CN114195508A

CN114195508A - 基于3d打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺

Info

Publication number: CN114195508A
Application number: CN202210018331.2A
Authority: CN
Inventors: 蔡志祥; 朱贵儒; 陈博宇; 李松泉; 田宵旭
Original assignee: Hunan Bangruijin Medical Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Intime Laser Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2042-01-07
Also published as: CN114195508B

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，包括以下步骤：S1，模型设计，S2，原料选择，S3，生物陶瓷浆料的制备，S4，生物陶瓷浆料经过球磨按所述模型打印制作生产出生物陶瓷支架生坯，经后期脱脂、烧结后成为生物陶瓷人造骨支架。本发明提供的基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺。

Description

基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺。

背景技术

生物陶瓷已有八十多年的历史。早在1920年Albee医生就使用了磷酸三钙进行动物实验，结果显示骨组织与材料有良好的相容性。但由于当时在材料的制作工艺，生物相容性评价等诸多方面存在有一定的欠缺，所以在相当长的一段时间内未被人们所重视。直至七十年代初，Hench博士发现了生物陶瓷的良好相容性在医学领域中的利用价值，该领域的研究才日益活跃起来。

多孔生物陶瓷的微结构主要包括孔、孔的内连接和气孔率等，这些结构参数不同，引起的生物效应也有所不同。研究表明微孔(＜10μm)直接影响材料的降解，而孔、孔的内连接和气孔率则直接影响组织的生长。孔的形状和气孔率的多少，对材料的力学强度有直接相关性。较多的研究结果表明：含气孔率50％为佳，孔径为100-1000μm适合于骨组织的形成。但是诸多研究结果显示差异很大，其主要原因是忽视了孔内连接的作用。

目前多孔生物陶瓷的制作常用的有四种方法：(1)利用天然多孔微结构材料(如珊瑚石等)，经高压环境下化学处理和/或烧结而成多孔陶瓷。(2)用陶瓷粉末配制浆液，加入发泡剂(如双氧水等)使浆液发泡，经干燥成形和烧结而成多孔陶瓷。(3)用陶瓷粉末与填充支架物(糖、石蜡、樟脑等颗粒)按一定的比列相混合，使其加压成形。经加温气化消除支架物，然后在高温下烧结而成多孔陶瓷。(4)用陶瓷粉末配制成浆液，灌注到塑料泡沫海绵内，使其干燥成形。经加温气化消除支架物，然后在高温下烧结而成多孔陶瓷。

增材制造技术(AM)是近年来快速发展的一种新型成型工艺，该工艺利用计算机CAD软件设计构件，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、组织细胞等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。该工艺与传统成型方法相比，具有以下特点：(1)可以制备形状复杂的制品；(2)成型过程中无需任何模具或模型参与，使过程更加集成化，制造周期缩短，生产效率高；(3)成型体几何形状及尺寸可通过计算机软件处理系统随时改变，无需等待模具的设计制造，大大缩短新产品开发时间；(4)可制备结构微小的陶瓷制品等优点。因此，近年来快速成型技术受到广泛的关注。增材制造技术通过材料的堆积而将计算机中的三维实体逐层“打印”出来，因此也常被形象的称为3D打印技术。现有的3D打印技术主要有立体光刻成型(SLA)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)等。

目前已经有很多的技术用于生产多孔生物陶瓷。例如以下专利文献所报道：

公开号为CN112441842A、专利名称为一种孔隙率可控的多孔生物陶瓷涂层制备方法的发明专利采用造孔剂法形成多孔，通过光固化3D打印法制备的多孔生物陶瓷涂层；

公开号为CN105770988A、专利名称为基于3D打印的骨修复生物陶瓷材料及制备方法的发明专利发明了一种3D打印常温挤出成型的骨修复生物陶瓷材料。

公开号为CN110272273A、专利名称为3D打印的可控多孔羟基磷灰石生物陶瓷支架及制备方法的发明专利是通过常用三维建模软件设计出TPMS多孔结构，再用光固化3D打印法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷支架。

公开号为CN102499794A、专利名称为孔隙率可控的人工骨支架制备方法的发明专利是先制作生物速溶小球和生物陶瓷小球的混合球，再用3D打印法喷洒生物胶黏剂粘接混合求，最后通过水溶去除速溶小球的方法获得多孔人工骨支架。

公开号为CN111070376A、专利名称为一种3D打印仿生多孔生物陶瓷人工骨及其制备方法的发明专利采用TPMS联合CSG方法设计出多孔生物陶瓷人工骨模型，再把生物陶瓷粉和粘结剂混合形成胶料，通过3D无丝打印常温挤出成型，制造多孔生物陶瓷人工骨。

