CN111544644B - 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用 - Google Patents

一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111544644B
CN111544644B CN202010410971.9A CN202010410971A CN111544644B CN 111544644 B CN111544644 B CN 111544644B CN 202010410971 A CN202010410971 A CN 202010410971A CN 111544644 B CN111544644 B CN 111544644B
Authority
CN
China
Prior art keywords
calcium phosphate
scaffold
pore
powder
pore structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010410971.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111544644A (zh
Inventor
张欣悦
胡新广
李艳辉
董东东
王岳亮
卢冰文
马文有
李福海
陈兴驰
刘敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences filed Critical Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority to CN202010410971.9A priority Critical patent/CN111544644B/zh
Publication of CN111544644A publication Critical patent/CN111544644A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111544644B publication Critical patent/CN111544644B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2835—Bone graft implants for filling a bony defect or an endoprosthesis cavity, e.g. by synthetic material or biological material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2002/30985—Designing or manufacturing processes using three dimensional printing [3DP]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12—Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用。本发明使用磷酸钙墨水，采用3D打印技术制备得到多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。所制备得到的多尺度孔隙结构磷酸钙支架同时具有孔径为0.1mm‑2mm大孔、孔径为0.1μm‑90μm微孔和孔径为0.1nm‑900nm微纳孔的多尺度孔隙结构，总孔隙率为30‑70％。本发明同时具备个性化定制、增材制造自由快速成形和磷酸钙支架理想孔隙结构等多重优势，通过所采用的制备方法，可短时间内为不同患者的骨缺损提供最优的修复方案。

Description

一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用
技术领域
本发明涉及3D打印制造技术领域，具体而言，涉及一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用。
背景技术
当患者存在大段骨缺损、局部软组织条件欠佳或合并感染等不利因素的情况下，骨组织的自我修复显得力有不逮，常导致骨折延迟愈合、骨不连或肢体不等长等严重并发症，甚至被迫截肢以保全性命。这给骨缺陷患者的后期生活带来了极大痛苦和不便，因此需要一种类骨组织材料来修复/替代骨骼缺损部位，达到填充骨缺损、生物力学支撑、骨传导和诱导骨形成的作用，取得和自然骨相同/相似的功能。
基于仿生原理，理想的骨修复支架应具备以下几个特性：与人体骨相近的孔隙结构及生物力学性能、良好的生物相容性、生物活性、骨诱导性和生物降解性。其中良好的孔隙结构是关键，大量的孔隙能为成骨细胞的依附提供环境，从而诱导细胞的分化与增殖，并且为细胞运输、营养物质交换和体液循环提供环境。研究者指出基于增强骨组织、促进毛细血管生长的需要，修复支架的孔径需要大于300μm。孔径对支架的骨诱导和成骨性能有显著影响，Kuboki等人将两种不同孔径(分别为0.09-0.12mm和0.35mm)的蜂窝状BMPBMP-2缓释磷酸钙支架植入小鼠皮下，结果大孔支架上有新骨生成，而小孔径支架上仅有软骨生成。之后大量研究表明，尺寸分布的影响也不可忽视：宏观尺寸的大孔(>100μm)对骨组织形成具有至关重要的影响，而更小尺寸的微孔(10-100μm)、微纳孔(<10μm)以及支架孔壁粗糙度也会影响细胞附着生长，也影响着支架的最终修复效果。
