1.本发明涉及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，属于生物医用材料领域。
背景技术：
2.因创伤、感染、肿瘤切除等各种原因造成骨缺损是骨科、颌面外科等科室面临的难题之一，治疗过程中通常需要进行骨移植手术进行治疗。随着骨组织工程和材料学的发展，多孔生物陶瓷支架在骨缺损修复方向的研究与应用越来越多。为了达到良好的修复效果，一般的多孔生物陶瓷支架通常具有良好的生物相容性、较高的孔隙率、较高的孔连通性、适合骨长入的孔径。同时，在逐步诱导骨细胞长入支架内部完成修复的过程中，支架会逐步降解，最终达到修复缺损的目的。
3.除了上述几种影响因素，在骨修复的过程中，孔的结构会对骨的长入有不同的影响。有研究表明不同角度的结构使细胞受到不同的物理刺激，同时给细胞提供更多的锚定位点，细胞增殖更快(kemppainen jm,hollister sj.differential effects of designed scaffold permeability on chondrogenesis by chondrocytes and bone marrow stromal cells.biomaterials.2010；31(2):279
‑
287.)，骨修复的效果更佳。因此，在制备多孔生物陶瓷支架的过程中，设计一种内部结构无序的多孔生物陶瓷支架，保证支架内部不同角度的物理结构，从而达到快速修复的目的，更加符合骨缺损修复的要求。
4.目前，采用造孔剂法、冷冻浇筑法、气泡发泡法等方式均可以制备多孔生物陶瓷支架。采用这些方法制备的多孔生物陶瓷支架无法保证孔结构的设计性。相对于其他方法，三维打印(也叫增材制造)技术可以保证孔结构的设计性，可以更好地保证孔的连通性。三维打印成型常用的制备工艺主要有：浆料层铸成型/直写组装技术(direct
‑
writing assembly)、粘结剂喷射成型(three dimensional printing and gluing)、激光选区烧结(sls，selective laser sintering)、光固化成型。其中，浆料层铸成型/直写组装技术的效率低下，且成型精度受到设备喷嘴的限制，微小结构的尺寸控制困难；粘结剂喷射成型的陶瓷材料致密度差，精度较低；激光选区烧结得到的陶瓷材料结构疏松，且有内应力，后处理复杂；光固化成型工艺由于成型精度高、表面质量优良、可制作结构比较复杂的零件。因此有必要采用光固化成型工艺制备具有内部孔结构的多孔陶瓷支架。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提供一种内部结构无序的多孔陶瓷支架，采用光固化三维打印制备，所述多孔陶瓷支架具有结构无序、孔径呈多级分布、生物活性高等特点，使用该支架可以达到更快的骨修复效果。
6.本发明所提供的无序多孔生物陶瓷支架的制备方法，包括如下步骤：
7.s1、设计具有不同物理结构的多孔支架三维模型；
8.s2、将生物陶瓷、光敏树脂与分散剂混合后进行球磨，得到成型用生物陶瓷浆料；
9.s3、将所述多孔支架三维模型输入至光固化打印机，以所述生物陶瓷浆料作为原料，采用所述光固化打印机进行打印成型得到多孔生物陶瓷支架坯体；
10.s4、所述多孔生物陶瓷支架坯体经清洗和干燥后得到多孔生物陶瓷支架生坯；
11.s5、所述多孔生物陶瓷支架生坯依次经脱脂、预烧和烧结，即得到所述无序多孔生物陶瓷支架。
12.上述的制备方法中，所述多孔支架三维模型的内部结构为无序结构，具有较高的孔连通性；
13.本发明方法制备的无序多孔生物陶瓷支架的总孔隙率高达68％，其中显气孔率达高到66.5％。
14.本发明方法制备的无序多孔生物陶瓷支架的孔径分布范围为50～800μm、100～700μm或20～600μm；
15.其中，50～800μm的孔包括50～300μm的孔、300～400μm的孔和400～800μm的孔；
16.100～700μm的孔包括100～300μm的孔、300～400μm的孔和400～800μm的孔；
17.20～600μm的孔包括20～300μm的孔、300～400μm的孔和400～600μm的孔。
18.上述的制备方法中，所述生物陶瓷为磷酸盐陶瓷和/或硅酸盐陶瓷；
19.所述光敏树脂为商用成品树脂或光敏树脂预混液；
20.所述分散剂可为kh
‑
550、kh
‑
560、kh
‑
570、byk
‑
111、曲拉通x
‑
100、丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚中的一种或多种。
21.上述的制备方法中，所述磷酸盐陶瓷可为β
‑
磷酸三钙；
22.所述硅酸盐陶瓷可为硅酸钙、镁黄长石、白硅钙石、硅酸镁和锌黄长石中的一种或多种，优选为两种的混合物，如镁黄长石和硅酸镁的混合物(质量比为1:1)、白硅钙石和硅酸钙的混合物(质量比为3:7)；
23.所述生物陶瓷优选白硅钙石与β
‑
磷酸三钙的混合物(如质量比为3:7)。
24.所述商用成品树脂可为奥斯邦a370光敏树脂(透明)和/或formlabs光敏树脂；
25.所述光敏树脂预混液可为光引发剂、预聚物和稀释剂的混合液。
