CN109865157A - 一种基于光固化3d打印陶瓷骨支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征是：采用光固化(SLA)3D打印技术制备个性化ZTA多孔骨支架，将CSC与ZTA陶瓷骨支架填充复合，从而将CSC优良的骨引导、骨诱导性能与ZTA陶瓷骨支架优异的力学性能、生物相容性等有机的结合起来，有望作为有效的骨修复材料，为陶瓷骨支架的临床应用提供一种选择方法。实现步骤包括：陶瓷骨支架三维数字化模型的设计；陶瓷骨支架坯体的3D打印；陶瓷骨支架坯体的后处理；陶瓷骨支架坯体的排胶、预烧与烧结及复合陶瓷骨支架的制备等。陶瓷骨支架由于无金属离子溶出，不会导致过敏反应，已得到广泛研究。采用三维数字化技术制备的陶瓷骨支架能够为患者提供更好的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于生物陶瓷材料制备技术领域，具体涉及到一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法。
背景技术
因病理因素(如骨关节炎、骨肿瘤等)或创伤因素造成患者骨骼变形、缺损、疼痛等，在骨关节等外科手术中，常常需要植入人工骨支架来修复相应部位，现有技术的主要缺点是骨支架与手术部位的形态拟合性较差，手术过程中常需反复尝试各种型号的骨支架，加重局部创伤，延长手术时间。同时，由于骨支架自身选材问题，使得骨支架主要的力学支撑功能和生物功能长期稳定性较差，甚至引起患者的过敏反应，造成置换手术的失败。运用三维数字化制备技术，术前构建骨缺损部位的三维数字模型，可为患者“量身定制”高精度的植入骨支架制品及手术方案，从而提高手术成功率，使手术更精确、更安全。同时，三维数字化技术可以制造结构形状复杂、梯度性能一体化设计的非标、个体化的骨支架，满足不同患者的需求。
陶瓷骨支架由于无金属离子溶出，不会导致过敏反应，已得到广泛研究。目前，基于羟基磷灰石、β-磷酸三钙或与高分子复合的陶瓷基骨支架具有较好的生物相容性，但其力学性能及长期稳定性有待提高。ZrO2增韧Al2O3陶瓷基材料(ZTA)具有稳定的物理化学性能和优异的力学、热学性能及生物相容性能等，应用ZTA陶瓷材料制备的第四代陶瓷髋关节，其使用寿命已达到15～20年以上。
本世纪初期，硅酸钙骨水泥(CSC)的研究表明，其具有磷酸钙骨水泥(CPC)的优点。前期研究发现，CSC不仅力学性能优于CPC且生物降解速度仅为CPC的30％-50％。前期体外实验表明CSC对成骨细胞(osteoblasts)并无明显毒性，从而证明CSC的生物相容性，CSC逐步获得临床上的认可。同时，CSC具备载药性，可以搭载多种无机或有机类药物，通过CSC体内降解，达到药物缓释与控释的目标。体内生物降解会使CSC缓慢释放硅酸根离子(SiO44-)，从而使CSC具有很强的骨引导与骨诱导性。
发明内容
鉴于此，本发明的目的就是采用光固化(SLA)3D打印技术制备个性化ZTA多孔骨支架，将CSC与ZTA陶瓷骨支架填充复合，从而将CSC优良的骨引导、骨诱导性能与ZTA陶瓷骨支架优异的力学性能、生物相容性等有机的结合起来，有望作为有效的骨修复材料，为陶瓷骨支架的临床应用提供一种选择方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，采用以下步骤：
(1)陶瓷骨支架三维数字化模型的设计：结合患者骨损伤CT图，应用UG、Solidworks等三维设计软件设计出陶瓷骨支架的三维数字化模型，转换为STL格式导入到Magics切片软件中，对陶瓷骨支架的三维数字化模型进行加支撑、切片处理，支撑设计厚度为3～5mm，切片厚度为80～125μm，将切片后的数字模型以STL格式导出备用；
(2)陶瓷骨支架坯体的3D打印制备：将ZTA光敏陶瓷浆料倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中开始打印，调整优化工艺参数，打印制备出ZTA陶瓷骨支架坯体；
(3)陶瓷骨支架坯体的后处理：去除陶瓷骨支架坯体上的支撑，然后超声清洗去除骨支架表面及内部孔道中粘附的浆料，将清洗后的骨支架进行5～10分钟紫外固化提高强度；