磷酸三钙由于与骨基质的钙盐成分非常接近，在生物相容性方面的优势突出，并且在生理PH条件下，磷酸三钙植入后可逐渐降解，最终被新生骨代替，因此成为了现阶段骨组织工程支架相关研究中最常用的材料。目前，磷酸三钙骨修复支架的成形方法繁多。传统的成形方法有冷冻干燥法、气体发泡法和溶胶-凝胶法，这些方法制备的支架虽然孔隙率高，有利于细胞的生长和蛋白的吸附，但对支架的孔径、孔径分布、几何结构等方面的控制有极大的不确定性。且上述方法生产的规格化、批量化修复支架并不能满足个体化治疗的需要，成因不同、形态各异的骨缺损无法得到个性化解剖匹配及个体化力学性能最优修复重建。近些年来，3D打印即增材制造技术得到了快速的发展和推广，相比于传统的“减材”制造，3D打印技术体现出两个显著优势：首先3D打印几乎能制造出任何复杂几何形状、复杂内部结构的产品；其次3D打印完全是依照3D设计为蓝图而进行，对设计的修改甚为便捷。因此，3D打印是一种“量身定做”，可精确设计和控制支架的孔隙结构和几何形状，针对不同患者的骨缺损部位作出个性化定制方案，在临床医学尤其是骨科得到了大量的研究应用。
检索近30年文献，尚未检索到利用3D打印技术(增材制造技术)结合不同粒径的造孔剂，通过逐层喷射沉积磷酸三钙墨水，制备(定制)大孔-微孔-微纳孔多尺度孔隙结构磷酸钙骨修复支架的专利、文献及其相关报道。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
本发明实施例提供一种用于制备多尺度孔隙结构磷酸钙支架的磷酸钙墨水，该磷酸钙墨水包括以下体积份数的组分：磷酸三钙粉末30-65份、造孔剂粉末5-30份、助剂1-5份和去离子水20-50份，造孔剂粉末由粒度1μm-100μm的粗粉与粒度1nm-1000nm的细粉混合而成，且粗粉与细粉的质量比为0.5-20：1。
本发明实施例还提供一种利用上述的磷酸钙墨水制备的多尺度孔隙结构磷酸钙支架，该磷酸钙支架同时具有孔径为0.1mm-2mm大孔、孔径为0.1μm-90μm微孔和孔径为0.1nm-900nm微纳孔的多尺度孔隙结构，且总孔隙率为30-70％。
本发明实施例还提供一种上述多尺度孔隙结构磷酸钙支架的制备方法，使用磷酸钙墨水，采用3D打印技术制备得到多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。
本发明实施例还提供一种上述的多尺度孔隙结构磷酸钙支架在生物医用材料领域中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用。本发明中的磷酸钙墨水，包括不同粒度的粗细粉，使其在多尺度孔隙结构磷酸钙支架的制备过程中，造孔剂粉末受热分解，可以留下微米级和纳米级孔隙。以磷酸钙墨水作为打印原料，针对不同患者的骨缺损部位做出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型；然后喷头逐层、有选择地喷射沉积磷酸钙墨水，打印出具有毫米级孔隙的磷酸钙支架型坯；随后经过干燥烧结使墨水中的造孔剂分解，留下微米级和纳米级孔隙，制备出具有大孔-微孔-微纳孔的多尺度孔隙结构磷酸钙支架。因此以上提供的方法同时具备个性化定制、增材制造自由快速成形和磷酸钙支架理想孔隙结构等多重优势，通过方法，可短时间内为不同患者的骨缺损提供了最优的修复方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中的打印成型的多尺度孔隙结构的磷酸钙支架型坯(a)；烧结后支架中孔径0.1mm的毫米级孔隙(b)和孔径5-15μm微米级孔隙(c)以及孔径10-15nm的纳米级孔隙(d)；
图2为本发明实施例2中的打印成型的多尺度孔隙结构的磷酸钙支架型坯(a)；烧结后支架中孔径1.8mm的毫米级孔隙(b)和孔径0.1-1μm的微米级孔隙(c)以及孔径1-5nm的纳米级孔隙(d)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例提供的多尺度孔隙结构磷酸钙骨修复支架的制备方法：选取医用磷酸三钙粉末为原材料，设计并配制为适用于3D打印成形的骨修复材料，借助个性化三维建模、3D打印技术、可分解的造孔剂等手段，调整多孔磷酸钙支架的孔隙率、孔径以及多尺度孔径分布，实现大孔-微孔-微纳孔的多尺度孔隙结构磷酸钙支架的设计和制备。
为实现上述的目的，特采用以下的技术方案：
