CN109227877A - 一种基于光固化3d打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法。该方法主要有如五个步骤：球磨骨羟基磷灰石粉末，混合造孔剂，配置光固化树脂浆料，光固化成型陶瓷坯体，坯体脱脂烧结。本发明工艺步骤相对简单，可以成型传统方式无法成型的复杂支架结构、镂空拓扑结构尤其是含有两种孔径的多孔结构，可以制作出与人体骨骼结构和成分都相似的细胞支架。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法
背景技术
羟基磷灰石生物活性陶瓷中应用最多的一种(hydroxyapatite，简称HA或HAP)，是人体和动物骨骼的主要无机成分，对于羟基磷灰石材料的研究成了国内外生物医用材料领域的主要课题之一。羟基磷灰石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。羟基磷灰石材料在人工髋关节、人工假体、义齿、手术支架、细胞支架等方面具有广泛的应用和广阔的发展前景。
羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机组成成分，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量约96Wt.％(92Vol.％)，骨头中也约占到69Wt.％。羟基磷灰石具有优良的生物相容性和生物活性，并可作为一种骨骼或牙齿的诱导因子，在口腔保健领域中对牙齿具有较好的再矿化、脱敏以及美白作用。
尽管羟基磷灰石与人体组织的骨骼成分相似，但是其生物学特性明显不同于天然骨。实际上是人体骨骼除了磷酸钙外还有一些其他的成分，如碳酸盐离子、镁、钠、磷酸氢盐组成离子和其他几种微量元素，特别是各种微量元素在骨整合的过程起着重要作用。因此使用生物骨粉制作的骨羟基磷灰石粉末制作出的生物陶瓷具有更好的生物相容性。
光固化3D打印技术是一种较为成熟的3D打印技术，有SLA立体光刻、DLP面曝光等方式。将需要制作的模型通过软件切片处理，导入光固化打印机，使用光敏树脂为原材料，利用波长约为340～420nm的紫外光对液态树脂材料进行投影，从而分层打印出模型。
骨骼作为生物体内起支撑作用的器官，其内部由相互连通的细微空洞组成，毛细血管通过这些微孔洞进入骨组织内部给细胞输送营养物质，从而完成代谢过程。在骨骼发生损伤时，体内的活性物质、营养物质通过微细结构进入到内部，骨骼在一定程度上可以进行愈合。人工支架细胞支架也需要具备一定的空隙结构，如果没有微细结构，能够成活的细胞也只是附着在人工骨外部表面，具有三维微细结构的人工细胞支架，有利于成骨细胞黏附、生长和分化。比较理想的人工细胞支架要求的平均孔径为是20-500μm，当孔径大于100μm时，有利于成骨细胞长入；孔隙在20-100μm左右时，细胞粘附在支架表面。因此，如果含有以上两种孔径的支架结构更容易促进细胞粘附在其表面并向内生长。
传统制作羟基磷灰石样件的方法有干法压制成型、注射成型、注浆成型等方法，无法制作具有复杂结构的羟基磷灰石样件，也无法制作出具有精确孔径的带有空隙的细胞支架结构。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处提供一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其特征在于所述方法包括一下步骤：
1)将生物皮质骨粉干燥、脱脂、烧结后球磨，获得生物骨羟基磷灰石粉末，其中生物皮质骨粉为人皮质骨粉、牛皮质骨粉、羊皮质骨粉、猪皮质骨粉、鱼骨粉中的一种或多种混合物；
2)将造孔剂和加入骨羟基磷灰石粉末，使用球磨机球磨分散，得到骨羟基磷灰石复合粉末，其中造孔剂占复合粉末的20～50vol％；
3)将骨羟基磷灰石复合粉末、其他助剂按比例多批次逐步加入到光固化树脂材料中，每加入一次后使用搅拌机常压搅拌，直到骨羟基磷灰石复合粉末质量分数达到50～80wt％，按重量份计分别为：
骨羟基磷灰石复合粉末：30～80份，
光固化树脂材料：20～50份，
其他助剂：1～10份；
4)将步骤3)中的预制浆料在真空搅拌机中真空搅拌，转速300～350r/min，搅拌6～12h，得到一种可用于光固化3D打印成型的多孔骨羟基磷灰石浆料；
5)使用光固化打印机将制备的多孔骨羟基磷灰石浆料3D打印成型，制作出带有造孔剂的骨羟基磷灰石坯体；
6)将骨羟基磷灰石坯体脱脂烧结，脱去坯体中的有机物和造孔剂并烧结成型，制成带有孔隙结构的羟基磷灰石细胞支架。
本发明方法中，步骤1)中所述的球磨工艺使用以下球磨参数：
优选的，球料比：1∶3～4，
优选的，氧化锆磨球直径：2～10mm，
优选的，球磨转速：100～300r/min，
优选的，球磨时间：6～24小时。
