本发明涉及生物制造或生物医用材料技术领域，尤其涉及一种三维打印生物陶瓷复合支架及其应用。
背景技术：
生物陶瓷是骨缺损修复的首选材料，主要包括磷酸钙陶瓷、硅酸盐陶瓷和碳酸钙陶瓷等。生物陶瓷做成多孔支架后，可以实现结构上的骨传导，促进材料的降解被吸收，从而加速骨重建和再生。
采用传统方法(造孔剂法、冷冻浇筑法、气体发泡法、有机泡沫浸渍法，等)制备的生物陶瓷支架由于孔结构不均匀，容易引起应力集中，会导致力学性能急剧下降。三维打印(也叫快速成型或增材制造)法制备的多孔生物陶瓷支架孔结构均匀可控，完全三维孔连通，其力学强度明显比其他方法制备的支架高。然而，生物陶瓷始终存在脆性大、韧性和抗疲劳性能较差的固有缺点，三维打印生物陶瓷支架被限制用于非承重部位或低承重部位骨缺损的修复。另外，三维打印采用的浆料中有机物和液相含量较高，且生物陶瓷的烧结性能较差，因此三维打印生物陶瓷支架中除了设计的大孔外，起支撑作用的纤维还存在大量的微孔，使得生物陶瓷支架的强度低、韧性差。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维打印生物陶瓷复合支架及其应用，该生物陶瓷复合支架强度高且韧性好。
本发明提供了一种生物陶瓷复合支架，由以下方法制得：
将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃；
将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体；
将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。
优选地，所述生物玻璃助烧剂粉末中包括痕量元素；
所述痕量元素选自镁元素、硼元素、锌元素、铁元素、银元素、铜元素和锶元素中的一种或多种。
优选地，所述可降解金属粉末选自铁、镁、铁合金和镁合金中的一种或多种。
优选地，所述生物陶瓷粉末选自磷酸钙陶瓷粉末、硅酸盐陶瓷粉末和碳酸钙陶瓷粉末中的一种或多种。
优选地，所述磷酸钙陶瓷粉末选自羟基磷灰石、β-磷酸三钙、磷酸四钙、α-磷酸三钙、磷酸氢钙中的一种或多种；
所述硅酸盐陶瓷粉末选自硅酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、镁黄长石、白硅钙石和硅酸镁中的一种或多几种。
优选地，所述生物陶瓷粉末、可降解金属粉末和生物玻璃助烧剂粉末的质量比为35～99.8：0.1～64.9：0.1～64.9。
优选地，所述粘结剂溶液中的粘结剂选自聚乙烯醇、甲基纤维素、石蜡、聚乙烯缩丁醛、聚乙二醇、合成橡胶、聚吡咯烷酮和羟丙基纤维素中的一种或多种。
优选地，所述烧结的温度为650～1300℃；所述烧结的时间为1～300min。
优选地，所述生物陶瓷复合支架的孔径为100～1000微米；所述生物陶瓷复合支架的孔隙率为25～75％。
本发明提供了一种上述技术方案所述生物陶瓷复合支架在骨缺损修复材料制备中的应用。
本发明提供了一种生物陶瓷复合支架，由以下方法制得：将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃；将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体；将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。本发明提供的生物陶瓷复合支架通过在原料中引入可降解金属粉末和特定种类的生物玻璃助烧剂粉末，通过三维打印法制备，使其强度高、韧性好。另外，该复合支架抗疲劳性能好和孔结构精确可控。实验结果表明：该生物陶瓷复合支架的孔径为100～1000μm，完全三维孔连通，孔隙率为25～75％，抗压强度为5～200mpa，断裂韧性为0.1～6mpa·m1/2。
具体实施方式
本发明提供了一种生物陶瓷复合支架，由以下方法制得：
将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃；
将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体；
将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。