本发明实施例提供一种利用3D打印技术快速定制具有多尺度孔隙结构磷酸钙骨修复支架的方法，即将磷酸钙粉末、造孔剂粉末与分散剂、粘结剂等助剂以及去离子水配制成适用于3D打印成型的磷酸钙墨水，利用逆向工程针对不同患者的骨缺损部位作出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型；在逐层喷射成形过程中，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，制得多孔磷酸钙支架型坯；经过干燥和烧结，磷酸钙支架型坯中的去离子水挥发、助剂脱除、造孔剂粉末分解并释放气体，最终烧结成为具有大孔-微孔-微纳孔多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。由此制备的磷酸钙支架拥有较理想的孔隙结构，并且可通过三维建模、墨水直写(3D打印)工艺、造孔剂种类和粒度以及烧结工艺四个方面对磷酸钙支架的孔隙率、孔径及孔径分布进行设计和调控。基于患者情况设计的个性化磷酸钙支架综合性能良好，工艺稳定可靠，操作性强，耗时短效率高，成本较低。具体工艺流程及参数如下：
(1)配制磷酸钙墨水：按体积份数，将磷酸三钙粉末30-65份、造孔剂粉末5-30份、助剂1-5份和去离子水20-50份混合均匀，配制成流变性能良好和固化可控的磷酸钙墨水，作为3D打印的原材料；
进一步的，所使用的医用磷酸三钙粉末粒度为30nm-50μm，纯度>96％，几乎不溶于水，生物学相容性好；
进一步的，所使用的造孔剂粉末可以是过氧化钙、草酸钙、碳酸钙等难/不溶于水、加热后分解并释放气体、分解产物对人体无毒无害的粉体中的任意一种或几种混合粉末；所使用的造孔剂粉末是由粒度1μm-100μm的粗粉与粒度1nm-1000nm的细粉中的两种或两种以上混合而成，其中，粗粉和细粉的质量比为0.5-20：1，磷酸钙支架型坯加热后，其中的造孔剂粉末分解，在磷酸钙支架型坯中留下孔径为0.1μm-90μm(微米级)的微孔和孔径为0.1nm-900nm(纳米级)的微纳孔。
进一步的，所使用的助剂为对人体无毒无害的分散剂、粘结剂以及中的至少一种。
(2)磷酸钙支架三维建模：利用逆向工程针对不同患者的骨缺损部位作出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型，针对后续烧结收缩情况将磷酸钙支架三维模型的线性尺寸按110％-160％比例放大，随后对磷酸钙支架三维模型进行分层切片处理，生成打印数据；
(3)3D打印成型：根据磷酸钙支架三维模型的打印数据，通过墨水直写技术逐层喷射沉积磷酸钙墨水，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，打印出具有0.1-2mm大孔径(毫米级)的多孔磷酸钙支架型坯；
(4)烧结成型：磷酸钙支架型坯在60-100℃真空干燥，将其中的去离子水蒸发脱除；随后在保护气氛下，将磷酸钙支架型坯在200-900℃保温1-4小时，添加的助剂完全脱除，进一步升温使造孔剂粉末分解挥发，留下孔径为0.1μm-90μm(微米级)的微孔和孔径为0.1nm-900nm(纳米级)的微纳孔，最终在1000-1200℃温度范围内烧结得到所需的磷酸钙支架。
以上本发明实施例提供的制备方法，所制备的磷酸钙支架的孔隙率、开口孔隙率、孔径、孔径分布可通过三维建模、墨水直写工艺、造孔剂种类和粒度以及烧结工艺等方面进行设计和调控。
通过以上的制备方法，本发明实施例制备得到一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架，所制备的磷酸钙支架同时具有孔径为0.1mm-2mm(毫米级)大孔、0.1μm-90μm(微米级)的微孔和孔径为0.1nm-900nm(纳米级)的微纳孔的多尺度孔隙结构，总孔隙率为30-70％。
本发明实施例提供的上述多尺度孔隙结构磷酸钙支架可以在生物医用材料领域中应用。
本发明实施例提供的上述多尺度孔隙结构磷酸钙支架，针对不同患者的骨缺损情况，定制具有多尺度孔隙结构磷酸钙支架的方法。此方法与传统磷酸钙支架制造方法相比，除可进行骨修复支架的个性化定制外，对磷酸钙支架的孔隙率、开口孔隙率、孔径、孔径分布均可实现精确控制，使其具有理想的孔隙结构，提升其生物活性、骨诱导和骨生成能力。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例中采用平均粒度为50μm的医用磷酸钙粉末，以平均粒度30μm的碳酸钙和平均粒度30nm的过氧化钙混合粉末作为造孔剂粉末，海藻酸钠为粘结剂(助剂)。
(1)磷酸钙墨水的制备
采用球磨工艺按体积百分比，将医用磷酸三钙粉末(30％)、碳酸钙粉末(10％)、过氧化钙粉末(20％)、海藻酸钠(1％)与去离子水(39％)混合均匀，配制成磷酸钙墨水，作为3D打印的原材料；
(2)磷酸钙支架三维建模
利用逆向工程针对患者的骨缺损部位作出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型，针对后续烧结收缩情况将磷酸钙支架三维模型的线性尺寸按160％比例放大，随后对磷酸钙支架三维模型进行分层切片处理，生成打印数据；
(3)3D打印成型
基于磷酸钙支架三维模型，通过墨水直写技术逐层喷射沉积磷酸钙墨水，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，打印出具有0.12mm大孔径(毫米级)的多孔磷酸钙支架型坯(参见图1中的(a)图)；
(4)烧结成型