(4)陶瓷骨支架坯体的排胶、预烧与烧结：将固化后的骨支架坯体放入陶瓷坩埚中，然后转移到电阻丝炉中，在空气气氛下将有机树脂充分排除坯体，继续升温预烧，然后自然降温到常温备用。将排胶、预烧后的坯体进行埋粉(高温处理后的氧化铝粉)后转移到高温烧结炉中进行烧结，冷却后得到烧结致密化的ZTA陶瓷骨支架；
(5)复合陶瓷骨支架的制备：制备出硅酸钙骨水泥浆料，将ZTA陶瓷骨支架浸入到硅酸钙骨水泥浆料中，通过超声震荡、真空处理后，促进硅酸钙骨水泥浆料的填充率，取出骨支架，经50～120℃低温处理去除乙醇和水，从而制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架。其中，硅酸钙包覆ZTA陶瓷骨支架的表面或填充其孔隙、以及连通孔道。
所述ZTA光敏陶瓷浆料是由ZTA陶瓷配方粉与光敏树脂组成，经行星式球磨机混合制备，浆料配比为30～50vol％ZTA陶瓷粉体︰50～70vol％光敏树脂，其中ZTA陶瓷配方粉配比为10～45wt％Y-TZP︰54～89wt％Al2O3︰1wt％MgO-Cr2O3-SrO；
所述3D陶瓷打印机激光器的波长为355nm，光斑直径为0.10～0.14mm，支撑扫描速度为1000～1500mm/s，填充扫描速度为1200～1800mm/s，扫描间距为0.03～0.08mm，轮廓扫描速度为3000～5000mm/s；
所述排胶工艺为0.5～1.0℃/分钟升温至600℃，保温1～2小时，然后以5～10℃/分钟升温至1100℃，保温1～2小时，所述埋粉为采用高温处理后的氧化铝粉，所述烧结工艺为以3～5℃/分钟升温至1500～1650℃，保温2～5小时，使陶瓷骨支架坯体烧结致密，然后随炉自然冷却至常温；
所述硅酸钙骨水泥浆料的制备工艺为，将不同比例的硅酸钙粉末((CaO)2SiO2、(CaO)3SiO2)与水混合，制备不同粘稠度及流动性的水合硅酸钙浆料，在浆料中添加不同分子量(400-1200、2000-5000及6000-8000)的聚乙二醇-乙醇混合物从而增加浆料的流动性、润湿性，并减少空气的残留，硅酸钙骨水泥浆料的配比为20～60wt％硅酸钙粉末︰35～75w％t蒸馏水︰1～5wt％聚乙二醇-乙醇混合物；
所述复合陶瓷骨支架的制备为将ZTA陶瓷骨支架放入盛装有硅酸钙骨水泥浆料的容器中，将容器放置于超声浴中超声震荡5～10分钟，将容器转移至真空干燥箱中，真空度为-0.1MPa，处理时间为10～30分钟；
所述复合陶瓷骨支架经50～120℃低温处理去除乙醇和水，具体为：在烘箱中50℃环境干燥2～5小时，除去乙醇和部分水，120℃环境干燥2～5小时，充分除去水分，最终制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架。
与现有技术相比，本发明具有以下优异效果：
(1)与传统工艺相比，该方法能够根据患者损伤CT图片，为患者量身定制形状复杂的陶瓷骨支架制品；
(2)制备过程无需模具，制备周期短，能及时满足患者需求，减轻患者的疼痛；
(3)制备的ZTA陶瓷骨支架由致密的陶瓷体构成筋状或连通孔道外壁，通过筋状或连通孔道外壁在三维空间的构形，从而制备出多孔的陶瓷骨支架，解决了目前陶瓷骨支架高孔隙率与力学性能相互制约的问题；
(4)制备的复合陶瓷骨支架为永久性植入体，支架表面、孔隙或通孔内的CSC被人体降解、吸收时，将引导成骨组织在ZTA陶瓷骨支架的表面或特定位置的形成，从而形成由骨组织包覆ZTA形成的植入体，具有良好的生物功能和力学功能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例
(1)根据患者CT图，采用Solidworks软件设计骨缺损部位外型轮廓、空间结构分布的三维数字模型，转换成STL格式后导入到Magics切片软件中，设计支撑后进行切片处理，切片厚度为100μm，将切片后的数字模型以STL格式导出备用；
(2)将配制好的ZTA光敏陶瓷浆料200ml(45vol％ZTA陶瓷粉体︰55vol％光敏树脂，其中ZTA陶瓷配方粉配比为25wt％Y-TZP︰74wt％Al2O3︰1wt％MgO-Cr2O3-SrO)倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中，调整优化工艺参数为：光斑直径0.14mm，支撑扫描速度为1000mm/s，填充扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.06mm，轮廓扫描速度为5000mm/s，打印制备出ZTA陶瓷坯体；
(3)去除ZTA骨支架坯体上的支撑并进行超声清洗，清洗溶剂为无水乙醇，将无水乙醇分别倒入3个烧杯中，将坯体逐次放入到烧杯中超声清洗，清洗时间分别为3分钟、2分钟和1分钟，充分去除粘附的陶瓷浆料，将清洗完毕的坯体转移到紫外固化箱中固化6分钟，提高坯体强度；
(4)将骨支架坯体放入到坩埚中，将坩埚放入电阻丝炉中，在空气气氛下，1℃/分钟升温至600℃，保温2.0小时，然后从室温状态以5℃/分钟升温至1100℃，保温1小时，然后随炉自然降温到常温；对排胶、预烧后的骨支架坯体埋粉后，转移至硅钼棒高温烧结炉中，以5℃/分钟升温至1550℃，保温3小时，然后随炉自然冷却至常温，制备出ZTA陶瓷骨支架；
(5)称取硅酸钙粉末150g((CaO)2SiO250g、(CaO)3SiO2100g)，蒸馏水200g，聚乙二醇-乙醇混合物(30wt％︰70wt％)12g进行球磨混合，转速为300转/分钟，球磨3h，制备出硅酸钙骨水泥浆料；
(6)将ZTA陶瓷骨支架放入盛装有硅酸钙骨水泥浆料的烧杯中，将烧杯放置于超声浴中超声震荡5分钟，将烧杯转移至真空干燥箱中，真空度为-0.1MPa，处理时间为30分钟；
(7)将复合后的陶瓷骨支架放置在烘箱中，50℃干燥2小时，除去乙醇和部分水，120℃干燥5小时，充分除去水分，最终制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架。
制备的复合陶瓷骨支架为永久性植入体，支架表面、孔隙或通孔内的硅酸钙被人体降解、吸收时，将引导成骨组织在ZTA陶瓷骨支架的表面或特定位置的形成，从而形成由骨组织包覆ZTA形成的植入体，具有良好的生物功能和力学功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，该方法是通过下述步骤实现的：
(1)陶瓷骨支架三维数字化模型的设计：结合患者骨损伤CT图，应用UG、Solidworks三维设计软件设计出陶瓷骨支架的三维数字化模型，转换为STL格式导入到Magics切片软件中，对陶瓷骨支架的三维数字化模型进行加支撑、切片处理，支撑设计厚度为3～5mm，切片厚度为80～125μm，将切片后的数字模型以STL格式导出备用；
(2)陶瓷骨支架坯体的3D打印制备：将ZTA光敏陶瓷浆料倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中开始打印，调整优化工艺参数，打印制备出ZTA陶瓷骨支架坯体；
(3)陶瓷骨支架坯体的后处理：去除陶瓷骨支架坯体上的支撑，然后超声清洗去除骨支架表面及内部孔道中粘附的浆料，将清洗后的骨支架进行5～10分钟紫外固化提高强度；
(4)陶瓷骨支架坯体的排胶、预烧与烧结：将固化后的骨支架坯体放入陶瓷坩埚中，然后转移到电阻丝炉中，在空气气氛下将有机树脂充分排除坯体，继续升温预烧，然后自然降温到常温备用，将排胶、预烧后的坯体进行埋粉后转移到高温烧结炉中进行烧结，冷却后得到烧结致密化的ZTA陶瓷骨支架；
(5)复合陶瓷骨支架的制备：制备出硅酸钙骨水泥浆料，将ZTA陶瓷骨支架浸入到硅酸钙骨水泥浆料中，通过超声震荡、真空处理后，促进硅酸钙骨水泥浆料的填充率，取出骨支架，经50～120℃低温处理去除乙醇和水，从而制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架，其中，硅酸钙包覆ZTA陶瓷骨支架的表面或填充其孔隙以及连通孔道。
2.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述ZTA光敏陶瓷浆料是由ZTA陶瓷配方粉与光敏树脂组成，经行星式球磨机混合制备，浆料配比为30～50vol％ZTA陶瓷粉体︰50～70vol％光敏树脂，其中ZTA陶瓷配方粉配比为10～45wt％Y-TZP︰54～89wt％Al2O3︰1wt％MgO-Cr2O3-SrO。
3.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述3D陶瓷打印机激光器的波长为355nm，光斑直径为0.10～0.14mm，支撑扫描速度为1000～1500mm/s，填充扫描速度为1200～1800mm/s，扫描间距为0.03～0.08mm，轮廓扫描速度为3000～5000mm/s。