本发明方法中，步骤2)中所述的造孔剂为碳酸钙、碳酸氢、碳粉、石墨、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯缩丁醛(PVB)、柠檬酸、石蜡中的一种或多种混合。
本发明方法中，步骤3)中所述的搅拌工艺使用以下参数：
优选的搅拌转速100～200r/min，
优选的搅拌时间5～10min。
本发明方法中，步骤3)中所述的其他助剂为分散剂、阻聚剂、流平剂中的一种或多种混合物。
本发明方法中，步骤5)中所述的光固化3D打印工艺包括如下步骤：将要成型的模型切片后导入SLA或DLP光固化打印机，将骨羟基磷灰石浆料倒入打印机原料缸，通过陶瓷光固化打印机逐层打印制造，坯体成型后使用酒精清洗样件表面，将清洗后的样件放入二次固化炉进行二次固化，
优选的光固化打印层厚0.01～0.1mm，
优选的光固化光强，1000～20000μw/cm2，
优选的二次固化时间5～10min，
优选的光固化光源波长350～420。
进一步，使用DLP面曝光陶瓷打印机打印时使用如下参数：
优选的光强：2000～20000μw/cm2，
优选的曝光时间：0～10s，
优选的底部加强层数：0～5层，
优选的底部加强光强：3～5倍。
本发明方法中，步骤6)中所述的脱脂烧结其特征包括如下步骤：将陶瓷坯体放于氧化锆匣铂中，在脱脂炉内脱水、脱脂，之后在管式炉内预烧结、高温烧结，得到多孔骨羟基磷灰石细胞支架。
本发明具有一下增益效果：1.本发明使用的骨羟基磷灰石粉末中含有碳酸盐离子、镁、钠、磷酸氢盐组成离子和其他几种微量元素，可以促进成骨细胞的增殖分化，比化学合成的羟基磷灰石粉末具有更好的生物相容性；2.使用光固化的成型方式，可以3D打印出结构复杂、梯度分布、镂空结构、带有宏观孔隙的细胞支架，并且成型精度较高；3.本发明通过添加造孔剂，可以制备出具有精确微观孔径的多孔细胞支架，可以通过改变造孔剂的粒径、含量来控制细胞支架的孔径大小和空隙率。
附图说明
图1是一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架方法的工艺流程图。
图2是使用magics设计的带有宏观孔隙的多孔骨支架结构。
图3是成型样件。
图4是成型样件的工业ct扫面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进行说明。
参见图1，本发明提供一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其具体在于所述方法包括一下步骤：
1)将生物皮质骨粉干燥、脱脂、烧结后球磨，获得生物骨羟基磷灰石粉末，其中生物皮质骨粉为人皮质骨粉、牛皮质骨粉、羊皮质骨粉、猪皮质骨粉、鱼骨粉中的一种或多种混合物；
2)将造孔剂和加入骨羟基磷灰石粉末，使用球磨机球磨分散，得到骨羟基磷灰石复合粉末，其中造孔剂占复合粉末的20～50vol％；
3)将骨羟基磷灰石复合粉末、其他助剂按比例分2～5批次逐步加入到光固化树脂材料中，每加入一次后使用搅拌机常压搅拌，直到骨羟基磷灰石复合粉末质量分数达到50～80wt％，按重量份计分别为：
骨羟基磷灰石复合粉末：30～80份，
光固化树脂材料：20～50份，
其他助剂：1～10份；
7)将步骤3)中的预制浆料在真空搅拌机中真空搅拌，转速300～350r/min，搅拌6～12h，得到一种可用于光固化3D打印成型的多孔骨羟基磷灰石浆料；
8)使用光固化打印机将制备的多孔骨羟基磷灰石浆料3D打印成型，制作出骨羟基磷灰石细胞支架坯体；
9)将骨羟基磷灰石坯体脱脂烧结，脱去坯体中的有机物和造孔剂并烧结成型，制成带有孔隙结构的羟基磷灰石细胞支架。
本发明方法中，步骤1)中所述的球磨工艺使用以下球磨参数：
优选的，球料比：1∶3～4，
优选的，氧化锆磨球直径：2～10mm，
优选的，球磨转速：100～300r/min，
优选的，球磨时间：6～24小时。
本发明方法中，步骤2)中所述的造孔剂为碳酸钙、碳酸氢、碳粉、石墨、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯缩丁醛(PVB)、柠檬酸、石蜡中的一种或多种混合。
本发明方法中，步骤3)中所述的搅拌工艺使用以下参数：
优选的搅拌转速100～200r/min，
优选的搅拌时间5～10min。
本发明方法中，步骤3)中所述的其他助剂为分散剂、阻聚剂、流平剂中的一种或多种混合物。
本发明方法中，步骤5)中所述的光固化3D打印工艺包括如下步骤：将要成型的模型切片后导入SLA或DLP光固化打印机，将骨羟基磷灰石浆料倒入打印机原料缸，通过陶瓷光固化打印机逐层打印制造，坯体成型后使用酒精清洗样件表面，将清洗后的样件放入二次固化炉进行二次固化，
优选的光固化打印层厚0.01～0.1mm，
优选的光固化光强，1000～20000μw/cm2，