磷酸钙支架型坯在60℃真空干燥2小时，将其中的去离子水蒸发脱除；随后在保护气氛下，将磷酸钙支架型坯在400℃保温1小时，其中的过氧化钙完全分解，释放氧气残留下部分氧化钙以及孔径10-15nm(纳米级)孔隙，(参见图1中的(d)图))。升温至560℃保温半小时，使粘结剂海藻酸钠分解脱除；进一步升温到850℃保温1小时，使碳酸钙粉末分解挥发，留下部分氧化钙以及孔径5-15μm(微米级)孔隙(参见图1中的(c)图)，最后在1000℃烧结，最终获得孔隙度62.8％、具有0.1mm(毫米级)大孔径、5-15μm(微米级)孔隙和10-15nm(纳米级)孔隙的多尺度孔隙结构磷酸钙支架(参见图1中的(b)图-(d)图)。
实施例2
本实施例中采用平均粒度为30nm的医用磷酸钙粉末，以平均粒度1μm的碳酸钙和平均粒度5nm的草酸钙混合粉末作为造孔剂粉末，油酸为分散剂(助剂)。
(1)磷酸钙墨水的制备
采用球磨工艺按体积百分比，将医用磷酸三钙粉末(55％)、碳酸钙粉末(9％)、草酸钙粉末(1％)造孔剂粉末(10％)、油酸(2％)与去离子水(33％)混合均匀，配制成磷酸钙墨水，作为3D打印的原材料；
(2)磷酸钙支架三维建模
利用逆向工程针对患者的骨缺损部位作出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型，针对后续烧结收缩情况将磷酸钙支架三维模型的线性尺寸按140％比例放大，随后对磷酸钙支架三维模型进行分层切片处理，生成打印数据；
(3)3D打印成型
基于磷酸钙支架三维模型，通过墨水直写技术逐层喷射沉积磷酸钙墨水，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，打印出具有2mm大孔径(毫米级)的多孔磷酸钙支架型坯(见图2中的(a)图)；
(4)烧结成型
磷酸钙支架型坯在100℃真空干燥1小时，将其中的去离子水蒸发脱除；随后在保护气氛下，将磷酸钙支架型坯在500℃保温2小时，其中的草酸钙为碳酸钙并释放CO2，残留下及孔径1-5nm(纳米级)孔隙(参见图2中的(d)图)；升温至600℃保温1小时，使油酸挥发脱除；进一步升温到850℃保温1小时，使碳酸钙分解挥发，留下部分氧化钙以及孔径0.1-1μm的微米级孔隙(参见图2中的(c)图)；最后在1200℃烧结，得到如图2中的(b)图-(d)图中所示孔隙率为65％、具有1.8mm(毫米级)、0.1-1μm(微米级)、1-5nm(纳米级)多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。
实施例3
本实施例中采用平均粒度为10μm的医用磷酸钙粉末，以平均粒度15μm的过氧化钙和平均粒度90nm的草酸钙混合粉末作为造孔剂粉末，聚乙烯醇(PVA)为粘结剂(助剂)。
(1)磷酸钙墨水的制备
采用球磨工艺按体积百分比，将医用磷酸三钙粉末(55％)、过氧化钙粉末(14.3％)、草酸钙粉末(0.7％)、PVA(2％)与去离子水(28％)混合均匀，配制成磷酸钙墨水，作为3D打印的原材料；
(2)磷酸钙支架三维建模
利用逆向工程针对患者的骨缺损部位作出个性化修复方案，建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型，针对后续烧结收缩情况将磷酸钙支架三维模型的线性尺寸按145％比例放大，随后对磷酸钙支架三维模型进行分层切片处理，生成打印数据；
(3)3D打印成型
基于磷酸钙支架三维模型，通过墨水直写技术逐层喷射沉积磷酸钙墨水，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，打印出具有1mm大孔径(毫米级)的多孔磷酸钙支架型坯；
(4)烧结成型
磷酸钙支架型坯在120℃真空干燥1小时，将其中的去离子水蒸发脱除；随后在保护气氛下，将磷酸钙支架型坯在400℃保温1小时，其中的过氧化钙完全分解，释放氧气残留下部分氧化钙以及孔径8-15μm(微米级)孔隙；升温至500℃保温2小时，使草酸钙分解挥发，留下部分氧化钙以及孔径10-90nm的纳米级孔隙；继续升温过程中，粘结剂PVA完全脱除；最终在1200℃烧结，得到孔隙率为30.3％、具有0.9mm(毫米级)；8-15μm(微米级)；10-90nm(纳米级)多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。
以实施例1中的尺度孔隙结构磷酸钙支架的制备为例，制备步骤与实施例1中相似，不同之处仅在于制备过程中，采用的造孔剂体积分数(造孔剂的体积份数占磷酸钙墨水总体积的比例)、烧结工艺和烧结时间等参数不同，下表1中归纳了造孔剂粉末总含量(碳酸钙粉末和过氧化钙粉末质量比固定为0.5：1)、烧结工艺(包括烧结温度和烧结时间)对磷酸钙支架孔隙率的影响。
表1造孔剂粉末含量、烧结温度和烧结时间对磷酸钙支架孔隙率的影响
Figure BDA0002491303690000101
Figure BDA0002491303690000111
由上述的表1可以看出：随着造孔剂粉末所占体积分数的增大，磷酸钙支架的孔隙率逐渐增大。如在1100℃保温60分钟时，造孔剂体积分数由15％增大到45％，磷酸钙支架的孔隙率随之由49.5％增大到61.2％。
