本发明涉及用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料及其制备方法和采用该浆料制备制品的方法。
背景技术：
在再生医学中，组织工程是一个非常有吸引力的研究领域，随着数字化设计制造技术及生物陶瓷材料的发展，骨骼修复体的应用已被逐渐引入临床实践，其中，基于支架的骨修复/再生是一个研究的热点。众所周知，骨头要达到自愈能力，必须要有外部干预才能恢复正常功能。除了自体移植、同种异体移植之外，骨再生(即异种移植术、三维结构支架等)技术已成为一种修复受损或病变骨组织的很有实用前景的方法。生物支架可模拟细胞外基质，即可提供机械支持或作为细胞附着的模板。此外，它还能够提供相互关联的孔隙结构和高孔隙率，允许细胞迁移、养分和废物的扩散以及药物的运载。人体骨骼形状复杂，密质骨相对密实，孔隙率较低，松质骨呈疏松的海绵状，孔隙率较高，属于多级空隙结构。为提高骨骼修复体的生物兼容性，促进人体组织的长入，修复体应具有多级空隙结构。
常规制备多孔支架的方法有微波加热工艺、添加造孔剂工艺、溶胶-凝胶工艺、有机泡沫涂层工艺及颗粒堆积工艺等。总体来说，上述制备工艺复杂、周期长、成本高、气孔分布不可控，且难以按照病人的个体差异定制。
此外，随着人民生活水平的提高，牙科修复材料也越来越受到人们的重视。据相关资料表明，我国人口龋齿发病率约为37％，全国龋齿患者有将近5亿，龋齿总的数量庞大。在成年人中，牙周病患者大约为50％，由此可见我国牙科材料市场十分广阔。牙科材料产品的市场主要取决于口腔医学的发展和人们生活水平的提高，作为一种医用消耗品，它的需求量非常的大。每个人的牙齿都是一颗独特的个体，无法实现量产。如何才能快捷、高效、安全地为患者制备一颗亟待用于诊疗的牙齿。
3d打印是一种利用材料堆积法制造实物产品的一项快速成型技术，无需传统的机械加工设备和工艺，显著地缩短了产品开发周期，增强了企业的竞争能力，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。目前，基于光数字成型技术的3d打印机技术日趋成熟，但受制于光固化打印材料本身的限制，生物陶瓷材料并不能直接将通过光固化成型。将光敏树脂与生物陶瓷材料复合成液体浆料，把所打印模型分层切割后利用光数字技术逐层投影到液体表面，光敏树脂在一定波长的光作用下发生聚合反应，同时将周围的陶瓷颗粒粘连起来最终固化成一定形状。
专利号cn105770988a公布了一种基于3d打印的骨修复生物陶瓷材料及其制备方法，按照打印程序，浆料由针管挤出，得到生物陶瓷材料的前驱体，将该前驱体置于真空干燥箱中抽除氯仿后得到所述生物陶瓷材料。这种技术受其挤压工艺的限制，浆料固含量的适用范围窄，打印时间长，可调节孔径范围有限，这对快速制备多级空隙结构优势不明显。此外，丝材间不可避免的会出现堆积不致密的间隙，这势必会影响生物陶瓷致密度的提高。
技术实现要素：
本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料及其制备方法和采用该浆料制备制品的方法的技术方案，解决了现有基于光数字成型技术的3d打印机技术制备生物陶瓷材料的问题，同时可应用于骨修复生物陶瓷支架等产品的制备，该生物陶瓷的制备方法只需采用特殊工艺将物料进行充分润湿、分散、均化，然后经过脱泡处理即可获取，方法简单易控，可实现规模化生产。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料，其特征在于包括由如下重量百分比的组分组成：
用于固化生物陶瓷浆料的光源为波长340～420nm的紫外光。
优选的，低聚物为聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、不饱和聚酯树脂中的一种或两种以上混合物。