4.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述排胶工艺为0.5～1.0℃/分钟升温至600℃，保温1～2小时，然后以5～10℃/分钟升温至1100℃，保温1～2小时，所述烧结工艺为以3～5℃/分钟升温至1500～1650℃，保温2～5小时，使陶瓷骨支架坯体烧结致密，然后随炉自然冷却至常温。
5.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述硅酸钙骨水泥浆料的制备工艺为，将不同比例的硅酸钙粉末(CaO)2SiO2、(CaO)3SiO2与水混合，制备不同粘稠度及流动性的水合硅酸钙浆料，在浆料中添加不同分子量400-1200、2000-5000及6000-8000的聚乙二醇-乙醇混合物从而增加浆料的流动性、润湿性，并减少空气的残留，硅酸钙骨水泥浆料的配比为20～60wt％硅酸钙粉末︰35～75w％t蒸馏水︰1～5wt％聚乙二醇-乙醇混合物。
6.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述复合陶瓷骨支架的制备为将ZTA陶瓷骨支架放入盛装有硅酸钙骨水泥浆料的容器中，将容器放置于超声浴中超声震荡5～10分钟，将容器转移至真空干燥箱中，真空度为-0.1MPa，处理时间为10～30分钟。
7.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，其特征在于：所述复合陶瓷骨支架经50～120℃低温处理去除乙醇和水，具体为：在烘箱中50℃环境干燥2～5小时，除去乙醇和部分水，120℃环境干燥2～5小时，充分除去水分，最终制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架。
8.如权利要求1所述的一种基于光固化3D打印陶瓷骨支架的制备方法，该方法是通过下述具体步骤和工艺条件实现的：
(1)根据患者CT图，采用Solidworks软件设计骨缺损部位外型轮廓、空间结构分布的三维数字模型，转换成STL格式后导入到Magics切片软件中，设计支撑后进行切片处理，切片厚度为100μm，将切片后的数字模型以STL格式导出备用；
(2)将配制好的ZTA光敏陶瓷浆料200ml的45vol％ZTA陶瓷粉体︰55vol％光敏树脂，其中ZTA陶瓷配方粉配比为25wt％Y-TZP︰74wt％Al2O3︰1wt％MgO-Cr2O3-SrO倒入光固化3D陶瓷打印机的料槽中，将切片处理后的数字化模型导入到执行软件中，调整优化工艺参数为：光斑直径0.14mm，支撑扫描速度为1000mm/s，填充扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.06mm，轮廓扫描速度为5000mm/s，打印制备出ZTA陶瓷坯体；
(3)去除ZTA骨支架坯体上的支撑并进行超声清洗，清洗溶剂为无水乙醇，将无水乙醇分别倒入3个烧杯中，将坯体逐次放入到烧杯中超声清洗，清洗时间分别为3分钟、2分钟和1分钟，充分取出粘附的陶瓷浆料，将清洗完毕的坯体转移到紫外固化箱中固化3分钟，提高坯体强度；
(4)将骨支架坯体放入到坩埚中，将坩埚放入电阻丝炉中，在空气气氛下，1℃/分钟升温至600℃，保温2.0小时，然后从室温状态以5℃/分钟升温至1100℃，保温1小时，然后随炉自然降温到常温；对排胶、预烧后的骨支架坯体埋粉后，转移至硅钼棒高温烧结炉中，以5℃/分钟升温至1550℃，保温3小时，然后随炉自然冷却至常温，制备出ZTA陶瓷骨支架；
(5)称取硅酸钙粉末150g的(CaO)2SiO250g、(CaO)3SiO2100g，蒸馏水200g，聚乙二醇-乙醇混合物30wt％︰70wt％12g进行球磨混合，转速为300转/分钟，球磨3h，制备出硅酸钙骨水泥浆料；
(6)将ZTA陶瓷骨支架放入盛装有硅酸钙骨水泥浆料的烧杯中，将烧杯放置于超声浴中超声震荡5分钟，将烧杯转移至真空干燥箱中，真空度为-0.1MPa，处理时间为30分钟；
(7)将复合后的陶瓷骨支架放置在烘箱中，50℃干燥2小时，除去乙醇和部分水，120℃干燥5小时，充分除去水分，最终制备出硅酸钙骨水泥-ZTA复合陶瓷骨支架。
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