随着烧结温度的升高和保温时间的延长，均会促进磷酸钙的烧结致密，但是同时也会使得磷酸钙支架孔隙率下降。如烧结温度由1000℃升高至1250℃，保温60分钟，含30％造孔剂粉末的磷酸钙支架孔隙率由62.8％降低至44.9％。因此，作为优选的，可以选择在1000℃烧结保温60分钟，可以得到孔隙率为62.8％、具有0.1mm(毫米级)、5-15μm(微米级)、10-15nm(纳米级)多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。
对比例1
与实施例1中的步骤相似，不同之处仅在于，造孔剂粉末体积分数为45％，在900℃烧结获得孔隙率为70.2％的磷酸钙支架。但磷酸钙支架孔隙率过高、力学性能如抗压强度过低，与人体骨骼性能不匹配。
对比例2
与实施例1中的步骤相似，不同之处仅在于，三维建模未进行缩放处理，所制备的磷酸钙支架型坯在干燥烧结过程中发生收缩，获得的磷酸钙支架尺寸与所需尺寸不符。
对比例3
与实施例1中的步骤相似，不同之处仅在于，烧结温度提升至1250℃、烧结时间为60分钟，所制备的磷酸钙支架孔隙率为44.9％，微纳孔基本消失，仅具有0.93mm(毫米级)和3-14μm(微米级)的孔隙结构。
由此可见，本发明实施例中制备的多尺度孔隙结构磷酸钙支架可通过三维建模、墨水直写(3D打印)工艺、造孔剂种类和粒度以及烧结工艺四个方面对磷酸钙支架的孔隙率、孔径及孔径分布进行设计和调控。从而可以针对不同患者的骨缺损情况，定制具有多尺度孔隙结构磷酸钙支架的方法。该方法同时具备个性化定制、增材制造自由快速成形和磷酸钙支架理想孔隙结构等多重优势，通过方法，可短时间内为不同患者的骨缺损提供了最优的修复方案。
综上，本发明实施例提供了一种用于制备多尺度孔隙结构磷酸钙支架的磷酸钙墨水以及使用该磷酸钙墨水制备的多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用。利用3D打印技术快速定制具有多尺度孔隙结构磷酸钙骨修复支架的方法，其步骤如下：将磷酸钙粉末、造孔剂粉末与分散剂、粘结剂等助剂以及去离子水配制成适用于3D打印的磷酸钙墨水，首先建立打印的三维模型，根据磷酸钙支架三维模型的打印数据，通过精密喷头逐层、有选择地喷射成型，磷酸钙墨水发生水化反应迅速固化，打印出多孔磷酸钙支架型坯，磷酸钙支架型坯经过干燥和烧结，其中的去离子水挥发、助剂脱除、造孔剂粉末分解并释放气体，最终烧结成为具有大孔(毫米级)-微孔(微米级)-微纳孔(纳米级)多尺度孔隙结构的磷酸钙支架。该方法发挥了3D打印技术对骨修复支架个性化定制的优势，还对磷酸钙支架的孔隙率、开口孔隙率、孔径、孔径分布均可实现精确控制，使其具有理想的孔隙结构，获得优异的骨诱导和促骨生成能力。
与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下特点：
(1)本发明实施例提供一种利用3D打印技术结合多粒度造孔剂粉末，针对不同患者的骨缺损情况，定制具有多尺度孔隙结构磷酸钙支架的方法。此方法与传统磷酸钙支架制造方法相比，除可进行骨修复支架的个性化定制外，对磷酸钙支架的孔隙率、开口孔隙率、孔径、孔径分布均可实现精确控制，使其具有理想的孔隙结构，提升其生物活性、骨诱导和骨生成能力。
(2)制备的磷酸钙支架同时具有孔径为0.1mm-2mm(毫米级)大孔、0.1μm-90μm(微米级)的微孔和孔径为0.1nm-900nm(纳米级)的微纳孔的多尺度孔隙结构，具有较为理想的骨修复性能。
(3)对医用磷酸三钙粉末、造孔剂粉末的形貌和粒度要求较低，成本低，普通3D打印设备对粉末粒度和球形度要求极高，墨水直写技术只需求粉末粒度均匀流动性好。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架的制备方法，其特征在于，步骤如下：
配制磷酸钙墨水：按照体积份数，将磷酸三钙粉末30-65份、造孔剂粉末5-30份、助剂1-5份和去离子水20-50份混合均匀，配制成磷酸钙墨水，其中，所述磷酸三钙粉末为粒度30nm-50 μm的医用磷酸三钙粉末；所述造孔剂粉末包括过氧化钙、草酸钙和碳酸钙中的至少一种，所述造孔剂粉末由粒度1 μm-30 μm的粗粉与粒度5 nm-90nm的细粉混合而成，且所述粗粉与所述细粉的质量比为0.5-20：1；所述助剂为海藻酸钠、油酸和聚乙烯醇中的至少一种；
使用所述磷酸钙墨水，采用3D打印技术制备所述的多尺度孔隙结构磷酸钙支架，步骤如下：
磷酸钙支架三维建模：根据不同患者骨缺损情况，利用逆向工程建立内部为多孔结构的磷酸钙支架三维模型，针对后续烧结收缩情况将磷酸钙支架三维模型的线性尺寸按110%-160%比例放大，随后对磷酸钙支架三维模型进行分层切片处理，生成打印数据；
多孔磷酸钙支架型坯的制备：根据磷酸钙支架三维模型的打印数据，通过墨水直写技术逐层喷射沉积磷酸钙墨水，使所述磷酸钙墨水发生水化反应固化，打印出具有0.1-2 mm孔径的多孔磷酸钙支架型坯；
多尺度孔隙结构磷酸钙支架的制备：将所述多孔磷酸钙支架型坯在60-100 ℃真空干燥后，在保护气氛下，将所述多孔磷酸钙支架型坯在200-900 ℃下保温1-4小时，再在1000-1200 ℃温度下烧结保温60min，得到所述多尺度孔隙结构磷酸钙支架；