优选的，单体为环己烷二甲醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、(2)丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的一种或两种以上混合物。
优选的，生物陶瓷粉末为氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、生物活性玻璃、磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷、羟基磷灰石陶瓷中的一种或两种以上混合物。
优选的，光引发剂为1-羟基-环己基-苯甲基酮、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯、异丙基硫杂蒽酮(2,4异构体混合物)、二苯甲酮、安息香二甲醚中的一种或两种以上混合物。
优选的，分散剂包括磷酸酯、季铵盐、二元羧酸、油酸、硬脂酸、烷氧基磷酸铵、柠檬酸三铵、聚丙烯酸胺、聚丙烯酸钠中的一种或两种以上混合物。
优选的，颜料为无机颜料或有机颜料中的一种或两种以上混合物，其中无机颜料为钛白、氧化锌、立德粉、炭黑、氧化铁黑、氧化铁红、钼铬红、镉红、铅铬黄、锌铬黄、镉黄、铁黄、氧化铬绿、铅铬绿、铁蓝、钴蓝、群青、氧化铈、氧化铒、氧化镨、氧化钇及氧化钕，有机颜料为单偶氮黄颜料、单偶氮橙颜料、双偶氮颜料、β-萘酚颜料、萘酚as颜料、偶氮红颜料色淀、苯并咪唑酮颜料、双偶氮缩合颜料、蒽醌颜料、钛菁颜料。
优选的，其他助剂为流平剂、消泡剂、阻聚剂、防尘剂、抑制剂、稳定剂中的一种或两种以上混合物。
制备如上述的一种用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将生物陶瓷粉末和分散剂逐步加入到低聚物和单体的混合液中，当固含量达到20～40vol％时，在高速剪切搅拌机中混合均化2～5h；
2)增量加入生物陶瓷粉末，当固含量为30～70vol％时，混合20～25h；
3)最后加入颜料、光引发剂及其他助剂，再次混合1～4h；
4)将混合均化后的生物陶瓷浆料装入密闭避光容器中待用。
如上述的一种用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料制备制品的方法，其特征在于包括如下步骤：将生物陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型3d打印机进行逐层打印成型，继而得到相应的生物陶瓷制品，然后对其进行烧结处理，其烧结过程是首先将锆珠铺满于容器内，然后将样品托放置于锆珠上，接着将生物陶瓷放到样品托上，最后以设定控温速率进行脱脂、致密化烧结和热处理，获得生物陶瓷烧结制品。
进一步，铺满的锆珠大小均一，直径统一为1～5mm，具有流动性，能使样品托在锆珠上进行低摩擦滑动。
进一步，样品托的热收缩尺寸在相应的温度阶段与生物陶瓷的热收缩尺寸在相应的温度阶段，二者的差值不超过1％。
进一步，生物陶瓷样品的壁厚尺寸在1.5～5mm范围内，烧结过程中的温度控制如下：
(1)25℃～300℃，25℃/小时，保温2h；
(2)300℃～650℃，25℃/小时，保温2h；
(3)650℃～1050℃，150℃/小时，保温0.5h；
(4)1050℃～1500℃，300℃/小时，保温3h；
进一步，生物陶瓷样品的壁厚尺寸在0.5mm～1.5mm范围内，烧结过程中的温度控制如下：
(1)25℃～650℃，80℃/小时，保温2h；
(2)650℃～1050℃，110℃/小时，保温0.5h；
(3)1050℃～1500℃，300℃/小时，保温3h；
(4)自然冷却至室温。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明的生物陶瓷浆料，是通过在生物陶瓷粉末中加入适量的光敏树脂和助剂，即可获得流变性优异、粘度低、光固化速率高的生物陶瓷浆料，能够适用于光数字成型陶瓷3d打印，以获得具有高精度、复杂结构，机械物理生物性能优异的生物陶瓷制品；
2、本发明提供的dlp面曝光三维制造成型的氧化铝生物陶瓷、dlp面曝光三维制造成型的氧化锆生物陶瓷、dlp面曝光三维制造成型的生物活性玻璃生物陶瓷、dlp面曝光三维制造成型的磷酸钙生物陶瓷、dlp面曝光三维制造成型的硫酸钙生物陶瓷、dlp面曝光三维制造成型的羟基磷灰石生物陶瓷，在人工髋关节、人工骨、人工牙根和关节、骨支架、骨置换、骨修复等方面具有极其特殊的应用；
3、本发明采用dlp面曝光三维制造成型3d打印生物陶瓷，此过程不需要机械加工或模具开模，只需利用一台紫外光数字成型技术的3d打印机，就可以直接从计算机图形数据中生产形状特别复杂、图形特别精致的生物陶瓷构件，从而极大地缩短制品的研制/生产周期，进而提高效率和降低成本。
具体实施方式
本发明用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料，包括由如下重量百分比的组分组成：
用于固化生物陶瓷浆料的光源为波长340～420nm的紫外光。
优选的，低聚物为聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、不饱和聚酯树脂中的一种或两种以上混合物。
优选的，单体为环己烷二甲醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、(2)丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的一种或两种以上混合物。
优选的，生物陶瓷粉末为氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、生物活性玻璃、磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷、羟基磷灰石陶瓷中的一种或两种以上混合物。
优选的，光引发剂为1-羟基-环己基-苯甲基酮、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、2-甲基-1-[4-(甲硫基)苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯、异丙基硫杂蒽酮(2,4异构体混合物)、二苯甲酮、安息香二甲醚中的一种或两种以上混合物。
优选的，分散剂包括磷酸酯、季铵盐、二元羧酸、油酸、硬脂酸、烷氧基磷酸铵、柠檬酸三铵、聚丙烯酸胺、聚丙烯酸钠中的一种或两种以上混合物。
优选的，颜料为无机颜料或有机颜料中的一种或两种以上混合物，其中无机颜料为钛白、氧化锌、立德粉、炭黑、氧化铁黑、氧化铁红、钼铬红、镉红、铅铬黄、锌铬黄、镉黄、铁黄、氧化铬绿、铅铬绿、铁蓝、钴蓝、群青、氧化铈、氧化铒、氧化镨、氧化钇及氧化钕，有机颜料为单偶氮黄颜料、单偶氮橙颜料、双偶氮颜料、β-萘酚颜料、萘酚as颜料、偶氮红颜料色淀、苯并咪唑酮颜料、双偶氮缩合颜料、蒽醌颜料、钛菁颜料。
优选的，其他助剂为流平剂、消泡剂、阻聚剂、防尘剂、抑制剂、稳定剂中的一种或两种以上混合物。
制备如上述的一种用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料的方法，包括如下步骤：
1)将生物陶瓷粉末和分散剂逐步加入到低聚物和单体的混合液中，当固含量达到20～40vol％时，在高速剪切搅拌机中混合均化2～5h；
2)增量加入生物陶瓷粉末，当固含量为30～70vol％时，混合20～25h；
3)最后加入颜料、光引发剂及其他助剂，再次混合1～4h；
4)将混合均化后的生物陶瓷浆料装入密闭避光容器中待用。