26.上述的制备方法中，所述光引发剂可为2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)；
27.所述预聚物可为双酚a
‑
甲基丙烯酸缩水甘油酯(bis
‑
gma)；
28.所述稀释剂可为三乙二醇二甲基丙烯酸酯(tegdma)、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、二缩丙二醇二丙烯酸酯和乙二醇二丙烯酸酯(hdda)中的一种或多种。
29.上述的制备方法中，步骤s2中，所述生物陶瓷浆料中，所述光敏树脂的质量百分含量可为20～30％，所述分散剂的质量百分含量可为5～20％，余量的生物陶瓷；
30.所述光敏树脂的质量百分含量优选为20～28％、20％、22.5％、28％或30％；
31.所述分散剂的质量百分含量优选为7.5～20％、7.5％、10％、15％或20％。
32.上述的制备方法中，步骤s4中，可采用乙醇进行清洗。
33.上述的制备方法中，步骤s5中，所述脱脂的条件如下：
34.在空气中进行；
35.温度为400～550℃，如430～550℃、430℃、450℃、500℃或550℃；
36.时间为3～6h，如3～5.5h、3h、4h或5.5h；
37.所述脱脂的目的是去除生坯中光敏树脂、分散剂、残留乙醇等组分。
38.上述的制备方法中，步骤s5中，所述预烧的条件如下：
39.温度为850～1000℃，如850～980℃、850℃、900℃、950℃或980℃；
40.时间为2～5h，如2.5～5h、2.5h、3h、4h或5h；
41.通过所述预烧处理，使得到的粗坯具有一定的强度，保证样品在进行下一步操作过程前不会发生样品损坏的情况。
42.上述的制备方法中，步骤s5中，所述烧结的条件如下：
43.在空气中进行；
44.温度为1100～1400℃，如1120～1400℃、1120℃、1300℃、1350℃或1400℃；
45.时间为3～6h，如3～6h、3h、4h或6h；
46.烧结后得到致密的多孔生物陶瓷支架。
47.本发明方法制备的生物陶瓷支架的内部结构为无序结构，不同角度的结构使细胞受到不同的物理刺激，同时给细胞提供更多的锚定位点，细胞增殖更快。
48.本发明方法制备的内部结构无序的多孔生物陶瓷支架能够应用于骨组织工程中硬组织的修复与替代。
49.本发明具有如下有益效果：
50.(1)通过光固化成型方式，制备多孔生物陶瓷支架，孔的连通性好，多孔结构和高的孔连通性利用骨组织的长入。
51.(2)制备的内部结构无序的多孔生物陶瓷支架具有不同角度的物理结构，使细胞受到不同的物理刺激，同时给细胞提供更多的锚定位点，细胞增殖更快，利于骨缺损的快速修复。
52.(3)多孔陶瓷支架内部结构无序，无序的结构保证支架具有不同等级的孔径分布，在骨修复的各个阶段均可以起到促进成骨效果。在骨缺损修复的初期，小孔可以提供较多的粘附表面积，而在后期细胞迁移的过程中大孔可以提供更充足的空间。
53.(4)采用生物陶瓷作为骨修复的原材料，无免疫原性。在成骨过程中生物陶瓷具有很好的骨诱导效果。
附图说明
54.图1为本发明实施例1中内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图1(a))和制备的内部为无序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图1(b)和图1(c))。
55.图2为本发明对比例1中内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图2(a))和制备的内部为无序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图2(b))。
56.图3为本发明实施例2中内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图3(a))和制备的内部为无序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图3(b))。
57.图4为本发明实施例3中内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图4(a))和制备的内部为无序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图4(b))。
58.图5为本发明实施例4中内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图5(a))和制备的内部为无序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图5(b))。
59.图6为本发明对比例2中内部为序结构的多孔陶瓷支架模型(图6(a))和制备的内部为有序结构的多孔陶瓷支架宏观结构照片(图6(b))。
60.图7为本发明实施例5中内部为有序结构的多孔陶瓷支架的宏观结构照片(图7(a))、多孔生物陶瓷支架内部有序结构(图7(b))、植入12个月后的修复效果(图7(c))和micro