所述多尺度孔隙结构磷酸钙支架同时具有孔径为0.1 mm-1.8 mm大孔、孔径为0.1 μm-15 μm微孔和孔径为1 nm-90 nm纳米级微纳孔的多尺度孔隙结构，且总孔隙率为30-65%。
CN202010410971.9A 2020-05-14 2020-05-14 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用 Active CN111544644B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010410971.9A CN111544644B (zh) 2020-05-14 2020-05-14 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010410971.9A CN111544644B (zh) 2020-05-14 2020-05-14 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111544644A CN111544644A (zh) 2020-08-18
CN111544644B true CN111544644B (zh) 2022-08-26

Family

ID=72006393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010410971.9A Active CN111544644B (zh) 2020-05-14 2020-05-14 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111544644B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113101410B (zh) * 2021-03-22 2022-05-24 华南理工大学 一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用
CN116570406B (zh) * 2023-07-12 2023-09-19 中科硅诺(太仓)生物材料科技有限公司 光固化3d打印制备而成的骨修复材料支架及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101146557A (zh) * 2003-06-26 2008-03-19 库拉森股份公司 成骨活性剂及制备方法
RU2549638C1 (ru) * 2013-12-20 2015-04-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Состав жидкости для получения пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция для костной инженерии при 3d формовании и/или 3d печати
CN105944147A (zh) * 2016-04-25 2016-09-21 四川大学 一种多尺度可控微孔结构骨组织工程支架及其制备方法
CN108187149A (zh) * 2018-02-07 2018-06-22 四川大学 一种基于3d打印的降解可控骨组织工程支架及制备方法
CN108724712A (zh) * 2017-04-18 2018-11-02 华沙整形外科股份有限公司 多孔植入物的3d打印
CN109650872A (zh) * 2019-02-20 2019-04-19 四川大学 一种基于自由挤出式3d打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法
CN110180021A (zh) * 2019-06-17 2019-08-30 西南交通大学 贻贝仿生粘合剂-磷酸钙高强度骨修复材料、高强度复合CaP支架及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101146557A (zh) * 2003-06-26 2008-03-19 库拉森股份公司 成骨活性剂及制备方法
RU2549638C1 (ru) * 2013-12-20 2015-04-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Состав жидкости для получения пористых керамических образцов на основе фосфатов кальция для костной инженерии при 3d формовании и/или 3d печати
CN105944147A (zh) * 2016-04-25 2016-09-21 四川大学 一种多尺度可控微孔结构骨组织工程支架及其制备方法