公开号为CN112898011A、专利名称为一种基于光固化三维打印的无序多孔生物陶瓷支架及其制备方法与应用的发明专利是采用设计无序多孔陶瓷支架模型，光固化打印成型，再通过脱脂、预烧、烧结后，获得无序多孔生物陶瓷支架。

以上各种发明都是为了生产多孔生物陶瓷。采用的技术、方法和线路各不相同，生产的陶瓷产品存在着这样那样的缺点，如孔形不规则、不均一；陶瓷的气孔率低；陶瓷的孔内连接径难以控制制作，造成孔隙沟通率低或内连接径太小；当陶瓷气孔率超过50％时，力学性能就很差；陶瓷产品的成分组成和纯度很难控制；块状产品表面光洁度欠佳等不足之处。它们可直接影响陶瓷生物学效应和材料降解度，并影响材料的临床安装使用。即使目前最优的方法即通过溶解球形塑料颗粒和配合模具的方式制造方法，可以提高气孔率(达到70％)、使表面光洁度等有很高的质量，仍不能完全解决孔内连接的需求，仍会出现盲孔现象，现有技术基本上只能控制较大孔径的多孔结构的制造，而对制造出的多孔结构精度不可控，且不能直接制造高精度的微孔结构，达到接近天然骨微孔结构的三维结构必须采用新的设计方法和技术路径。

发明内容

本发明提供一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，通过体积法直接设计出微孔多孔结构，通过高精度的成型机直接制造出可控的微孔多孔生物陶瓷支架。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，包括如下步骤：

S1，模型设计，多孔骨支架模型的生成具体包括以下内容：1)专家系统确认骨支架的初始形态，确定外表面边界的骨支架初始结构，如长方体、圆柱体等；2)从骨支架表面开始，根据设定的孔隙率参数，自动生成一定厚度，即在初始孔隙率设定65％～85％后使其厚度线性变化生成0.5-1mm，表面多孔结构根据不同选择由间隔小圆柱(直径为0.1-1mm)按统计学意义均布的形态组成，此时孔隙率按如下公式确定，

F(x)＝(a(x)-γ(x))/a(x)*100％

其中F(x)是基于位置的孔隙率，α(x)为基于位置的空间体积，γ(x)为基于位置的连杆体积，x表示位置；b是晶格生长方向的一个常数，由不同孔隙率来确定；α指的是a(x)，γ指的是y(x)；y(k-1)、y(k)分别是第k-1和第k根晶格连杆的y轴坐标，它们都是关于横坐标x的函数；

3)在向模型内部自动生长过程中，根据孔隙率的不同，分别从小圆柱的端面向不同方向生长出新的小圆柱，从3-7个不同方向的小圆柱按孔隙率5％的差异进行区分，相交处的小圆柱自动拓扑合并连接到一起，生长方向从端面法线方向为正向，按笛卡尔坐标系(XYZ坐标系)进行均布生长，生长尺度以孔隙率的区别，按0.3-1mm的不同尺寸进行，生长过程中按孔隙率参数约束控制，在形成尖锐形态处自动取圆(圆半径0.3mm)修正；4)在小圆柱连杆生长过程中，当两个连杆相交时，即自动拓扑合并，同时此处形成新的开始端面，端面方向法向以连杆相交夹角中心线为依据，并向前延伸为正向，持续生长，当判断该法线方向上在一个尺度范围内(尺寸0.1-0.5mm，基于不同孔隙率选择不同的参数)如果有其他新端面形成，再结束其持续生长，完成该方向的自动生长；5)当所有的生长都集中到一个位置的时候，则完成整个多孔支架模型的设计；6)最终输出该多孔支架模型的STL格式数据文件。常规的CAD设计方法中，一般仅能获取均匀或渐变的孔隙结构，且孔隙率很难超过50％，多孔骨支架模型三维贯通、且是可控变化的、也是由多孔和微孔同时存在的，且是区域性变化的，采用GIT(Gray Image Transform)结合LD(Lattice Design)方法进行设计。根据获得的CT图数据，图片根据人体不同组织的密度不同(骨的密度大于血、肉等的密度)，显示黑白灰等不同颜色，其中骨组织为白色显示，由图片的灰度值差异，基于GIT方式，再由数据叠加，从而提取出高密度的骨组织模型；通过专家系统(反求函数)设计，从完整骨中截取出手术影响区图像数据，获得骨支架的原始三维模型；

S2，原料选择，各原料组成及质量分数如下：羟基磷灰石25-30％、磷酸钙45-60％、光敏成型填加材料10-25％；

S3，生物陶瓷浆料的制备，将上述原料混合搅拌20分钟，转速500-1000rpm，再用球磨机球磨1h，转速为160～240rpm，获得均匀的生物陶瓷浆料；

S4，生物陶瓷浆料经过球磨30分钟，转速100～200rpm，在预热40-60℃、30分钟后，装入陶瓷生物3D增材打印机料盒内，按所述模型打印制作生产出生物陶瓷支架生坯，经后期脱脂(500-600℃，36h)、烧结(1250℃，8h)后成为生物陶瓷人造骨支架，直接减少了预烧工序，直接进入烧结工序，从而节省了时间，减短了整个工艺过程，也降低了后处理生产成本。

进一步的，所述光敏成型填加材料由树脂、分散剂、光引发剂TPO、紫外稳定剂组成，其中树脂为乙氧化双酚A二丙烯酸酯或乙氧化双酚A二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷丙烯酸酯的混合。

进一步的，所述脱脂采用两步台阶式温度工艺，即先加热到80℃保温1h，再继续升温至240℃保温1h，继续升温至500-600℃脱脂30-34h，台阶式温度控制使骨支架生坯脱脂后残余量更少，形状异变更小，强度更好，从而获得优良的微孔多孔支架结构。

本发明的有益效果：

本发明采用上述技术方案，通过体积法计算孔隙率设计出微孔多孔结构，可获得真实孔隙率的多孔结构生物陶瓷支架；3D打印直接成型，无后续裁剪或切割等工艺，不会造成产品的污染；多孔结构直接设计制造，成型结构与设计结构一致，性能事先设计确定，能够保证多孔结构的力学性能；根据软件设计确定，直接成型打印，可保证孔隙率为65～85％的总气孔率；根据不同部位的不同性能要求和降解率的不同，可以直接获得对应部位的多孔生物陶瓷结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案以及本发明的有益效果，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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示出的结构获得其他的结构。

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例的产品结构图。

具体实施方式

本发明的具体实施例：

如图1所示，本实施例的一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，本实施例引入邦瑞金晶格设计软件设计出具有微孔结构的骨支架三维结构，骨支架三维结构为多孔三维模型，包括以下步骤：

步骤1，结合患者CT图和医生设计手术方案临床需求，确定需要植入的多孔生物陶瓷支架需求；

步骤2，骨修复支架模型构建，具体内容为：

1)专家系统确认骨支架的初始形态，确定外表面边界的骨支架初始结构，如长方体、圆柱体等；2)从骨支架表面开始，根据设定的孔隙率参数，自动生成一定厚度(0.5-1mm)的表面多孔结构，根据不同选择由间隔小圆柱(直径为0.1-1mm)按统计学意义均布的形态组成，此时孔隙率按F(x1)＝(α(x1)-γ(x1))/α(x1)*100％进行限定；3)在向模型内部自动生长过程中，根据孔隙率的不同(65％-85％的不同孔隙率)分别从小圆柱的端面向不同方向生长出新的小圆柱(从3-7个不同方向的小圆柱按孔隙率5％的差异进行区分)，相交处的小圆柱自动拓扑合并连接到一起，生长方向从端面法线方向为正向，按笛卡尔坐标系(XYZ坐标系)进行均布生长，生长尺度以孔隙率的区别，按0.3-1mm的不同尺寸进行，生长过程中按孔隙率参数约束控制，在形成尖锐形态处自动取圆(圆半径0.3mm)修正；4)在小圆柱连杆生长过程中，当两个连杆相交时，即自动拓扑合并，同时此处形成新的开始端面，端面方向法向以连杆相交夹角中心线为依据，并向前延伸为正向，持续生长，当判断该法线方向上在一个尺度范围内(尺寸0.1-0.5mm，基于不同孔隙率选择不同的参数)如果有其他新端面形成，再结束其持续生长，完成该方向的自动生长；5)当所有的生长都集中到一个位置的时候，则完成整个多孔支架模型的设计；6)最终输出该多孔支架模型的STL格式数据文件。

步骤3，原料的准备，包括如下质量分数的组分：羟基磷灰石粉末25-30％、β磷酸三钙粉末45-60％、光敏成型填加材料10-25％。

步骤4，多孔骨修复材料的制备，具体包括以下内容：

(1)对羟基磷灰石粉末、β磷酸三钙粉末进行预处理

称取500mL无水乙醇，加入30g去离子水，调节PH至3，加入10g偶联剂(KH570)水解1h，得偶联剂水解液。称取1kg的羟基磷灰石粉末于1L的球磨罐中，加入0.9kg的研磨锆球，然后倒入偶联剂水解液。并以转速为200r/min开始球磨2h，球磨完成之后，收集得到的浆料，60℃烘干，研磨得到预处理后的羟基磷灰石粉体；

