铵盐为十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵中的一种或两种按任意比例的组合物。
3.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，所述聚乙二醇的分子量不超过1万。
4.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，所述稀土物质为Ce(NO3)3、Ce2(SO4)3、CeCl3、Dy(NO3)3、Dy2(SO4)3、DyCl3、Sr(NO3)2、SrSO4或SrCl2中的一种或任意两种以上按任意比例的组合物。
5.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，所述磷酸钙粉末为无定性磷酸钙、磷酸三钙或磷酸四钙中的一种或任意两种以上按任意比例的组合物。
6.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，制备改性锂皂石：首先将100份锂皂石完全分散于60～85℃的300～500份水中，然后加入5～20份季铵盐和1～5份聚乙二醇并继续搅拌反应2～3h，再进行洗涤、过滤，并于60～80℃下干燥至恒重，即制得改性锂皂石。
7.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，制备稀土改性磷酸钙粉末：将5～15份稀土物质和50～100份磷酸钙粉末加到300～500份无水乙醇中并静置1～3h，然后进行洗涤、过滤，并于50～70℃下干燥至恒重，即制得稀土改性磷酸钙粉末。
8.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，制备医用聚乳酸磷酸钙骨水泥复合3D打印材料：将100份聚乳酸加热至150～200℃，然后加入步骤一制得的5～15份改性锂皂石，搅拌10～30min后，加入步骤二制得的100～500份稀土改性磷酸钙粉末并继续搅拌1～2h后，降温室温冷却，并研磨至粒度为2000～10000目，即制得所述医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料。
9.根据权利要求1所述的一种医用聚乳酸改性磷酸钙骨水泥复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的水为纯水。
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