降解性能及强度可控的生物复合陶瓷支架及其制备方法与流程

本发明属于生物医疗材料和增材制造领域，涉及一种降解性能及强度可控的生物复合陶瓷支架及其制备方法，更具体地，涉及一种基于光固化成形复杂多孔点阵结构的可降解生物复合陶瓷支架及其制备方法。

背景技术：

我国人口老龄化和交通事故多发、骨肿瘤等疾病造成的人体骨组织缺损、骨丢失、骨折以及骨质疏松症等骨骼疾病引起了人们的极大关注。骨科疾病致残率高，导致患者生活质量下降，乃至劳动力丧失。患者常需行植入物手术以恢复受损功能。目前临床使用的可降解植入物不具备复杂精细的仿生结构与个性化外形，且存在生物降解与组织再生速率不匹配的难题，难以满足快速增长的临床需求。而且目前的增材制造植入物无法达到同时成形不同孔径大小的复杂结构，无法同时满足骨缺损部位成骨成血管的需要，本专利为克服以上难题提供了可行方法。

陶瓷材料特别是生物活性陶瓷材料凭借着生物相容性好，与人体骨骼成分相近，力学强度好等优点，在骨组织工程中有着很多的应用，其中主要包括磷酸钙类陶瓷、生物玻璃和硅酸钙类陶瓷等，但是，单一组分的陶瓷材料降解性能和力学性能不能良好的匹配，而且人体骨骼的复杂内部结构和骨移植外形的个性化使得传统的方法难以很好的制作出相应的人工支架。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种降解性能及强度可控的生物复合陶瓷支架及其制备方法，其目的在于，通过3d打印及光固化技术来实现复杂内部贯通结构和特定外形陶瓷支架的成形，且通过复合三相陶瓷，通过调节组分、比例、结构、烧结工艺等来制备可控降解的复合陶瓷支架，由此解决了骨支架难以使用传统技术成形及降解、力学性能不能良好综合的技术问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种降解性能及强度可控的生物复合陶瓷支架的制备方法，包括如下步骤：

s1.粉末预处理及溶剂制备：

取医用级生物玻璃粉末球磨获得微米级的生物玻璃粉末；取医用级的质量为m1的羟基磷灰石粉末、质量为m2的β-磷酸钙粉末和质量为m3的微米级的生物玻璃粉末烘干待用，m1、m2、m3均为烘干后的质量，三种粉末总质量为m＝m1+m2+m3；其中，m1:m2＝8:2～4:6，m3:(m1+m2)＝1:9～1:1；

将不同种光固化树脂单体和/或其预聚物以预定比例混合后，加入塑化剂和质量为(2％-6％)m的分散剂超声混合，之后加入光引发剂和阻聚剂、离型剂以及润滑剂，充分混合得到质量为m4的溶剂，m:m4＝1:7～7:3；

s2.光固化生物陶瓷浆料的制备：

将质量为m1的羟基磷灰石粉末、质量为m2的β-磷酸钙粉末、质量为m3的微米级的生物玻璃粉末分次加入质量为m4的溶剂中，每次均搅拌均匀，最后得到初始浆料；

向所述初始浆料中加入球磨珠，真空球磨均匀后得到打印浆料；

s3.利用打印浆料按照预先设计的生物复合陶瓷支架多孔点阵模型进行dlp3d打印和/或光固化，获得生物陶瓷素坯；

s4.生物陶瓷素坯脱脂烧结获得生物复合陶瓷支架成品。

2.如权利要求1所述的一种降解性能及强度可控的生物复合陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤s1中医用级生物玻璃粉末的球磨工艺如下：转速300-450r/min，球料比为10:1-7:1，球磨3h-8h，球磨后过筛，获得微米级的生物玻璃粉末；

进一步地，步骤s3包括如下子步骤：

s31.向3d打印设备倒入打印浆料，根据打印浆料的颗粒大小和粘度，来调整铺料厚度在75μm-250μm之间，颗粒大则厚度高，粘度高则厚度低；

s32.导入生物复合陶瓷支架的多孔点阵模型，设置基础固化时间为30-40s，进行打印，得到生物陶瓷素坯；

s33.将生物陶瓷素坯超声清洗；

s34.将清洗后的生物陶瓷素坯进行紫外照射二次固化。

进一步地，步骤s4中的脱脂烧结工艺如下：

脱脂时：温度从室温以2℃/min-10℃/min升温速率升温到100℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到300-350℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到400-450℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到500-550℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到600℃，保温0.5-3h；

烧结时：温度从室温或600℃以2℃/min-5℃/min升温到900-1200℃，保温1-3h，以2℃/min-5℃/min降到550℃，保温0.5-1h，随炉冷却；烧结后即可得到复合陶瓷成品。

进一步地，步骤s1中的三种粉末平均粒径为1微米-10微米。

进一步地，步骤s1中的分散剂为超分散剂，优选地，是溶剂化链为聚丙烯酸酯的超分散剂，包括ch-13、ch-36、ch-41、sre-41000中的任意一种或两种以上的混合物。

进一步地，步骤s1中的光固化树脂单体和/或其预聚物包括1,6-己二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、二丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯及其改性树脂体系中的任意一种或者两种以上的混合物。

进一步地，所述步骤s1中的离型剂为丙烯酸酯改性硅油、gliderad2500、gliderad2300或gliderad2100；聚乙二醇为聚乙二醇200、300、400、600中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，步骤s4中的点阵结构为特定孔径和孔隙率的点阵结构，包括正四面体、正八面体、正十二面体、金刚石结构、极小曲面结构。

为了实现上述目的，本发明还提供了根据前述的制备方法制备的可控降解生物复合陶瓷支架。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明是一种利用数字光处理dlp(digitallightprocessing)3d打印技术制备点阵结构的ha/β-tcp/生物活性玻璃复合陶瓷的新方法，利用增材制造技术特别是数字化光处理(dlp)技术能够通过光投影逐层叠加能够制造出复杂结构，包括内部孔隙贯通和特定外形的结构，而点阵结构相较于一般的多孔结构受力更加均匀，整体稳定性和空间排列多样性更加优良，使其用于骨缺损修复的过程中长期处于一个稳定的力学状态，对新生骨起到支撑作用；通过设计不同的点阵模型而在制造过程中成形不同尺寸的孔径，不仅有助于成骨细胞的生长和分化，也有助于毛细血管的生长。

(2)本发明制备的浆料具有固含量可高达70％、粘度低、流动性好的特点，且容易提起、性质稳定，可以提高打印坯体成形精度和成功率。

(3)本发明制作的三相生物陶瓷支架，采用不同力学性能和降解性能的成分，能够更好地调节力学性能和降解性能。

(4)本发明利用dlp对点阵结构进行成形，成形结构精细，可达300微米，能满足更精细点阵结构的制造，进而促进骨细胞在支架上的粘附，并促进毛细血管的生长。

(5)总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于配制了高固含量和低粘度的浆料并采用数字化光处理技术，还通过调节组分、比例、结构、烧结工艺等来制备可控降解的复合陶瓷支架。由此获得了特定精细点阵结构的陶瓷支架，并能够实现可控力学性能和降解性能的有益效果。

附图说明

图1是通过设计软件设计出的点阵结构，其中：(a)为圆柱形极小曲面结构，大小为直径10mm，高度10mm；(b)为(a)的孔隙分布示意图；(c)为正四面体结构，边长为10mm；(d)为(c)的孔隙分布示意图。

图2是ha/β-tcp/生物活性玻璃复合陶瓷实物微观结构，其中，(e)是图1的(a)的微观结构图，(f)是(e)的局部放大图；(g)是图1的(c)的微观结构图，(h)是(g)的局部放大图。

图3是采用超景深显微镜拍摄得到的点阵结构复合生物陶瓷支架的微观结构图，其中，(i)是图1的(a)的ct图，(j)是图1的(c)的ct图。

图4是本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在正式进行打印之前，应当先根据成骨需求进行打印模型的设计。本发明基于dlp3d打印技术，可以直接通过magics软件设计不同单元晶胞的点阵结构，如正十二面体、金刚石结构、极小曲面结构、正四面体结构等，并可直接在设计软件中通过改变支架结构尺寸和壁厚大小等调控结构的孔隙率，实现多孔点阵模型的设计。或者通过在k3dsurf软件中输入公式来创建模型，导入到magics软件中进行修饰后转出为stl格式的模型，实现多孔点阵模型的设计。优选的，所述多孔点阵模型的孔隙率在50％-80％，孔径大小在100-500μm，有利于骨细胞和毛细血管的生成和长入，其中，有利于骨细胞生长的孔径大小为300-500μm，利于毛细血管生长的孔径大小为100-200μm。

完成多孔点阵模型设计后，正式进行3d打印的过程如下：

s1.粉末预处理及溶剂制备：

(1)粉末的预处理：

1)将医用级生物玻璃粉末放入行星式球磨机中进行球磨，球磨工艺为450r/min，球磨3-8h，球料比为10:1，球磨后过60目筛，获得微米级的生物玻璃粉末；

2)取医用级的质量为m1的羟基磷灰石粉末、质量为m2的β-磷酸钙粉末和质量为m3的微米级的生物玻璃粉末分别在50-70℃烘干，待用。m1、m2、m3均为烘干后的质量，三种粉末总质量为m＝m1+m2+m3；其中，m1:m2＝8:2～4:6，m3:(m1+m2)＝1:9～1:1。

(2)浆料溶剂的制备：

将多种光固化树脂单体或者预聚物以一定比例混合，加入塑化剂聚乙二醇，之后加入粉末质量(2％-6％)m的分散剂，超声震荡1-2分钟，之后加入光引发剂和阻聚剂、离型剂以及润滑剂，放在行星式真空旋转搅拌机中以2000-2900r/min的速度搅拌均匀，使光引发剂和阻聚剂充分混合得到溶剂；

s2.光固化三相陶瓷浆料制备：

s21.先将质量为m1的羟基磷灰石粉末加入溶剂中，放入真空式行星搅拌机中以2000-2900r/min的速度搅拌均匀，取出后加入质量为m2的β-磷酸三钙粉末以2000-2900r/min的速度搅拌均匀，再加入质量为m3的微米级的生物玻璃粉末，以2000-2900r/min的速度搅拌均匀，得到初始浆料；

优选地，按照密度由大到小的顺序依次添加三种粉末，可以确保三种粉末均能与溶剂均匀混合。

s22.向初始浆料中加入球磨珠，球料比为1:2，在行星式真空脱泡搅拌机中以600-1500r/min的转速旋转球磨，得到混合均匀，表面细腻的浆料。

s3.生物陶瓷素坯的打印：

s31.通过导入精度测试模型，调节曝光功率和曝光时间来控制其打印层厚在打印层厚之上，调整出较好的打印精度，倒入打印浆料，根据打印浆料的粘度和润湿性来调整刮刀的移动速度，浆料较粘和润湿性能差时刮刀移动速度变慢；根据打印浆料的颗粒大小和粘度来调整铺料厚度在75μm-250μm之间，打印层厚为25μm、50μm、100μm可选；

s32.导入多孔点阵模型设置基础固化时间为30-40s，进行打印；

s33.打印完后用酒精或者洗洁精间断超声清洗，超声30s停止10s即可。

s34.将陶瓷素坯放在紫外线灯下面照射进行进行预固化。

s4.陶瓷素坯件的脱脂和烧结：

将得到的陶瓷素坯放到硅碳棒烧结炉里进行脱脂烧结，设置脱脂烧结工艺如下：

脱脂工艺为：温度从室温以2℃/min-10℃/min升温速率升温到100℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到300-350℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到400-450℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到500-550℃，保温0.5-1.5h；0.2-0.5℃/min到600℃，保温0.5-3h。由于陶瓷素坯所含树脂成分较多且复杂，采用分五个阶段缓慢升温并保温的方式，能够确保在确保脱脂完全的情况下避免因脱脂速率过快造成陶瓷开裂。

烧结工艺为：温度从室温(脱脂炉与烧结炉独立，脱脂后需要先冷却至室温然后转移至烧结炉)或600℃(一体式脱脂烧结炉)以2℃/min-5℃/min升温到900-1200℃，保温1-3h，以2℃/min-5℃/min降到550℃，保温0.5-1h，随炉冷却；烧结后即可得到复合陶瓷成品。采用分阶段降温的方式，在550℃左右进行一次阶段性的保温，可以起到退火处理的效果，消除陶瓷内部的应力。

优选的，所述步骤s3中的生物陶瓷粉末成分为羟基磷灰石、β-磷酸三钙和生物玻璃的复合粉末，其中羟基磷灰石力学强度高，但基本不降解，起到了提供强度的作用，而β-磷酸三钙降解速率适中，力学强度适中。生物玻璃降解速率最快，但是比较脆，因此本发明采用三相陶瓷能够实现优势互补，具有更加广泛的力学调节性能和生物性能。

优选的，所述步骤s3中的生物陶瓷粉末平均粒径在0.5微米-10微米，一方面有利于浆料分散，另一方面成型后的生物性能(如成骨、成血管等)更好。

优选的，所述步骤s2中的分散剂为超分散剂，特别的为溶剂化链为聚丙烯酸酯的超分散剂，为ch-13,ch-36,ch-41或者sre-41000中的一种或多种。采用溶剂化链为聚丙烯酸酯的超分散剂能够更好地分散溶剂为光固化树脂的浆料。

优选的，所述步骤s2中的树脂单体或者预聚物为1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)、甲基丙烯酸羟乙酯(hema)、二丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)、环氧丙烯酸酯以及对其改性的树脂体系中的一种或者多种。

优选的，所述步骤s2中的光引发剂为自由基型光引发剂，包括2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮或1-羟基环己基苯基甲酮中的一种或者多种。

优选的，所述步骤s2中的离型剂为减小脱模力且和光敏树脂能够有很好的互溶的离型剂，可以采用丙烯酸酯改性硅油、商品名为gliderad2500、gliderad2300、gliderad2100等。

优选的，所述步骤s2中的润滑剂为硬脂酸单甘油酯(gmb),可以降低陶瓷坯体与离型膜的接触力。

优选的，所述步骤s2中的聚乙二醇为聚乙二醇200、300、400、600中的一种或多种。

优选的，所述步骤s5中的打印层厚优选50微米或者25微米，铺料厚度为75微米-125微米。

优选的，所述步骤s4中的复合陶瓷粉末与树脂的质量比在1:7-7:3，制得的陶瓷具有较好的力学强度。

下面结合几个具体的实施例，来对本发明的上述方法及制备得到的产品进行更为详细的介绍。

实施例一：

1.使用magics三维建模软件通过阵列等操作设计出孔隙率为33％、50％、66％的极小曲面点阵结构。改变孔的大小在200-600微米。

2.将生物玻璃粉末放在球磨机中以球料比为10:1，以450r/min进行球磨5小时，取出后过筛即可。

3.配置生物陶瓷溶剂：称取1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)和聚乙二醇200，总质量为34.1g，用玻璃棒搅拌均匀后超声1-2分钟，之后加入粉末质量1％的离型剂rad2500，占树脂质量0.5％的光引发剂tpo。占树脂质量0.1％的阻聚剂对羟基苯甲醚。放置在行星式真空脱泡搅拌机中以1000r/min搅拌10s，再以2900r/min搅拌10分钟，最后以1000r/min搅拌10s。使光引发剂均匀混合。

4.配制生物陶瓷浆料：称取生物陶瓷粉末总质量60g，其中生物玻璃占总质量的16.7％,真密度3.078g/cm³，粉末质量占比(占总共的比例61.6％)。先将ha粉末加入溶剂中，放入行星式真空脱泡搅拌机以2900r/min搅拌2min。取出后再加入β-tcp粉末，以同样的参数搅拌后加入生物玻璃粉末，搅拌得到初始浆料。再加入浆料质量一半的球磨珠放在搅拌机中，以600r/min的转速搅拌1h，得到低粘度的陶瓷浆料。

5.将设计的点阵模型导入到打印机中，调整曝光功率后进行打印，打印层厚50微米，打印不同点阵结构如附图所示。

6.使用酒精清理打印完成后的坯体，将坯体铲下后放入装有酒精的烧杯中进行超声震荡清洗，清洗后用去离子水超声清洗将坯体表面和孔内残余的浆料和酒精去除，得到纯净的坯体。将纯净的坯体放置在硅碳棒烧结炉中进行脱脂和烧结工作。脱脂工艺为2℃/min到100℃，保温1h；0.5℃/min到300℃，保温1h；0.5℃/min到400℃，保温1h；0.2-0.5℃/min到550℃，保温1h；0.5℃/min到600℃，保温1h烧结工艺为以10℃/min升温到1200℃，保温2h，随炉冷却，随炉冷却。烧结后即可得到复合陶瓷成品。

打印出的极小曲面三相陶瓷，体积密度为2.14g/cm³，当设计孔隙率为50％时抗压强度为16mpa，孔隙率为33％时为27mpa。

实施实例2

1.使用k3dsurf软件，导出其中的极小曲面的obj格式，放入magics三维建模软件中增厚，转化为实体，实现另一种极小曲面的模型建立。

2.同实施实例1中的步骤2。

3.配置生物陶瓷溶剂：称取1,6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)、二缩三丙二醇二丙烯酸酯(tpgda)和聚乙二醇200，总质量为18g，用玻璃棒搅拌均匀后超声1-2分钟，之后加入粉末质量1％的离型剂rad2500，占树脂质量0.5％的光引发剂tpo。占树脂质量0.2％的阻聚剂对羟基苯甲醚。放置在行星式真空脱泡搅拌机中以1000r/min搅拌10s，再以2900r/min搅拌10分钟，最后以1000r/min搅拌10s。使光引发剂均匀混合。

4.配制生物陶瓷浆料:称取生物陶瓷粉末总质量40g，其中生物玻璃占总质量的16.7％，真密度3.078g/cm³,粉末质量占比为66.2％(占总共的比例)。先将ha粉末加入溶剂中，放入行星式真空脱泡搅拌机以2900r/min搅拌2min。取出后再加入β-tcp粉末，以同样的参数搅拌后加入生物玻璃粉末，搅拌得到初始浆料。再加入浆料质量一半的球磨珠放在搅拌机中，以1000r/min的转速搅拌2h，得到低粘度的陶瓷浆料。

5.同实施实例1中的步骤5。

6.清洗和脱脂工艺同实例1中的步骤6，烧结温度为900-1200℃。

7.得到的生物陶瓷的体积密度为1.35g/cm³

实施实例3

1.使用magics三维建模软件通过阵列等操作设计出孔隙率为30％-70％的正四面体和正八面体点阵结构。改变孔的大小在200-600微米。

2.同实施实例1中的步骤2。

3.同实施实例1中的步骤3。

4.配制生物陶瓷浆料:称取生物陶瓷粉末总质量40g，其中生物玻璃占总质量的40％,真密度2.95g/cm³,粉末质量占比为65.5％(占总共的比例)。先将ha粉末加入溶剂中，放入行星式真空脱泡搅拌机以2900r/min搅拌2min。取出后再加入β-tcp粉末，以同样的参数搅拌后加入生物玻璃粉末，搅拌得到初始浆料。再加入浆料质量一半的球磨珠放在搅拌机中，以1000r/min的转速搅拌2h，得到低粘度,流动性好的陶瓷浆料。

5.同实施实例1中的步骤5。

6.同实施实例2中的步骤6。

7.得到的生物陶瓷的体积密度为1.44g/cm³。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。