称取500mL无水乙醇，加入30g去离子水，调节PH至3，加入10g偶联剂(KH570)水解1h，得偶联剂水解液。称取1kg的β磷酸三钙粉末于1L的球磨罐中，加入0.9kg的研磨锆球，然后倒入偶联剂水解液。并以转速为200r/min开始球磨2h，球磨完成之后，收集得到的浆料，60℃烘干，研磨得到预处理后的β磷酸三钙粉体；

(2)配制3D打印生物陶瓷浆料

称取树脂(75g的乙氧化双酚A二丙烯酸酯、150g的乙氧化双酚A二丙烯酸酯和75g的三羟甲基丙烷丙烯酸酯)于装有0.9kg研磨锆球的1L球磨罐中，然后再向其中加入14g的分散剂(SOLSPERSE-75000)和3g的光引发剂TPO，1.5g紫外稳定剂(Eversorb UR-220)，球磨160r/min，球磨0.5h。待各组分完全溶解之后，向球磨罐中加入220g预处理后的羟基磷灰石粉体和450g预处理后的β磷酸三钙粉体。并以转速为180r/min球磨20h后，收集得到3D打印生物陶瓷浆料，其可直接用于陶瓷生物3D增材打印机上打印成型。

通过邦瑞金晶格设计软件设计出多孔骨支架模型，将多孔骨支架模型经过切片处理获得打印模型数据，SLC格式。

将打印模型数据用U盘拷入陶瓷生物3D增材打印机系统中。

配置好的生物陶瓷浆料经小型卧式球磨机球磨30分钟，转速100～200rpm，在预热40-60℃、30分钟后，装入陶瓷生物3D增材打印机料盒中。

步骤4，设置好参数，由陶瓷生物3D增材打印机自动制成骨支架生坯。

步骤5，使用脱脂炉中，先加热到80℃保温1h，再继续升温至240℃保温1h，继续升温至500-600℃脱脂30-34h，脱脂完成。

步骤6，使用烧结炉，设置1250℃，8h，烧结完成，最终获得骨支架。

本发明通过LD方法，从骨支架表面出发，按参数设计长出连杆结构，同时基于函数F(x)＝(a(x)-y(x))/a(x)*100％，其中，a(x)、y(x)分别通过以下公式(1)计算，设定出不同区域保证孔隙率的多孔参数，从而精确设计出骨支架的多孔结构，由骨支架所处位置的不同可以获得不同的可控的多孔结构，可以获得65％-85％范围的可控孔隙率，具有更好的骨诱导成新骨性能。

其中，b是晶格生长方向的一个常数，由不同孔隙率来确定；α指的是a(x)，γ指的是y(x)；y(k-1)、y(k)分别是第k-1和第k根晶格连杆的y轴坐标，它们都是关于横坐标x的函数。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1，模型设计，多孔骨支架模型的生成具体包括以下内容：1)确认骨支架的初始形态，确定外表面边界的骨支架初始结构；2)从骨支架表面开始，根据设定的孔隙率参数，自动生成一定厚度的表面均布多孔结构，此时孔隙率按如下公式确定，

F(x)＝(a(x)-γ(x))/a(x)*100％

其中F(x)是基于位置的孔隙率，a(x)为基于位置的空间体积，γ(x)为基于位置的连杆体积，x表示位置；3)根据孔隙率的不同，孔结构向模型内部自动生长；4)在孔结构连杆生长过程中，当两个连杆相交时，自动拓扑合并，同时此处形成新的开始端面，端面方向法向以连杆相交夹角中心线为依据，并向前延伸为正向，持续生长，当判断该法线方向上在一个尺度范围内有其他新端面形成，再结束其持续生长，完成该方向的自动生长；5)当所有的生长都集中到一个位置的时候，则完成整个多孔支架模型的设计；6)最终输出该多孔支架模型的STL格式数据文件；

S3，生物陶瓷浆料的制备，将上述原料搅拌混合，获得均匀的生物陶瓷浆料；

S4，生物陶瓷浆料经过球磨后，预热装入陶瓷生物3D增材打印机料盒内，按所述模型打印制作生产出生物陶瓷支架生坯，经后期脱脂、烧结后成为生物陶瓷人造骨支架。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，其特征在于，所述光敏成型填加材料由树脂、分散剂、光引发剂TPO、紫外稳定剂组成，其中树脂为乙氧化双酚A二丙烯酸酯或乙氧化双酚A二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷丙烯酸酯的混合。

3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，其特征在于，所述脱脂采用两步台阶式温度工艺，先加热到80℃保温1h，再继续升温至240℃保温1h，继续升温至500-600℃脱脂30-34h。

4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的可控多孔生物陶瓷骨修复材料制备工艺，其特征在于，烧结的温度为1200-1250℃，烧结时间为7-8h。