优选的二次固化时间5～10min，
优选的光固化光源波长350～420。
本发明方法中，步骤6)中所述的脱脂烧结其特征包括如下步骤：将陶瓷坯体放于氧化锆匣铂中，在脱脂炉内脱水、脱脂，之后在管式炉内预烧结、高温烧结，得到多孔骨羟基磷灰石细胞支架。
实施例1，多孔牛骨羟基磷灰石细胞支架
1.使用粉碎机将牛皮质骨粉碎后使用乙醇脱水脱脂，使用乙醇超声波清洗后干燥。在700℃煅烧2h后研磨过一百目筛。
2.将牛皮质骨粉末放入行星式球磨机，使用直径3～5mm的氧化锆磨球，球料比1∶4，球磨转速250～300r/min，球磨12～14h，制得平均粒径小于20μm的牛骨羟基磷灰石粉末。
3.将球磨后的牛骨羟基磷灰石粉末同碳粉按质量比4∶1球磨分散。
4.将骨羟基磷灰石复合粉末和其他助剂分三次加入光固化树脂中，每次加入后常压搅拌5～10分钟，知道牛骨羟基磷灰石复合粉末重量达到60wt％。
5.将细胞支架模型导入DLP光固化打印机，将多孔骨羟基磷灰石浆料倒入打印机原料缸，通过陶瓷光固化打印机逐层打印制造。
6.坯体成型后使用酒精清洗样件表面，用气泵将清洗后的样件吹干，放入二次固化炉进行二次固化5～10min。
7.将多孔细胞支架坯体放入脱脂炉中，在0～500℃真空脱脂，其中升温速率90℃/h，当温度升至500℃时保温2h；在500～900℃中热风脱脂，其中升温速率90℃/h，当温度升至900℃时预烧结2h，后随炉冷却。
8.将预烧结件放入烧结炉，在1100℃烧结2h，其中升温速率在0～500℃为90℃/h，在900～1100℃为60℃/h，后随炉冷却，得到多孔牛骨羟基磷灰石细胞支架。
Claims (6)
1.一种基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其特征在于所述方法包括一下步骤：
1)将生物皮质骨粉干燥、脱脂、烧结后球磨，获得生物骨羟基磷灰石粉末，其中生物皮质骨粉为人皮质骨粉、牛皮质骨粉、羊皮质骨粉、猪皮质骨粉、鱼骨粉中的一种或多种混合物；
2)将造孔剂加入骨羟基磷灰石粉末，使用球磨机球磨分散，得到骨羟基磷灰石复合粉末，其中造孔剂占复合粉末的20～50vol％；
3)将骨羟基磷灰石复合粉末、其他助剂按比例分批次逐步加入到光固化树脂材料中，每加入一次后使用搅拌机常压搅拌，直到骨羟基磷灰石复合粉末质量分数达到50～80wt％，按重量份计分别为：
骨羟基磷灰石复合粉末：30～80份，
光固化树脂材料：20～50份，
其他助剂：1～10份；
4)将步骤3)中的预制浆料在真空搅拌机中真空搅拌，转速300～350r/min，搅拌6～12h，得到一种可用于光固化3D打印成型的多孔骨羟基磷灰石浆料；
5)将带有宏观孔隙的stl格式模型切片后导入打印机；
6)打印带有宏观孔隙的结构制作出带有造孔剂的骨羟基磷灰石坯体；
7)将骨羟基磷灰石坯体脱脂烧结，脱去坯体中的有机物和造孔剂并烧结成型，制成带有两种尺寸孔隙结构的羟基磷灰石细胞支架。
2.根据权利要求1所述基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其特征在于，步骤2)中所述的造孔剂为碳酸钙、碳酸氢、碳粉、石墨、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯缩丁醛(PVB)、柠檬酸、石蜡中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其特征在于，步骤3)中所述的其他助剂为分散剂、阻聚剂、流平剂中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，步骤5)中所述的带有宏观孔隙的模型上分布有孔径在0.5-2mm左右的通孔。
5.根据权利要求1所述基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，其特征在于，步骤6)中所述的光固化3D打印工艺包括如下步骤：将要成型的模型切片后导入SLA或DLP光固化打印机，通过陶瓷光固化打印机逐层打印制造，将清洗后的样件放入二次固化炉进行二次固化，
优选的光固化打印层厚0.01～0.1mm，
优选的光固化光强，1000～20000μw/cm2，
优选的二次固化时间5～10min，
优选的光固化光源波长350～420nm。
6.根据权利要求1所述基于光固化3D打印技术成型的多孔骨羟基磷灰石陶瓷细胞支架的方法，步骤7)中所述的脱脂烧结其特征包括如下步骤：将陶瓷坯体放在脱脂炉内脱水、脱脂，之后在管式炉内预烧结、高温烧结，得到多同时含有尺寸分别在20-100μm和200-700μm大小孔隙的骨羟基磷灰石细胞支架。
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