CN108724712A (zh) * 2017-04-18 2018-11-02 华沙整形外科股份有限公司 多孔植入物的3d打印
CN108187149A (zh) * 2018-02-07 2018-06-22 四川大学 一种基于3d打印的降解可控骨组织工程支架及制备方法
CN109650872A (zh) * 2019-02-20 2019-04-19 四川大学 一种基于自由挤出式3d打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法
CN110180021A (zh) * 2019-06-17 2019-08-30 西南交通大学 贻贝仿生粘合剂-磷酸钙高强度骨修复材料、高强度复合CaP支架及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111544644A (zh) 2020-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111544644B (zh) 一种多尺度孔隙结构磷酸钙支架、制备方法和应用
JP5014544B2 (ja) 吸収可能な代用骨の材料と骨構成材料
US8613876B2 (en) Foamed ceramics
US11077225B2 (en) Hollow porous spherical particle artificial bone as well as preparation method and application thereof
Shepherd et al. Calcium phosphate scaffolds for bone repair
JP2004505677A (ja) 多孔質人工骨移植片およびその製造方法
KR20040081743A (ko) 규격화된 예비성형 인산칼슘 뼈 대체물 임플란트
CN109650872A (zh) 一种基于自由挤出式3d打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法
US7279219B2 (en) Porous calcium phosphate ceramic and method for producing same
CN113101410B (zh) 一种具有均匀中孔的三维连通多级孔结构的磷酸三钙支架及其制备方法和应用
Abdurrahim et al. Recent progress on the development of porous bioactive calcium phosphate for biomedical applications
CN112500150A (zh) 一种镁合金/生物陶瓷多孔支架及其制备方法和应用
CN114560691A (zh) 抗菌型的光固化3d打印生物陶瓷材料及其制备方法与应用
CN110054505B (zh) 一种负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的制备方法
CN110171979B (zh) 一种大尺寸个性化生物活性陶瓷植入体的制备方法
Roozbahani et al. Dexamethasone loaded Laponite®/porous calcium phosphate cement for treatment of bone defects
CN111957974B (zh) 一种分级多孔钛钽棒的制备方法
CN113289057A (zh) 钽涂层骨科植入材料及其制备方法、骨科植入物
CN110898256A (zh) 一种钛金属-生物陶瓷骨组织工程支架及其制备方法
CN115090903B (zh) 一种基于分子筛功能基元的医疗植入件及其制备方法
Swain Processing of porous hydroxyapatite scaffold
Hesaraki Freeze-casted nanostructured apatite scaffold obtained from low temperature biomineralization of reactive calcium phosphates
CN114213147A (zh) 一种可调控细胞粘附性能的磷酸钙生物活性支架
CN113979729A (zh) 一种锂硅化合物增强生物活性陶瓷材料及其制备方法
WO2001094274A1 (en) Foamed ceramics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong.

Applicant after: Institute of new materials, Guangdong Academy of Sciences

Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong.

Applicant before: GUANGDONG INSTITUTE OF NEW MATERIALS

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant