CN108530052A - 一种利用凝胶效应3d打印人陶瓷人工骨的方法 - Google Patents

一种利用凝胶效应3d打印人陶瓷人工骨的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，包括：预先将羟基磷灰石和磷酸三钙中至少一种与二氧化硅胶体搅拌混合，得到浆料；按照基于目标形状设定的打印方案，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射；将打印好的半成品干燥后进行烧结，制得成品。本发明3D打印人陶瓷人工骨的方法采用具有生物活性和可降解的生医陶瓷作为主要材料，结合其多孔结构能够很好于骨组织中进行骨结合同时诱导骨再生。本发明制作多孔结构人工骨的3d打印和选择性激光镭射工艺，不仅简化了制造工艺，且可针对不同植入形状需求进行个性化设计。本发明所制备的人工骨为一体成型，不仅重量轻，而且结构强度高，成型效果好。

Description

一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法
技术领域
本发明涉及生物陶瓷技术领域，尤其涉及一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法。
背景技术
骨科植入材料有高分子材料，金属材料，陶瓷材料。高分子和金属材料的骨科植入物生物相容性和生物活性不足，骨结合能力不强，导致植入产品失效和二次更换风险较高。
目前研究较多的生物陶瓷材料羟基磷灰石(HAP)和磷酸三钙(βTCP)，羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，它能与机体组织在界面上实现化学键性结合，其在体内有一定的溶解度，能参与体内代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示出生物活性。磷酸三钙成分与骨基质的无机成分相似，与骨结合好，良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性，生物降解速度要快于羟基磷灰石。
现有一些方案当中，单一的材料配方未能平衡降解和骨生长之间的速度。羟基磷灰石降解较慢，未能为骨生长提供空间；磷酸三钙降解较快，新骨组织未有生长成型，就已经失去了支架支撑和引导。同时传统的成型方案中，成型效果为实心，不能有利于血管延伸生长进入，不能为骨组织成长提供养分。
因此，现有技术还有待进一步发展。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，以解决现有生物陶瓷材料及工艺不能平衡降解和骨生长速度的问题。
一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，包括：
预先将羟基磷灰石和磷酸三钙中至少一种与二氧化硅胶体搅拌混合，得到浆料；
按照基于目标形状设定的打印方案，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射；
将打印好的半成品干燥后进行烧结，制得成品。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，浆料由羟基磷灰石、磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石和磷酸三钙两者所占浆料的质量百分比为55-90％。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，浆料由羟基磷灰石、二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石所占浆料的质量百分比为55-90％。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，浆料由磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，磷酸三钙所占浆料的质量百分比为55-90％。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，原料混合前通过球磨设备进行球磨，球磨时间1-4h，所制得浆料粘度为1200-4200cp。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，所述基于目标形状设定打印方案具体为：将目标形状进行三维建模，将三维模型分解为厚度超过0.05mm的薄层，确定每一薄层激光镭射位点。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射具体为：将浆料转移到3D打印设备的打印仓中，打印过程中，打印仓下降一个层厚，3D打印设备的刮刀进行平刮铺料，铺料的厚度为层厚，之后激光进行选择性镭射，完成一层后再进行下一层作业。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，打印好的半成品放入烘箱中进行干燥，烘箱温度不超过200℃，烘干时间不超过100min。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，采用马弗炉进行烧结，烧结温度为800℃到1400℃。
所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，打印过程中每一薄层上均排布微孔，打印好的半成品为多孔结构，孔间隙为0.2mm-2mm之间。
本发明实施例提供的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其采用用具有生物活性和可降解的生医陶瓷作为主要材料，结合其多孔结构能够很好于骨组织中进行骨结合同时诱导骨再生。本发明制作多孔结构人工骨的3d打印和选择性激光镭射工艺，不仅简化了制造工艺，且可针对不同植入形状需求进行个性化设计。本发明所制备的人工骨为一体成型，不仅重量轻，而且结构强度高，成型效果好。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其中，包括：
S1、预先将羟基磷灰石和磷酸三钙中至少一种与二氧化硅胶体搅拌混合，得到浆料。其中，原料混合前通过球磨设备进行球磨，球磨时间1-4h，所制得浆料粘度为1200-4200cp，混合均匀后得到浆料。
优选实施例中，浆料由羟基磷灰石、磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，利用凝胶效应成型。其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石和磷酸三钙两者所占浆料的质量百分比为55-90％。
当然另一实施例中，浆料由羟基磷灰石、二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石所占浆料的质量百分比为55-90％。
另一实施例中，浆料由磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，磷酸三钙所占浆料的质量百分比为55-90％。
S2、按照基于目标形状设定的打印方案，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射。
所述基于目标形状设定打印方案具体为：将目标形状进行三维建模(三维图纸STL格式)，将三维模型分解为厚度超过0.05mm的薄层，确定每一薄层激光镭射位点。
当镭射激光照射浆料时，被照射的部分加热且失去水分，由于凝胶效应，浆料加速凝固成为固体，实现成型。
具体的，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射具体为：将浆料转移到3D打印设备的打印仓中，打印过程中，打印仓下降一个层厚，3D打印设备的刮刀进行平刮铺料，铺料的厚度为层厚，之后激光进行选择性镭射，完成一层后再进行下一层作业。
其中，打印过程中每一薄层上均排布微孔，打印好的半成品为多孔结构，所形成的孔间隙为0.2mm-2mm之间。
S3、将打印好的半成品干燥后进行烧结，制得成品。
具体的，打印好的半成品放入烘箱中进行干燥，烘箱温度不超过200℃，烘干时间不超过100min。
具体的，采用马弗炉进行烧结，烧结温度为800℃到1400℃。
本发明实施例提供的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其采用用具有生物活性和可降解的生医陶瓷作为主要材料，结合其多孔结构能够很好于骨组织中进行骨结合同时诱导骨再生，即实现满足骨生长速度，降解释放的离子能够诱导骨再生，同时为骨生长提供空间的效果。本发明制作多孔结构人工骨的3d打印和选择性激光镭射工艺，无需开模，简化了制造工艺，且可针对不同植入形状需求进行个性化设计。本发明所制备的人工骨为一体成型，不仅重量轻，结构强度高，成型效果好，且可以永久留在患者体内。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，包括：
预先将羟基磷灰石和磷酸三钙中至少一种与二氧化硅胶体搅拌混合，得到浆料；
按照基于目标形状设定的打印方案，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射；
将打印好的半成品干燥后进行烧结，制得成品。
2.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，浆料由羟基磷灰石、磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石和磷酸三钙两者所占浆料的质量百分比为55-90％。
3.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，浆料由羟基磷灰石、二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，羟基磷灰石所占浆料的质量百分比为55-90％。
4.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，浆料由磷酸三钙和二氧化硅胶体混合而成，其中，二氧化硅胶体占浆料的质量百分比为10-45％，磷酸三钙所占浆料的质量百分比为55-90％。
5.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，原料混合前通过球磨设备进行球磨，球磨时间1-4h，所制得浆料粘度为1200-4200cp。
6.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，所述基于目标形状设定打印方案具体为：将目标形状进行三维建模，将三维模型分解为厚度超过0.05mm的薄层，确定每一薄层激光镭射位点。
7.根据权利要求6所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，以浆料作为3D打印原料进行逐层铺设，并利用激光逐层进行选择性镭射具体为：将浆料转移到3D打印设备的打印仓中，打印过程中，打印仓下降一个层厚，3D打印设备的刮刀进行平刮铺料，铺料的厚度为层厚，之后激光进行选择性镭射，完成一层后再进行下一层作业。
8.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，打印好的半成品放入烘箱中进行干燥，烘箱温度不超过200℃，烘干时间不超过100min。
9.根据权利要求1所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，采用马弗炉进行烧结，烧结温度为800℃到1400℃。
10.根据权利要求6所述的利用凝胶效应3D打印人陶瓷人工骨的方法，其特征在于，打印过程中每一薄层上均排布微孔，打印好的半成品为多孔结构，孔间隙为0.2mm-2mm之间。
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