‑
ct下材料与新生骨效果(图7(d))。
61.图8为本发明实施例5中内部为无序结构的多孔陶瓷支架的宏观结构照片(图8(a))、多孔生物陶瓷支架内部无序结构(图8(b))、植入12个月后的修复效果(图8(c))和micro
‑
ct下材料与新生骨效果(图8(d))。
具体实施方式
62.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
63.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
64.本发明多孔生物陶瓷支架的内部结构为无序结构，该无序结构存在不同角度的物理结构；且具有较高的孔连通性。具有不同角度的内部结构无序的结构使细胞受到不同的物理刺激，同时给细胞提供更多的锚定位点，细胞增殖更快，能够应用于骨组织工程中硬组织的修复与替代。
65.本发明提供的内部结构无序的多孔生物陶瓷支架，包括如下步骤：
66.s1、设计内部结构无序(具有不同物理结构)的多孔支架三维模型；
67.s2、将生物陶瓷、光敏树脂与分散剂通过球磨过程均匀混合，得到成型用生物陶瓷浆料；
68.s3、将多孔支架三维模型输入到光固化打印机，将生物陶瓷浆料置于设备上，通过光固化打印机制备多孔生物陶瓷支架坯体；
69.s4、将打印成型的多孔生物陶瓷支架坯体表面和内部多余的未固化浆料进行清洗，干燥后得到多孔生物陶瓷支架生坯；
70.s5、将干燥后的多孔生物陶瓷支架生坯进行脱脂预烧，得到生物陶瓷支架粗坯；
71.s6、将多孔生物陶瓷支架粗坯进行烧结，得到内部结构无序的多孔生物陶瓷支架。
72.所述多孔支架模型的内部结构为无序结构，该无序结构存在不同角度的物理结构，具有较高的孔连通性。
73.实施例1、无序结构β
‑
磷酸三钙陶瓷支架的制备
74.1、设计内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图1(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
75.2、光敏树脂预混液配制：将双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)充分混合，得到光敏树脂预混液。其中，双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为65wt％，2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)含量为2.5wt％，三乙二醇二甲基丙烯酸酯和丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯的质量比为6:4。
76.3、浆料配制：将步骤2中得到的光敏树脂预混液、分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚以及β
‑
磷酸三钙添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨后得到浆料。其中，光敏树脂预混液的含量为22.5wt％，β
‑
磷酸三钙的含量为70wt％，分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚的质量比
为2:1。
77.4、将步骤3中得到的浆料置于光固化打印机，按照设定的参数进行打印成型。
78.5、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
79.6、步骤5中清洗后的生坯先在550℃下进行排胶脱脂3h，再在950℃下预烧2.5h，得到粗坯。粗坯在1120℃下烧结3h后得到具有无序结构的多孔生物陶瓷支架(图1(b))。经过排胶脱脂、预烧和烧结步骤后，多孔生物陶瓷支架产品结构完整、无明显缺损，产品合格率高(图1(c))。
80.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的总孔隙率为68％，其中显气孔率达到66.2％，支架的孔连通性高。
81.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的孔径分布范围为100～700μm，其中，100～300μm的孔占比为27％，300～400μm的孔占比为36％，400～700μm的孔占比为37％。
82.按照《yy/t 1558.3
‑
2017外科植入物磷酸钙第3部分：羟基磷灰石和β
‑
磷酸三钙骨替代物》中“4.6材料机械强度测量”描述，采用球压痕法进行抗压强度测试，样品的抗压强度大于100n。
83.对比例1、未进行预烧β
‑
磷酸三钙陶瓷支架的制备
84.1、设计内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图2(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
85.2、光敏树脂预混液配制：将双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)充分混合，得到光敏树脂预混液。其中，双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为65wt％，2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)含量为2.5wt％，三乙二醇二甲基丙烯酸酯和丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯的质量比为6:4。
86.3、浆料配制：将步骤2中得到的光敏树脂预混液、分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚以及β
‑
磷酸三钙添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨后得到浆料。其中，光敏树脂预混液的含量为22.5wt％，β
‑
磷酸三钙的含量为70wt％，分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚的质量比为2:1。
87.4、将步骤3中得到的浆料置于光固化打印机，按照设定的参数进行打印成型。
88.5、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
89.6、步骤5中清洗后的生坯先在550℃下进行排胶脱脂3h。脱脂后的生坯直接转移后进行高温烧结，粗坯在1120℃下烧结3h后得到具有无序结构的多孔生物陶瓷支架(图2(b))。显然，与实施例1中得到的多孔生物陶瓷支架相比，未经过预烧的支架成品有明显的缺损，样品更易出现不完整情况，产品合格率更低。
90.实施例2、镁黄长石/硅酸镁陶瓷支架的制备
91.1、设计内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图3(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
92.2、浆料配制：将奥斯邦a370光敏树脂(透明)、分散剂kh
‑
560、镁黄长石、硅酸镁添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨即后得到浆料。其中，奥斯邦a370光敏树脂(透明)含量为30wt％，kh
‑
560含量为15wt％，镁黄长石和硅酸镁的质量比为1:1。
93.3、将步骤2中得到的浆料置于光固化打印机，按照设定的参数进行打印成型。
94.4、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
95.5、步骤4中清洗后的生坯先在500℃下进行排胶脱脂3h，再在980℃下预烧4h，得到粗坯。粗坯在1400℃下烧结4h后得到具有无序结构的多孔生物陶瓷支架(图3(b))。
96.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的总孔隙率为48％，其中显气孔率达到46％，支架的孔连通性高。
97.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架孔径的分布范围为50～800μm，其中，50～300μm的孔占比为22％，300～400μm的孔占比为38％，400～800μm的孔占比为40％。
98.实施例3、白硅钙石/硅酸钙陶瓷支架的制备
99.1、设计内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图4(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
100.2、浆料配制：将奥斯邦a370光敏树脂(透明)、分散剂kh
‑
550和丙二醇甲醚、白硅钙石和硅酸钙添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨后得到浆料。其中，奥斯邦a370光敏树脂(透明)含量为28wt％，分散剂kh
‑
550含量为10wt％，丙二醇甲醚含量为10wt％，白硅钙石和硅酸钙的质量比为3:7。
101.3、将步骤2中得到的浆料置于光固化打印机，按照设定的参数进行打印成型。
102.4、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
103.5、步骤4中清洗后的生坯先在430℃下进行排胶脱脂4h，再在900℃下预烧3h，得到粗坯。粗坯在1300℃下烧结3h后得到具有无序结构的多孔生物陶瓷支架(图4(b))。
104.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的总孔隙率为55％，其中显气孔率达到52.5％，支架的孔连通性高。
105.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架孔径的孔径分布范围为20～600μm，其中，20～300μm的孔占比为23％，300～400μm的孔占比为32％，400～600μm的孔占比为45％。
106.实施例4、白硅钙石/β
‑
磷酸三钙陶瓷支架的制备
107.1、设计内部为无序结构的多孔陶瓷支架模型(图5(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
108.2、浆料配制：将formlabs光敏树脂、分散剂曲拉通和二丙二醇甲醚、白硅钙石添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨后得到初级浆料。将β
‑
磷酸三钙添加到初级浆料中，继续进行球磨，球磨后得到浆料。其中，formlabs光敏树脂的含量为20wt％；分散剂曲拉通和二丙二醇甲醚的含量为10wt％，两者的质量比为1:1；白硅钙石和β
‑
磷酸三钙的含量为70wt％，两者的质量比3:7。
109.3、将步骤2中得到的浆料置于光固化打印机，按照设定的参数进行打印成型。
110.4、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
111.5、步骤4中清洗后的生坯先在450℃下进行排胶脱脂5.5h，再在850℃下预烧5h，得到粗坯。粗坯在1350℃下烧结6h后得到具有无序结构的多孔生物陶瓷支架(图5(b))。
112.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的总孔隙率为63％，其中显气孔率达到61.5％，支架的孔连通性高。
113.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的孔径分布范围为50～800μm，其中，50～300μm的孔占比为25％，300～400μm的孔占比为35％，400～800μm的孔占比为40％。
114.对比例2、有序结构β
‑
磷酸三钙陶瓷支架的制备
115.1、设计内部为有序结构的多孔陶瓷支架模型(图6(a))，并在设备中进行模型读取和参数设计。
116.2、光敏树脂预混液配制：将双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯(bis
‑
gma)、二缩丙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯(hdda)、2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)充分混合，得到光敏树脂预混液。其中，双酚a甲基丙烯酸缩水甘油酯含量为60wt％，2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基
‑
二苯基氧化膦(tpo)含量为4.5wt％，二缩丙二醇二丙烯酸酯和乙二醇二丙烯酸酯(hdda)的质量比为1:1。
117.3、浆料配制：将步骤1中得到的光敏树脂预混液、分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚以及β
‑
磷酸三钙添加到聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨，球磨后得到浆料。其中，其中，光敏树脂预混液的含量为25wt％，β
‑
磷酸三钙的含量为65wt％，分散剂byk
‑
111和丙二醇甲醚的质量比为2:3。
118.4、使用无水乙醇对打印后的样品进行清洗。
119.5、步骤4中清洗后的生坯先在550℃下进行排胶脱脂3h，再在950℃下预烧2.5h，得到粗坯。粗坯在1120℃下烧结3h后得到具有有序结构的多孔生物陶瓷支架(图6(b))。
120.经测试，本实施例制备的多孔生物陶瓷支架的总孔隙率为68％，其中显气孔率达到66.5％，支架的孔连通性高。
121.按照《yy/t 1558.3
‑
2017外科植入物磷酸钙第3部分：羟基磷灰石和β
‑
磷酸三钙骨替代物》中“4.6材料机械强度测量”描述，采用球压痕法进行抗压强度测试，样品的抗压强度大于80n。
122.实施例5、动物实验成骨检测
123.1、按照实施例1和对比例2的过程，制备有序、无序两种内部结构的β
‑
磷酸三钙样品(图7和图8)，孔隙率均为68％。
124.2、在新西兰兔桡骨处造17mm长的节段缺损，分别植入有序、无序两种样品。植入12个月后，处死并取下植入部位，做micro
‑
ct分析植入部位成骨效果(图7和图8)。
125.由图7和图8可以看出，植入有序、无序两种样品12个月后，桡骨节段缺损均得到修复。使用有序结构样品进行修复后，桡骨缺损处虽然得到修复，但在材料外表面未形成较多新骨，新骨多在材料孔隙中形成。使用无序结构样品进行修复后，材料内部长入新骨，桡骨缺损处得到修复，且在材料表面也形成新骨，新骨已将剩余材料包裹，骨再生、整合效果要优于采用有序结构样品进行修复的效果。
126.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或改进，凡是在本发明的精神和原则的前提下所作的任何变化和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。