TW201713491A

TW201713491A - 以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法

Info

Publication number: TW201713491A
Application number: TW104133244A
Authority: TW
Inventors: fu-xing Liu; Yun-Xuan Liao; Zhi-Yang Lin
Original assignee: Lunghwa Univ Of Science And Tech
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-04-16
Also published as: TWI566920B

Abstract

本發明係提供一種以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其包括下列步驟：a:使用繪圖軟體，以製得一三維陶瓷模型；b:將該三維陶瓷模型分割為數個二維截面圖案；c:將二氧化矽及碳酸鈣依比例混合後與氧化鋯球放入一容器中；d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將該半液態狀原料均勻平鋪於一工作平台表面上；e:透過一光源依照該二維截面圖案進行掃描；f:將該升降平台下降一固定高度；g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一三維陶瓷模型；h:將該三維陶瓷模型置於一超音波震盪器內，加入去離子水清洗模型表面多餘原料，即可獲得一三維陶瓷生坯；以及i:將該三維陶瓷生坯置於一高溫爐內進行熱處理經過消毒即得該矽酸鈣生醫陶瓷。此外，本案亦提供一種矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法。

Description

以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法

本發明係一種矽酸鈣生醫陶瓷之製造方法，尤指一種以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法。

隨著科技蓬勃發展，醫療技術不斷精進，使得人類平均壽命不斷提升，因此醫療資源需求越來越高。骨骼是組成脊椎動物內最堅硬的器官，是一種緻密的結締組織，主要功能為支撐、運動和保護身體以及造血和儲存礦物質等。隨著人口老化，骨科與牙科相關的病患愈來愈多，每年有數百萬人依靠外科手術修復受損或破裂的骨骼、牙齒與關節。

近十幾年來生醫骨骼植入物(Implant)於臨床中廣為運用。傳統自體骨骼移植雖可以治療其骨骼缺陷問題，雖然不會有疾病感染以及排斥等問題，但骨骼來源受到限制。異體骨骼移植則可能將捐贈者本身的疾病傳染給受贈者，同時也提高排斥及細菌或病毒感染的機率，可能造成二次發病機率，進而導致療程冗長之缺點。為了避免以上之缺點，因此發展組織工程(Tissue Engineering, TE)，用於製造人造骨骼。組織工程技術集結了細胞(Cell)、工程材料(Engineering materials)、支架(Scaffold)、化學因子(Chemical factor)而成，用於生成人造器官或修補受損組織的技術。

由於細胞無法自行生長成缺損組織或器官的外形，所以必須以特定外形的3D支架引導細胞增生、分化，進而形成細胞外間質(Extracellular Matrix, ECM)，以便替補受損的組織，而良好的支架須符合下列條件：生物相容性(Biocompatibility)、降解率(Degradability)、孔隙率(Porosity)、孔徑(Pore Size)、內連通孔(Interconnected Pore)、機械性質(Mechanical Strength)、可塑性(Plasticity)、表面微觀結構(Surface microstructure)。

目前製作支架所使用的材料以生醫材料(Bio-materials)為主，可區分為金屬(Metal)、高分子(Polymer)及陶瓷(Ceramic)。生醫金屬(例如:316L不鏽鋼、鈦合金)支架，植入人體內後不會隨著時間代謝消失，會有應力遮蔽(Stress shielding)、磨損或離子析出等問題產生。生醫高分子(如:PCL、PLA)支架，雖然具有優良的可塑性、孔隙率與可降解性(degradable)，但是機械強度不足，不適合用於人造骨骼植入物。

生醫陶瓷是近幾年來產學界最受到矚目的骨骼支架材料。其原因為: 人體的骨骼成份近似陶瓷材料，且生醫陶瓷材料不會因為植體(Implant)植入時間而造成材料變異。天然骨組織主要由密質骨(Cortical bone)以及海綿骨(Sponge bone)組織所構成，密質骨為孔隙率較低之結構，主要負責支撐負載。而海綿骨為孔隙率較高之內連通孔結構，其孔洞間皆相通，以便於提供較多的空間給予細胞攀附，並使細胞容易攝取氧份以及細胞間之訊號傳導。但陶瓷材料屬於硬脆性質，使用傳統機械加工容易脆裂。所以欲採用一般的加工方法製造陶瓷材質的內連通孔結構更加困難。

採用生醫陶瓷材料製作骨骼支架或人造骨是目前組織工程的發展趨勢。生醫陶瓷材料除了需具備生醫相容性、生物活性與適當的機械強度外，還需要有適當的孔隙率與內連通孔結構。因此發展出許多能夠製造不同孔隙率陶瓷的方法，如: 粒子析出法、冷凍乾燥法、纖維鍵結法、相分離法和海綿浸漬法等。上述方法雖然能製作具有高孔隙率的陶瓷結構，但是其孔洞分佈並不均勻、而且孔洞與孔洞之間無法保證能相互連通，亦即這些方法無法製造出均勻的內連通孔結構。

骨骼支架所需的另外一項特性為降解率，支架在生物體內需隨著時間逐漸被代謝而完全消失，但速度必須略慢於骨骼組織再生的速度，最終被再生組織完全取代為止。生產具有可降解特性的生醫陶瓷材料，先前已經有傳統的方法能製造。近幾年也有利用3D列印技術製造生醫陶瓷材料，分述如下:

先前使用二氧化矽與氧化鈣製造碳酸鈣的方法主要有以下三種: 鑄造法（Casting），熱壓（hot pressure）及閃光電漿燒結法（hot pressure and spark plasma sintering）。

另於習知矽酸鈣相關專利中，中華民國專利號碼I388348，名稱”含有聚合物及寡聚物之矽酸鈣系骨水泥及製法”，為使用鈣鹽與矽化合物與明膠混合為膠體，再透過高溫熱處理方式將備製為矽酸鈣材料。此專利僅針對材料備製方法，並無加工複雜形狀方面的相關技術。

另外中華民國專利證號:I421062所述之”多孔性生醫陶瓷骨骼支架之成型方法及成型設備”。採用生物相容陶瓷粉末(如:三鈣磷酸鹽、氫氧基磷灰石、等)與陶瓷溶膠，利用堆疊原理製造多孔性生醫陶瓷骨骼支架。並無提及製造矽酸鈣陶瓷材料的相關方法。

因此，有必要設計一種新型的以雷射三維列印技術製造具可降解特性之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，以克服上述缺陷。

本發明的一目的在於提供一種以雷射三維列印技術製造具可降解特性之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其運用積層製造(Additive Manufacturing)技術不僅可以製造出傳統切削加工法無法造的複雜形狀陶瓷成品，而且能做出具有內連通孔結構的陶瓷，也能增加多孔陶瓷結構的機械性能。

本發明的一目的在於提供一種以雷射三維列印技術製造具可降解特性之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其所製造之矽酸鈣生醫陶瓷經細胞培養驗證其無毒性與生物相容性，而且矽酸鈣具有降解特性能夠幫助骨骼再生。

本發明的另一目的在於提供一種矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法，其所製造之生醫陶瓷骨骼支架同時具有密質骨以及海綿骨結構，用於仿生天然骨之結構。

為了達到上述目的，本發明之以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其包括下列步驟：a:使用繪圖軟體，以製得具有內連通孔結構的一三維陶瓷模型；b:藉由一切層軟體將該三維陶瓷模型分割為數個二維截面圖案，每一二維截面圖內含有許多孔洞；c:將二氧化矽及碳酸鈣依比例混合後與氧化鋯球放入一容器中，置於一球磨機中球磨使其呈半液態狀原料；d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將該半液態狀原料均勻平鋪於一工作平台表面上；e:透過一光源依照該二維截面圖案進行掃描，被該光源掃描過的區域產生固化效應凝固成單一層二維薄層，未掃描區域保持半液態狀原料；f:將該升降平台下降一固定高度；g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一三維陶瓷模型；h:將該三維陶瓷模型置於一超音波震盪器內，加入去離子水清洗模型表面多餘原料，即可獲得一三維陶瓷生坯；以及i:將該三維陶瓷生坯置於一高溫爐內進行熱處理，加熱至適當溫度並持溫一段時間，使二氧化矽及碳酸鈣進行化合反應成為一矽酸鈣生醫陶瓷。

為了達到上述目的，本發明之矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法，其包括下列步驟：a:備製陶瓷-高分子基複合漿料，以製作骨支架；b:使用三維繪圖軟體，繪製具有內連通孔結構的陶瓷骨骼支架；c: 藉由切層軟體將三維支架模型分割為數個二維截面圖案，此二維截面圖內含有許多孔洞；d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將半液態狀陶瓷-高分子基複合漿料均勻平鋪於一工作平台表面上；e:透過一雷射掃描系統發出雷射光對該複合漿料加熱使其固化成型陶瓷-高分子基複合薄層；f:將該升降平台下降一固定高度；g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一陶瓷-高分子基複合材料元件；h:以去離子水移除未固化之複合漿料，即可獲得一三維陶瓷-高分子基複合材料生坯；以及i:將該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯置於一高溫爐內進行熱處理，使該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯轉換成一生醫陶瓷骨支架。

為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

請一併參閱圖1至圖2，其中，圖1繪示本發明一較佳實施例之以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法之流程示意圖；圖2繪示根據本發明之方法所製作的矽酸鈣與羟磷灰石（HA）浸於類人工體液(SBF)四週後的之降解率示意圖。

如圖所示，本發明之以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其包括下列步驟：步驟a:使用繪圖軟體，以製得具有內連通孔結構的一三維陶瓷模型；步驟b:藉由一切層軟體將該三維陶瓷模型分割為數個二維截面圖案，每一二維截面圖內含有許多孔洞；步驟c:將二氧化矽及碳酸鈣依比例混合後與氧化鋯球放入一容器中，置於一球磨機中球磨使其呈半液態狀原料；步驟d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將該半液態狀原料均勻平鋪於一工作平台表面上；步驟e:透過一光源依照該二維截面圖案進行掃描，被該光源掃描過的區域產生固化效應凝固成單一層二維薄層，未掃描區域保持半液態狀原料；步驟f:將該升降平台下降一固定高度；步驟g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一三維陶瓷模型；步驟h:將該三維陶瓷模型置於一超音波震盪器內，加入去離子水清洗模型表面多餘原料，即可獲得一三維陶瓷生坯；以及步驟i:將該三維陶瓷生坯置於一高溫爐內進行熱處理，加熱至適當溫度並持溫一段時間，使二氧化矽及碳酸鈣進行化合反應成為一矽酸鈣生醫陶瓷。

於該步驟a中，使用繪圖軟體，以製得具有內連通孔結構的一三維陶瓷模型；其中，該繪製模型例如但不限於為一三維繪圖軟體，或由電腦斷層掃描或核磁共振影像取得骨骼結構二維截面圖，把擷取的二維斷面圖運用三維曲面軟體重新建構成高解析度的骨骼結構立體影像。

於該步驟b中，藉由一切層軟體將該三維陶瓷模型分割為數個二維截面圖案，每一二維截面圖內含有許多孔洞。

於該步驟c中，將二氧化矽及碳酸鈣依比例混合後與氧化鋯球放入一容器中，置於一球磨機中球磨使其呈半液態狀原料；其中，該二氧化矽及碳酸鈣的混合比例例如但不限於為80~95：20~5 wt%，該球磨機的轉速例如但不限於為15~60 RPM，球磨時間例如但不限於為1~3小時。

於該步驟d中，利用滾輪、刮刀或噴嘴將該半液態狀原料均勻平鋪於一工作平台表面上。

於該步驟e中，透過一光源依照該二維截面圖案進行掃描，被該光源掃描過的區域產生固化效應凝固成單一層二維薄層，未掃描區域保持半液態狀原料；其中，該光源例如但不限於為二氧化碳雷射光、NdYAG雷射光、UV光或UV加熱燈，其中該二氧化碳雷射光的功率例如但不限於為5~20W，掃瞄速度例如但不限於為50~300mm/秒以及掃描間距例如但不限於為0.05~0.2mm。

於該步驟f中，將該升降平台下降一固定高度；其中該升降平台的下降高度例如但不限於為25~100μm。

於該步驟g中，重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一三維陶瓷模型。

於該步驟h中，將該三維陶瓷模型置於一超音波震盪器內，加入去離子水清洗模型表面多餘原料，即可獲得一三維陶瓷生坯；其中該升降平台的下降高度例如但不限於為25~100μm。

於該步驟i中，將該三維陶瓷生坯置於一高溫爐內進行熱處理，加熱至適當溫度並持溫一段時間，使二氧化矽及碳酸鈣進行化合反應成為一矽酸鈣生醫陶瓷；其中該高溫爐的升溫速率例如但不限於為2~10 ℃/分，加熱至適當溫度例如但不限於為1300℃並持溫例如但不限於為1~3小時。

本發明是採用液態二氧化矽(SiO₂ )與碳酸鈣(CaCO₃ )粉末作為原料，均勻混和成具流動性與黏稠性的半液態狀，藉由雷射光加熱使材料產生固化(Solidify)反應成形陶瓷生坯，透過高溫熱處理將二氧化矽與碳酸鈣材料化合成wollastonite，其反應式如公式(1)。

CaCO₃₍ _固體 ₎ + SiO₂₍ _液體 ₎ = CaSiO₃₍ _固體 ₎ + CO₂₍ _氣體 ₎ ·····（1）

Wollastonite又名矽酸鈣(CaSiO3)，具有降解性能夠幫助骨骼再生。常用的生醫陶瓷材料如: 羟磷灰石(Hydroxyapatite，HA)與磷酸三鈣(Tricalcium phosphate，TCP)，雖然具有生物相容性(Biocompatibility)，但是其降解性不足。另外，常用的骨骼填充材料如:硫酸鈣與碳酸鈣，具有生物相容性與降解性特性，然而因為降解速率太快，新骨尚未形成就降解完畢。

如圖2所示，其為根據本發明之方法所製作的矽酸鈣與HA浸於類人工體液(SBF)四週後的之降解率實驗，由圖可知HA幾乎不降解，矽酸鈣與HA各50%其降解率為1.5 %，矽酸鈣之降解率為4 %。當矽酸鈣材料植入於人體後，會與人體體液中的HPO4化合成磷灰石(apatite)，不但具有生物相容性而且具有相當好的骨整合作用，可提升植體於人體的嵌合強度，而且具有適當降解速率，輔助新骨形成。

請參閱圖3，其繪示本發明之方法採用不同粒徑的二氧化矽與碳酸鈣為原料經高溫處理至1300℃後所化合成的矽酸鈣，其體積收縮率為2~5%之示意圖，然而羥磷灰石的收縮率高達38%。如圖3所示。雖然二氧化矽會膨脹，但碳酸鈣會收縮，使得矽酸鈣體積收縮率大幅下降，減少尺寸誤差與形狀變形。大幅降低生醫陶瓷的收縮率與變形量是本發明之生醫陶瓷製造方法的一大特點: 能把矽酸鈣製作成尺寸誤差少而符合臨床使用的各製化人工骨骼植入物。

請一併參閱圖4至圖7d，其中，圖4繪示本發明另一較佳實施例之矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法之流程示意圖；圖5繪示本發明另一較佳實施例之雷射掃描系統之方塊示意圖；圖6繪示本發明根據另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於不同溫度熱處理後，進行XRD成份分析之示意圖；圖7(a)繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度900℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖；圖7(b)繪示本發明根據另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1100℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖；圖7(c)繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1300℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖；圖7(d)繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1500℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖。

如圖所示，本發明之矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法，其包括下列步驟：步驟a: 備製陶瓷-高分子基複合漿料，以製作骨支架；步驟b:使用三維繪圖軟體，繪製具有內連通孔結構的陶瓷骨骼支架；步驟c:藉由切層軟體將三維支架模型分割為數個二維截面圖案，此二維截面圖內含有許多孔洞；步驟d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將半液態狀陶瓷-高分子基複合漿料均勻平鋪於一工作平台表面上；步驟e:透過一雷射掃描系統10發出雷射光對該複合漿料加熱使其固化成型陶瓷-高分子基複合薄層；步驟f:將該升降平台下降一固定高度；步驟g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一陶瓷-高分子基複合材料元件；步驟h:以去離子水移除未固化之複合漿料，即可獲得一三維陶瓷-高分子基複合材料生坯；以及步驟i: 將該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯置於一高溫爐內進行熱處理，使該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯轉換成一生醫陶瓷骨支架。

於該步驟a中，備製陶瓷-高分子基複合漿料，以製作骨支架；其中，該陶瓷-高分子基複合漿料例如但不限於為係由生醫陶瓷粉末、高分子粉末以及去離子水所構成，或由二氧化矽粉末、碳酸鈣粉末、聚乙烯醇水溶液加入鋯球進行球磨而成，其中，該二氧化矽粉末例如但不限於為20~80 wt%，該碳酸鈣粉末例如但不限於為20~60 wt%，該聚乙烯醇水溶液例如但不限於為20~50 wt%。

於該步驟b中，使用三維繪圖軟體，繪製具有內連通孔結構的陶瓷骨骼支架；其中，該繪製模型例如但不限於為一三維繪圖軟體，或由電腦斷層掃描或核磁共振影像取得骨骼結構二維截面圖，把擷取的二維斷面圖運用三維曲面軟體重新建構成高解析度的骨骼結構立體影像。

於該步驟c中，藉由切層軟體將三維支架模型分割為數個二維截面圖案，此二維截面圖內含有許多孔洞。

於該步驟d中，利用滾輪、刮刀或噴嘴將半液態狀陶瓷-高分子基複合漿料均勻平鋪於一工作平台表面上。

於該步驟e中，透過一雷射掃描系統發出雷射光對該複合漿料加熱使其固化成型陶瓷-高分子基複合薄層；其中，該雷射光例如但不限於為二氧化碳雷射光。

此外，如圖5所示，該雷射掃描系統10包括一雷射束11、一擴束鏡12、一雷射掃描器13、一F-θ透鏡14、一雷射功率計15以及一電腦16。為了穩定雷射加工參數，於加工先將該雷射束11照射於該雷射功率計15，讀取該雷射功率密度15，將取得之數值透過該電腦16分析後，進行電壓調整，適當調整該雷射束11的輸出功率，使材料所吸收的雷射功率密度一致，製作品質均一的陶瓷薄層。

於該步驟f中，將該升降平台下降一固定高度；其中該升降平台的下降高度例如但不限於為10~100μm。其中，高度之選用將依據原件結構的複雜程度以及原件孔隙率進行調整，當原件結構越複雜，則漿料層厚越薄，反之則越厚，以便縮減成型時間。於孔隙率部分，當原件孔隙率需求較低時，將選用層厚較薄之厚度，當原件孔隙率需求較高時，將選用高度較大之層厚。

於該步驟g中，重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一陶瓷-高分子基複合材料元件。透過此製程方式，可成型任何外部型狀以及內部結構之元件，例如陶瓷-高分子基複合仿生骨支架。

於該步驟h中，以去離子水移除未固化之複合漿料，即可獲得一三維陶瓷-高分子基複合材料生坯。待完成加工後，尚未經過該雷射束11照射之部分仍維持漿料狀，為了移除為固化之漿料，需使用去離子水將其移除，即可獲得一三維陶瓷-高分子基複合材料生坯(Green part)。

於該步驟i中，將該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯置於一高溫爐內進行熱處理，使該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯轉換成一生醫陶瓷骨支架。上述三維複合材料生坯含有聚乙烯醇高分子材料，其作用為固定三維陶瓷生胚結構，其機械強度不足。因此，需透過高溫熱處理方式使二氧化矽以及碳酸鈣產生化學反應，形成矽酸鈣。升溫速率為每分鐘2至10度，持溫時間為30至240分鐘。於高溫熱處理過程中，會先將溫度持溫至300度，此部分是為了將聚乙烯醇透過高溫崩解而燒出，使其陶瓷-高分子基複合仿生骨支架生胚轉換成生醫陶瓷骨支架。並且同時去除內部水份，防止於升溫時水份激烈揮發，造成生醫陶瓷骨支架產生裂紋而破壞。

如圖6所示，經由上述實施例所製作的生醫陶瓷材料於不同溫度熱處理後，進行XRD成份分析與SEM結晶形貌觀察時，於熱處理溫度900℃後，其成份大多是二氧化矽元素，以及少量之鈣元素。當熱處理溫度提升至1100℃時，大多二氧化矽已轉化成方晶石，並開始析出矽酸鈣(Wollastonite)。顯示碳酸鈣不僅能夠與二氧化矽化合成矽酸鈣，且能夠加速二氧化矽轉化成方晶石。當熱處理至1300℃及1500℃時，亦析出矽酸鈣(Wollastonite)。

隨著熱處理溫度的提升，其表面會開始析出不同尺寸結構之矽酸鈣。如圖7(a)所示，加熱溫度至900℃後，材料表面開始形成CaSiO₃ 。隨著溫度提升，其表面開始產生條狀之結晶物，如圖7(b)所示，達1100℃後產生Needle-like crystal。當溫度提升至1300℃。如圖7(c)，Needle-like結晶成長為長條針狀結構，此為β-Wollastonite的典型結晶形貌，代表1300 ℃確實能夠將二氧化矽與碳酸鈣化合成矽酸鈣。如圖7(d)所示，當溫度加熱至1500℃時，針狀結構消失，轉而形成尺寸較小的橢圓形α-Wollastonite。

請參照圖8，其繪示本發明另一較佳實施例之二氧化矽與矽酸鈣試片之細胞數目與培養天數關係圖之示意圖。為了證實本發明透過二氧化矽以及碳酸鈣所合成之碳酸鈣生醫陶瓷骨支架生物相容性，透過體外細胞培養觀察細胞是否能夠貼附於生醫陶瓷骨支架，以便後續骨生長以及骨整合。如圖8所示，為比較二氧化矽以及矽酸鈣生醫陶瓷骨支架體外細胞培養狀況。由圖中可觀察到，兩種材質所製作的支架，隨著培養時間的提升其細胞數量也會跟著增加。但矽酸鈣培養至第七天時細胞數量為二氧化矽的三倍，因此，矽酸鈣對於細胞貼附與生長確實有幫助。

請參照圖9，其繪示類骨母細胞(MG63)附著於本發明另一較佳實施例之生醫陶瓷材料表面之SEM圖之示意圖。如圖所示，根據本發明之方法所製作之生醫陶瓷骨支架體於一段時間後，類骨母細胞(MG63)可附著於該生醫陶瓷材料表面。

因此，根據本發明之以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法所製作之矽酸鈣生醫陶瓷其具有下列優點：1、其運用積層製造(Additive Manufacturing)技術不僅可以製造出傳統切削加工法無法造的複雜形狀陶瓷成品，而且能做出具有內連通孔結構的陶瓷，也能增加多孔陶瓷結構的機械性能；2、其所製造之矽酸鈣生醫陶瓷經細胞培養驗證其無毒性與生物相容性，而且矽酸鈣具有降解特性能夠幫助骨骼再生；3、其所製造之生醫陶瓷骨骼支架同時具有密質骨以及海綿骨結構，用於仿生天然骨之結構；4、具生醫降解性；以及5、可降低收縮率與變形量，因此，確實較習知技術具有進步性。

本發明所揭示者，乃較佳實施例之一種，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

10‧‧‧雷射掃描系統
11‧‧‧雷射束
12‧‧‧擴束鏡
13‧‧‧雷射掃描器
14‧‧‧F-θ透鏡
15‧‧‧雷射功率計
16‧‧‧電腦

圖1為一示意圖，其繪示本發明一較佳實施例之以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法之流程示意圖。　　圖2為一示意圖，其繪示根據本發明之方法所製作的矽酸鈣與羟磷灰石（HA）浸於類人工體液(SBF)四週後的之降解率示意圖。　　圖3為一示意圖，其繪示本發明之方法採用不同比例的矽酸鈣(Wollastonite)與羥磷灰石（HA）為原料經高溫處理至1300℃後，其體積收縮率為2~5%之示意圖。　　圖4為一示意圖，其繪示本發明另一較佳實施例，採用陶瓷-高分子基複合材料製作矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之流程示意圖。　　圖5為一示意圖，其繪示本發明另一較佳實施例之雷射掃描系統之方塊示意圖。　　圖6為一示意圖，其繪示本發明根據另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於不同溫度熱處理後，進行XRD成份分析之示意圖。　　圖7(a)為一示意圖，其繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度900℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖。　　圖7(b)為一示意圖，其繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1100℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖。　　圖7(c)為一示意圖，其繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1300℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖。　　圖7(d)為一示意圖，其繪示根據本發明另一較佳實施例所製作的生醫陶瓷材料於溫度1500℃熱處理後，進行SEM結晶形貌觀察之示意圖。　　圖8為一示意圖，其繪示本發明另一較佳實施例之二氧化矽與矽酸鈣試片之細胞數目與培養天數關係圖之示意圖。　　圖9為一示意圖，其繪示類骨母細胞(MG63)附著於本發明另一較佳實施例之生醫陶瓷材料表面之SEM圖之示意圖。

Claims

一種以三維列印技術製造具可降解之矽酸鈣生醫陶瓷之方法，其包括下列步驟： a:使用繪圖軟體，以製得具有內連通孔結構的一三維陶瓷模型；　　b:藉由一切層軟體將該三維陶瓷模型分割為數個二維截面圖案，每一二維截面圖內含有許多孔洞；　　c:將二氧化矽及碳酸鈣依比例混合後與氧化鋯球放入一容器中，置於一球磨機中球磨使其呈半液態狀原料； d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將該半液態狀原料均勻平鋪於一工作平台表面上；　　e:透過一光源依照該二維截面圖案進行掃描，被該光源掃描過的區域產生固化效應凝固成單一層二維薄層，未掃描區域保持半液態狀原料；　　f:將該升降平台下降一固定高度；　　g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一三維陶瓷模型； h:將該三維陶瓷模型置於一超音波震盪器內，加入去離子水清洗模型表面多餘原料，即可獲得一三維陶瓷生坯；以及　　i:將該三維陶瓷生坯置於一高溫爐內進行熱處理，加熱至適當溫度並持溫一段時間，使二氧化矽及碳酸鈣進行化合反應成為一矽酸鈣生醫陶瓷。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該步驟a中，該繪製模型可使用一三維繪圖軟體，或由電腦斷層掃描或核磁共振影像取得骨骼結構二維截面圖，把擷取的二維斷面圖運用三維曲面軟體重新建構成高解析度的骨骼結構立體影像。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該步驟c中，該二氧化矽及碳酸鈣的混合比例為80~95：20~5 wt%，該球磨機的轉速為15~60 RPM，球磨時間為1~3小時。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該步驟e中，該光源為二氧化碳雷射光、NdYAG雷射光、UV光或UV加熱燈，其中該二氧化碳雷射光的功率為5~20W，掃瞄速度為50~300mm/秒以及掃描間距為0.05~0.2mm。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該步驟f中，該升降平台的下降高度為25~100μm。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中於該步驟i中，該高溫爐的升溫速率為2~10 ℃/分，加熱至適當溫度為1300℃並持溫1~3小時。
一種矽酸鈣生醫陶瓷骨支架之製作方法，其包括下列步驟：　　a:備製陶瓷-高分子基複合漿料，以製作骨支架；　　b:使用三維繪圖軟體，繪製具有內連通孔結構的陶瓷骨骼支架；　　c: 藉由切層軟體將三維支架模型分割為數個二維截面圖案，此二維截面圖內含有許多孔洞；　　d:利用滾輪、刮刀或噴嘴將半液態狀陶瓷-高分子基複合漿料均勻平鋪於一工作平台表面上；　　e:透過一雷射掃描系統發出雷射光對該複合漿料加熱使其固化成型陶瓷-高分子基複合薄層；　　f:將該升降平台下降一固定高度；　　g:重覆(d)-(f)步驟直到建構完成一陶瓷-高分子基複合材料元件；　　h:以去離子水移除未固化之複合漿料，即可獲得一三維陶瓷-高分子基複合材料生坯；以及 i:將該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯置於一高溫爐內進行熱處理，使該三維陶瓷-高分子基複合材料生坯轉換成一生醫陶瓷骨支架。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中於該步驟a中，該陶瓷-高分子基複合漿料係由生醫陶瓷粉末、高分子粉末以及去離子水所構成，或由二氧化矽粉末、碳酸鈣粉末、聚乙烯醇水溶液加入鋯球進行球磨而成，其中，該二氧化矽粉末為20~80 wt%，該碳酸鈣粉末為20~60 wt%，該聚乙烯醇水溶液為20~50 wt%。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中於該步驟b中，該繪製模型可使用一三維繪圖軟體，或由電腦斷層掃描或核磁共振影像取得骨骼結構二維截面圖，把擷取的二維斷面圖運用三維曲面軟體重新建構成高解析度的骨骼結構立體影像。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中於該步驟e中，該雷射光為二氧化碳雷射光，該雷射掃描系統包括一雷射束、一擴束鏡、一雷射掃描器、一F-θ透鏡、一雷射功率計以及一電腦；於該步驟f中，該升降平台的下降高度為10~100μm。