如上述的一种用于dlp面曝光成型三维制造的生物陶瓷浆料制备制品的方法，包括如下步骤：将生物陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型3d打印机进行逐层打印成型，继而得到相应的生物陶瓷制品，然后对其进行烧结处理，其烧结过程是首先将锆珠铺满于容器内，铺满的锆珠大小均一，直径统一为1～5mm，具有流动性，能使样品托在锆珠上进行低摩擦滑动，然后将样品托放置于锆珠上，样品托的热收缩尺寸在相应的温度阶段与生物陶瓷的热收缩尺寸在相应的温度阶段，二者的差值不超过1％，接着将生物陶瓷放到样品托上，最后以设定控温速率进行脱脂、致密化烧结和热处理，获得生物陶瓷烧结制品。
生物陶瓷样品的壁厚尺寸在1.5～5mm范围内，烧结过程中的温度控制如下：
(1)25℃～300℃，25℃/小时，保温2h；
(2)300℃～650℃，25℃/小时，保温2h；
(3)650℃～1050℃，150℃/小时，保温0.5h；
(4)1050℃～1500℃，300℃/小时，保温3h；
生物陶瓷样品的壁厚尺寸在0.5mm～1.5mm范围内，烧结过程中的温度控制如下：
(1)25℃～650℃，80℃/小时，保温2h；
(2)650℃～1050℃，110℃/小时，保温0.5h；
(3)1050℃～1500℃，300℃/小时，保温3h；
(4)自然冷却至室温。
实施例1：制备氧化锆基生物陶瓷牙齿
氧化锆生物陶瓷是一种主要的生物惰性陶瓷，且具有很高的断裂强度、弹性模量及断裂韧性。在生理环境中，又具有很高的化学稳定性和热稳定性。故而，很适合用于制备生物陶瓷牙。
称取d50为300nm尺度，密度为5.89g/cm3的氧化锆粉末120g，在真空烘箱中于120℃烘干8小时后，待用；称取6.4g的氧化铈、1.9g的氧化铒和3.6g的硬脂酸，连同上述氧化锆粉末一同加入到50ml的乙醇溶剂中，分别加入粒径为～5mm和～2mm大小的氧化锆珠2颗和10颗作为研磨介质，球磨机以400r/min的速率，球磨12小时；研磨后的陶瓷粉末在60℃下干燥4小时。将上述氧化锆陶瓷粉末先称取60g加入到30g的1,6—己二醇二丙烯酸酯中，球墨2小时；再称取40g上述氧化锆粉末加入，球墨2小时；再称取20g上述氧化锆粉末加入，球磨24小时；再称取0.75g的安息香二甲醚、0.060g的对羟基苯甲醚及0.8g其他助剂到上述浆料中，然后球墨均化2小时，用真空脱泡机除泡，待用。
将上述氧化锆陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型技术，逐层打印，得到相应的生物陶瓷制品。
将上述多孔状氧化锆生物陶瓷支架于300w汞灯下后固化20min，放入铺满1mm氧化锆珠的氧化锆坩埚内，再将其放入烧结炉中，升温速率控制在80℃/小时，当温度升至650℃保温2小时，然后以110℃/小时的升温速率升至1050℃，保温0.5小时，再以300℃/小时的升温速率升至1500℃保温3小时，然后随炉冷却。
实施例2：制备氧化铝生物陶瓷支架
多孔生物陶瓷支架制备需考虑到保证使细胞能够通过空隙，同时具有较高的力学性能和骨结合能力或血液流通能力。
称取d50为300nm尺度，密度为3.97g/cm3的氧化铝粉末120g，在真空烘箱中于120℃烘干8小时后，待用；称取3.6g的硬脂酸，连同上述氧化铝粉末一同加入到50ml的乙醇溶剂中，分别加入粒径为～5mm和～2mm大小的氧化锆珠2颗和10颗作为研磨介质，球磨机以400r/min的速率，球磨12小时；研磨后的陶瓷粉末在60℃下干燥4小时。将上述氧化铝陶瓷粉末先称取60g加入到45g的1,6—己二醇二丙烯酸酯中，球墨2小时；再称取40g上述氧化铝粉末加入，球墨2小时；再称取20g上述氧化铝粉末加入，球磨24小时；再称取0.45g的苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、0.90g的1-羟基-环己基-苯基甲酮、0.090g的甲氧基对苯二酚及1.2g其他助剂到上述浆料中，然后球墨均化2小时，用真空脱泡机除泡，待用。
将上述氧化铝陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型技术，逐层打印，得到相应的生物陶瓷制品。
将上述多孔状氧化铝生物陶瓷支架于300w汞灯下后固化20min，放入铺满1mm氧化锆珠的氧化锆坩埚内，再将其放入烧结炉中，升温速率控制在80℃/小时，当温度升至650℃保温2小时，然后以110℃/小时的升温速率升至1050℃，保温0.5小时，再以300℃/小时的升温速率升至1600℃保温3小时，然后随炉冷却。
实施例3：制备生物活性玻璃陶瓷
生物活性玻璃陶瓷含有较多的钙和磷，能够与骨自然牢固地发生化学结合；可在植入部位发生表面反应，促进含碳酸盐基磷灰石的形成。在骨组织工程支架方面具有很好的应用前景。
分别称取61.3g的sio2、3.4g的b2o3、4.5g的p2o5、17.4g的al2o3、6.2g的cao和7.2g的na2o，其颗粒粒径分布在d50为3400nm尺度。将所称量后的生物陶瓷粉末在真空烘箱中于110℃烘干8小时后，待用；称取3.0g的磷酸酯，连同上述生物陶瓷粉末一同加入到40ml的乙醇溶剂中，分别加入粒径为～5mm和～2mm大小的氧化锆珠2颗和10颗作为研磨介质，球磨机以400r/min的速率，球磨12小时；研磨后的陶瓷粉末在60℃下干燥4小时。将上述生物陶瓷粉末先称取60g加入到40g的二丙二醇二丙烯酸酯中，球墨2小时；再称取30g上述生物陶瓷粉末加入，球墨2小时；再称取10g上述生物陶瓷粉末加入，球磨24小时；再称取1.0g的2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯、0.080g的甲氧基对苯二酚及0.9g其他助剂到上述浆料中，然后球墨均化2小时，用真空脱泡机除泡，待用。
将上述生物玻璃陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型技术，逐层打印，得到相应的生物陶瓷制品。
将上述生物陶瓷制品置于300w汞灯下后固化20min，放入铺满1mm氧化锆珠的氧化锆坩埚内，再将其放入烧结炉中，升温速率控制在80℃/小时，当温度升至650℃保温2小时，然后以110℃/小时的升温速率升至1050℃，保温0.5小时，再以300℃/小时的升温速率升至1450℃保温3小时，然后随炉冷却。
实施例4
制备磷酸钙骨替换材料
磷酸钙陶瓷是生物陶瓷中的重要种类之一，它主要包括羟基磷灰石和磷酸三钙；而钙元素和磷元素是组成人体硬组织中不可或缺的重要组成部分，可以骨组织进行很好的结合，无排异反应。在骨替换及骨修复方面具有很好的应用前景。
称取d50为200nm尺度，密度为3.18g/cm3的羟基磷灰石粉末100g，在真空烘箱中于120℃烘干8小时后，待用；称取3.8g的磷酸酯，连同上述磷酸三钙粉末一同加入到50ml的乙醇溶剂中，分别加入粒径为～5mm和～2mm大小的氧化锆珠2颗和10颗作为研磨介质，球磨机以400r/min的速率，球磨12小时；研磨后的陶瓷粉末在60℃下干燥4小时。将上述磷酸三钙陶瓷粉末先称取60g加入到48g的环己烷二甲醇二丙烯酸酯中，球墨2小时；再称取30g上述磷酸三钙粉末加入，球墨2小时；再称取10g上述磷酸三钙粉末加入，球磨24小时；再称取1.45g的苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、0.090g的甲氧基对苯二酚及1.2g其他助剂到上述浆料中，然后球墨均化2小时，用真空脱泡机除泡，待用。
将上述羟基磷灰石陶瓷浆料倒入3d打印机料盒中，通过光数字成型技术，逐层打印，得到相应的生物陶瓷制品。
将上述多孔状羟基磷灰石生物陶瓷制品于300w汞灯下后固化20min，放入铺满1mm氧化锆珠的氧化锆坩埚内，再将其放入烧结炉中，升温速率控制在80℃/小时，当温度升至650℃保温2小时，然后以110℃/小时的升温速率升至1050℃，保温0.5小时，再以300℃/小时的升温速率升至1150℃保温3小时，然后随炉冷却。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。