本发明提供的生物陶瓷复合支架通过在原料中引入可降解金属粉末和特定种类的生物玻璃助烧剂粉末，通过三维打印法制备，使其强度高、韧性好、抗疲劳性能好和孔结构精确可控。
在本发明中，所述生物陶瓷复合支架的孔径优选为100～1000微米；所述生物陶瓷复合支架的孔隙率优选为25～75％。抗压强度优选为5～200mpa，更优选为5～150mpa。
本发明将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃。在本发明中，所述生物陶瓷粉末优选选自磷酸钙陶瓷粉末、硅酸盐陶瓷粉末和碳酸钙陶瓷粉末中的一种或多种；所述磷酸钙陶瓷粉末优选选自羟基磷灰石、β-磷酸三钙、磷酸四钙、α-磷酸三钙、磷酸氢钙中的一种或多种，更优选选自β-磷酸三钙和羟基磷灰石中的一种或多种；所述硅酸盐陶瓷粉末优选选自硅酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、镁黄长石、白硅钙石和硅酸镁中的一种或多几种，更优选选自硅酸钙、镁黄长石和硅酸镁中的一种或多种。在本发明中，所述生物陶瓷粉末的粒度优选为0.1～200μm。
在本发明中，所述可降解金属粉末优选选自铁、镁、铁合金和镁合金中的一种或多种；在本发明的具体实施例中，所述可降解金属粉末具体为纯铁粉末、纯镁粉末或铁锰合金。在本发明中，所述可降解金属粉末的粒度优选为0.1～200μm。在本发明中，所述可降解金属粉末能够提高复合支架的强度和韧性。
在本发明中，所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃(sio2-cao系统)和/或磷酸盐玻璃(p2o5-na2o系统)；所述生物玻璃助烧剂粉末中优选包括痕量元素；所述痕量元素的存在利于成骨和血管化；所述痕量元素优选选自镁元素、硼元素、锌元素、铁元素、银元素、铜元素和锶元素中的一种或多种。在本发明中，所述生物玻璃助烧剂粉末能够提高复合支架纤维支撑部分的致密性。在本发明中，所述生物玻璃助烧剂粉末的粒度优选为0.1～200μm。在本发明中，所述生物玻璃助烧剂粉末的熔点优选为250～1250℃。在本发明的具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含zn和cu的磷酸盐玻璃，其成分为49p2o5-23na2o18cao-5zno-5cuo；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含ag的磷酸盐玻璃，其成分为50p2o5-28na2o-6ago-16cao；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含li和b的磷酸盐玻璃，其成分为55p2o5-20na2o-16cao-4li2o-5b2o3；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含cu的磷酸盐玻璃，其成分为48p2o5-25na2o-20cao-7cuo；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含b的硅酸盐玻璃，其成分为45sio2-30cao-15na2o-4p2o5-6b2o3；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含zn和sr的硅酸盐玻璃，其成分为50p2o5-25na2o-10cao-5zno-10sro；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含b的硅酸盐玻璃，其成分为49sio2-39cao-2p2o5-10b2o5-b2o3；在本发明的一个具体实施例中，所述生物玻璃助烧剂粉末具体为含sr的硅酸盐玻璃，其成分为46p2o5-23na2o-15cao-16sro。
在本发明中，所述生物陶瓷粉末、可降解金属粉末和生物玻璃助烧剂粉末的质量比优选为35～99.8：0.1～64.9∶0.1～64.9。本发明可以通过控制生物陶瓷成分、生物玻璃助烧剂成分和可降解金属粉末成分的降解速率不同，可以通过改变组分，调控材料的降解速率。在本发明的具体实施例中，所述生物陶瓷粉末、可降解金属粉末和生物玻璃助烧剂粉末的质量比具体为60：25：15；或50∶20∶30；或45∶35∶20；或45∶20∶35；或80∶10∶10；或55：20∶25；或65∶25∶10。
在本发明中，所述粘结剂溶液中的粘结剂优选选自聚乙烯醇、甲基纤维素、石蜡、聚乙烯缩丁醛、聚乙二醇、合成橡胶、聚吡咯烷酮和羟丙基纤维素中的一种或多种。所述粘结剂溶液的质量浓度优选为1～40％。本发明对所述粘结剂溶液中的溶剂没有特殊的限制，能够溶解粘结剂即可，后期处理过程将溶剂会受热除去。在本发明中，所述粘结剂的质量与所述生物陶瓷粉末、可降解金属粉末和生物玻璃助烧剂粉末总质量的比优选为0.05～10：100。
本发明将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体。在本发明中，所述三维打印法的类型为三维绘图打印、喷墨打印、自动注浆打印或熔融沉积打印。具体的，本发明将复合支架坯体的三维模型导入三维打印机中，再将所述浆料装入三维打印机的料腔中，在压缩空气的作用下挤出纤维，层层堆积，得到复合支架坯体。
本发明将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。在本发明中，所述无氧环境优选通过氮气或氩气或抽真空实现。在本发明中，所述脱脂处理的温度优选为200～750℃；所述脱脂处理的时间优选为30～600min。在本发明中，所述烧结优选在氮气气氛或氩气气氛下进行；所述烧结的温度优选为650～1300℃；所述烧结的时间优选为1～300min。
本发明还提供了一种上述技术方案所述生物陶瓷复合支架在骨缺损修复材料制备中的应用。
在本发明中，所述生物陶瓷复合支架可以用于非承重部位如松质骨部位、颅骨、颌面部等骨缺损的填充修复，也可以用于部分承重部位如尺骨、桡骨、上下颌骨、脊柱、股骨等的骨缺损修复。
本发明提供了一种生物陶瓷复合支架，由以下方法制得：将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃；将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体；将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。本发明提供的生物陶瓷复合支架通过在原料中引入可降解金属粉末和特定种类的生物玻璃助烧剂粉末，通过三维打印法制备，使其强度高、韧性好。另外，该复合支架抗疲劳性能好和孔结构精确可控。实验结果表明：该生物陶瓷复合支架的孔径为100～1000μm，完全三维孔连通，孔隙率为25～75％，抗压强度为5～200mpa，断裂韧性为0.1～6mpa·m1/2。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种三维打印生物陶瓷复合支架及其应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
三维打印β-磷酸三钙陶瓷复合支架的方法为：
将β-磷酸三钙、含sr生物玻璃助烧剂(成分为46p2o5-23na2o-15cao-16sro)和纯铁粉加入到甲基纤维素溶液中，球磨后得到均匀的混合物。β-磷酸三钙、含sr生物玻璃助烧剂和纯铁粉的质量比为60：25∶15。甲基纤维素溶液的浓度为1.5wt％。以β-磷酸三钙、含sr生物玻璃助烧剂、纯铁粉和羧甲基纤维素的总质量100％计，羧甲基纤维素的质量百分数为0.5％。
将混合物装入自动注浆成型机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在真空条件下缓慢升温至650℃保温180min，然后放入氩气气氛的烧结炉中，升温至1100℃，保温120min，自然降温，得到β-磷酸三钙陶瓷复合支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得β-磷酸三钙陶瓷复合支架的孔隙率为55％，孔径约为400μm，用万能材料试验机测得抗压强度为40mpa，断裂韧性为1.8mpa·m1/2。
实施例2
三维打印硅酸钙陶瓷复合支架的方法为：
将硅酸钙、含b生物玻璃助烧剂(49sio2-39cao-2p2o5-10b2o5-b2o3)和纯镁粉加入合成橡胶溶液中，球磨后得到均匀的混合物。硅酸钙、含si和b生物玻璃助烧剂、纯镁粉的质量比为50∶20∶30。合成橡胶的浓度为9wt％。以硅酸钙、含si和b生物玻璃助烧剂、纯镁粉和合成橡胶的总质量100％计，合成橡胶的质量百分数为6％。
将混合物装入三维绘图机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在真空条件下缓慢升温至550℃保温120min，然后放入氩气气氛的烧结炉中，升温至700℃，保温60min，自然降温，得到硅酸钙陶瓷复合支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得硅酸钙陶瓷复合支架的孔隙率为45％，孔径约为600μm，用万能材料试验机测得抗压强度为30mpa，断裂韧性为1.2mpa·m1/2。
实施例3
三维打印碳酸钙复合支架的方法为：
将碳酸钙、含zn和sr生物玻璃助烧剂(成分为50p2o5-25na2o-10cao-5zno-10sro)和纯镁粉加入聚乙烯醇缩丁醛溶液中，球磨后得到均匀的混合物。碳酸钙、含zn和sr生物玻璃助烧剂、纯镁粉的质量比为45∶35∶20。聚乙烯醇缩丁醛溶液中的浓度为7.5wt％。以碳酸钙、含zn和sr生物玻璃助烧剂、纯镁粉和聚乙烯醇缩丁醛的总质量100％计，聚乙烯醇缩丁醛的质量百分数为1.5％。
将混合物装入自动注浆机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在氩气条件下缓慢升温至550℃保温120min，然后在氩气气氛升温至700℃，保温30min，自然降温，得到碳酸钙陶瓷复合支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得硅酸钙复合陶瓷支架的孔隙率为40％，孔径约为350μm，用万能材料试验机测得抗压强度为25mpa，断裂韧性为1mpa·m1/2。
实施例4
β-磷酸三钙/硅酸钙复合支架的制备方法如下：
将β-磷酸三钙、硅酸钙、含b生物玻璃助烧剂(45sio2-30cao-15na2o-4p2o5-6b2o3)、铁锰合金粉加入石蜡溶液中，球磨后得到均匀的混合物。β-磷酸三钙、硅酸钙、含b生物玻璃助烧剂、铁锰合金粉的质量比为25∶35∶25∶15。石蜡溶液的浓度为12wt％。以β-磷酸三钙、硅酸钙、含b生物玻璃助烧剂、铁锰合金粉和石蜡的总质量100％计，石蜡的质量百分数为3％。
将混合物装入熔融沉积型三维打印机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在氮气条件下缓慢升温至410℃，保温120min，然后在氮气气氛升温至1120℃，保温120min，自然降温，得到β-磷酸三钙/硅酸钙复合陶瓷支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得β-磷酸三钙/硅酸钙复合陶瓷支架的孔隙率为50％，孔径约为300μm，用万能材料试验机测得支架的抗压强度为90mpa，断裂韧性为2mpa·m1/2。
实施例5
羟基磷灰石复合陶瓷支架的制备方法如下：
将羟基磷灰石、含cu生物玻璃助烧剂(成分为48p2o5-25na2o-20cao-7cuo)、铁粉加入聚乙烯醇溶液中，球磨后得到均匀的混合物。羟基磷灰石、含cu生物玻璃助烧剂、铁粉的质量比为45：20：35。聚乙烯醇溶液的浓度为8wt％。以羟基磷灰石、含cu生物玻璃助烧剂、铁粉和聚乙烯醇的总质量100％计，聚乙烯醇的质量百分数为2％。
将混合物装入三维绘图机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在氩气条件下缓慢升温至600℃保温180min，然后在氩气气氛升温至1250℃，保温120min，自然降温，得到羟基磷灰石复合陶瓷支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得β-磷酸三钙/羟基磷灰石复合陶瓷支架的孔隙率为40％，孔径约为200μm，用万能材料试验机测得抗压强度为150mpa，断裂韧性为5mpa·m1/2。
实施例6
三维打印镁黄长石复合陶瓷支架的方法如下：
将镁黄长石、含li和b生物玻璃助烧剂(成分为55p2o5-20na2o-16cao-4li2o-5b2o3)和铁粉加入羟丙基纤维素溶液中，球磨后得到均匀的混合物。镁黄长石、含si和b生物玻璃助烧剂、铁粉的质量比为80：10：10。羟丙基纤维素溶液的浓度为7wt％。以镁黄长石、含si和b生物玻璃助烧剂、铁粉和羟丙基纤维素的总质量100％计，羟丙基纤维素的质量百分数为1.3％。
将混合物装入自动注浆机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在抽真空条件下缓慢升温至550℃保温90min，然后在氮气气氛升温至1150℃，保温90min，自然降温，得到镁黄长石复合陶瓷支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得镁黄长石复合陶瓷支架的孔隙率为65％，孔径约为750μm，用万能材料试验机测得抗压强度为6mpa，断裂韧性为0.8mpa·m1/2。
实施例7
三维打印硅酸镁复合陶瓷支架的方法如下：
将硅酸镁、含ag生物玻璃助烧剂(成分为50p2o5-28na2o-6ago-16cao)、纯镁粉加入聚乙烯醇溶液中，球磨后得到均匀的混合物。硅酸镁、含ag生物玻璃助烧剂、纯镁粉的质量比为55：20：25。聚乙烯醇的浓度为8wt％。以镁硅酸、含ag生物玻璃助烧剂、纯镁粉和聚乙烯醇的总质量100％计，聚乙烯醇的质量百分数为1.4％。
将混合物装入喷墨打印机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在氩气气氛下缓慢升温至600℃保温60min，然后在氮气气氛升温至750℃，保温60min，自然降温，得到硅酸镁复合陶瓷支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得硅酸镁复合陶瓷支架的孔隙率为43％，孔径约为460μm，用万能材料试验机测得抗压强度为37mpa，断裂韧性为1.3mpa·m1/2。
实施例8
三维打印α-磷酸三钙/羟基磷灰石复合陶瓷支架的方法如下：
将α-磷酸三钙、羟基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助烧剂(成分为49p2o5-23na2o18cao-5zno-5cuo)、铁锰合金粉加入甲基纤维素溶液中，球磨后得到均匀的混合物。α-磷酸三钙、羟基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助烧剂、铁锰合金粉的质量比为35∶30∶25∶10。甲基纤维素的浓度为0.9wt％。以α-磷酸三钙、羟基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助烧剂、铁锰合金粉和甲基纤维素的总质量100％计，甲基纤维素的质量百分数为0.3％。
将混合物装入自动注浆机的浆料腔中，根据设计的支架三维结构的三维模型，打印得到复合支架坯体；将复合支架坯体放入炉中，在氩气气氛下缓慢升温至540℃保温120min，然后在抽真空条件下升温至1200℃，保温120min，自然降温，得到α-磷酸三钙/羟基磷灰石复合陶瓷支架，即生物陶瓷复合支架。
用μ-ct测得α-磷酸三钙/羟基磷灰石复合陶瓷支架的孔隙率为58％，孔径约为550μm，用万能材料试验机测得抗压强度为60mpa，断裂韧性为3mpa·m1/2。
由以上实施例可知，本发明提供了一种生物陶瓷复合支架，由以下方法制得：将生物陶瓷粉末、可降解金属粉末、生物玻璃助烧剂粉末和粘结剂溶液混合，得到浆料；所述生物玻璃助烧剂粉末选自硅酸盐玻璃和/或磷酸盐玻璃；将所述浆料采用三维打印法打印，得到复合支架坯体；将所述复合支架坯体在无氧环境下脱脂，然后烧结，得到生物陶瓷复合支架。本发明提供的生物陶瓷复合支架通过在原料中引入可降解金属粉末和特定种类的生物玻璃助烧剂粉末，通过三维打印法制备，使其强度高、韧性好。另外，该复合支架抗疲劳性能好和孔结构精确可控。实验结果表明：该生物陶瓷复合支架的孔径为100～1000μm，完全三维孔连通，孔隙率为25～75％，抗压强度为5～200mpa，断裂韧性为0.1～6mpa·m1/2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。