CN105196398B - 用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料及生物陶瓷支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：(11)在溶剂中添加生物活性陶瓷粉体，使用行星球磨机球磨3～12h，得到的浆料的固相含量为35～55vol％；(12)向步骤(1)得到的浆料中加入水溶性流变助剂，使用行星球磨机球磨混合0.5～3h，然后将浆料移入料筒中，依次进行超声震荡、低温除泡，得到用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料。本发明还公开了采用气压挤出式三维打印成型技术制备生物活性陶瓷支架的制备方法。本发明的陶瓷浆料具有高固相含量、良好打印性能的和凝固性能，制备的生物活性陶瓷支架可得到100％连通性、外形结构和内部尺寸可控。
Description
技术领域
本发明涉及快速成型技术的材料制备，特别涉及一种用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料及生物陶瓷支架的制备方法。
背景技术
现行的骨修复技术主要包括自体和异体骨移植技术：自体骨含有活的成骨细胞和具有诱导成骨作用的骨形成蛋白，以及无免疫排斥反应，是临床骨缺损治疗的“金”标准，但来源有限，不能用于大节段骨缺损的治疗；同种异体骨移植具有生物学特性和形态结构与自体骨相似的优点，但同种异体骨来源有限，而且易发生免疫排斥反应，有传播某些疾病的危险。
为了解决人体组织和器官缺损的修复难题，美国麻省理工学院的化学工程师R.Langer和哈佛大学医学院的医生J.P.Vacanti在20世纪80年代中期提出了组织工程(Tissue engineering)这一概念。骨组织工程就是利用工程和生命科学的原理和方法再生新的骨组织，以修复和替代病变或缺损骨组织或增进其功能的技术，是实现骨修复的未来发展方向。骨组织工程中的支架材料作为种子细胞的细胞外基质替代物及再生组织的框架，其特性直接影响种子细胞的生物学特性，影响细胞生存、迁移、增殖和功能代谢，最终影响骨组织构建的成败。
随着人们对生物材料质量和安全性要求的不断提高和生物陶瓷在医疗康复系统中的应用，生物陶瓷，特别是生物活性陶瓷成为材料科学和医学工程的一个重要研究领域。多孔组织工程支架的制备方法很多，如发泡法、冷冻干燥技术、烧结法，但这些方法不仅对支架的外形、孔径尺寸和形貌不可控，而且不能实现三维支架的个性化定制。三维打印成型技术集材料科学、计算机辅助设计、数控技术为一体，采用“增材”制作过程，可精确复制出与生物体相同形状的形体。快速成型技术能够构建完全通孔、高度规则、形态与微结构具有重复性的支架，并且能设计出宏观结构与缺损组织几乎完全相同的三维结构。目前较成熟的三维打印材料为树脂和金属材料，陶瓷材料的三维打印难以实现。专利CN 103707388A和专利CN 103992088A公开了使用粉末粘结工艺制备石膏类三维工件的方法，其存在问题为成品的粗糙度较高，力学性能较差，所制备多孔支架孔径大小一般在500微米以上。三维纤维沉积技术用于三维打印后解决了粉末粘结技术中存在的缺点，可制备孔径大小100微米至1毫米的多孔支架，有望制备出更接近天然骨结构的多孔支架材料。专利201410840236.6采用电机助推挤出式三维打印成型系统进行陶瓷成型，但其有机添加剂加入量达到30％，会造成陶瓷烧成后收缩率过大，尺寸精确度不高的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料，具有高固相含量、良好打印性能的和凝固性能。
本发明的另一目的在于提供采用气压挤出式三维打印成型技术制备生物活性陶瓷支架，可得到100％连通性、外形结构和内部尺寸可控的三维支架，可以解决临床上生物活性陶瓷骨修复体不能个性化精确定制的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料的制备方法，包括以下步骤：
(11)在溶剂中添加生物活性陶瓷粉体，使用行星球磨机以频率为20～30Hz球磨3～12h，得到的浆料的固相含量为35～55vol％；
所述溶剂由去离子水和分散剂均匀混合而成；所述分散剂的加入量为生物活性陶瓷粉体质量的0.5～2％；
(12)向步骤(11)得到的浆料中加入水溶性流变助剂，使用行星球磨机以频率为20～30Hz球磨混合0.5～3h，然后将浆料移入料筒中，依次进行超声震荡、低温除泡，得到用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料；
所述水溶性流变助剂的加入量为陶瓷粉体质量的0.5～2.5％；
所述超声震荡的频率为100Hz，时间为15-60min，温度为20～40℃；
所述低温除泡为在温度2～10℃静置3～48h。
步骤(11)所述的分散剂为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠或硬脂酸。
步骤(12)水溶性流变助剂为黄原胶、琼脂糖、甲基纤维素或聚乙烯醇。
步骤(11)所述的生物活性陶瓷为羟基磷灰石、β-磷酸三钙粉体或生物活性玻璃粉体。
生物陶瓷支架的制备方法，采用气压挤出式三维打印法制备，具体包括以下步骤：
(21)将所述的用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料的制备方法制备得到的用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料置于料筒，选择针头，并校准针头的高度；
(22)输入设计的打印模型并编辑模型的尺寸和格式，对模型进行分层；
(23)设定打印参数，浆料在气压的挤压下通过三维打印形成具有不同外形尺寸和内部微结构的三维陶瓷支架坯体；
(24)将步骤(23)打印得到的三维陶瓷支架坯体干燥；
(25)将干燥后的三维陶瓷支架坯体在1000～1200℃烧结1～5h。
步骤(24)所述的干燥，具体为：
先常温干燥2～24h，然后微波干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全。
步骤(25)所述在1000～1200℃烧结1～5h，具体为：以2～5℃/min的速率升温到1000～1200℃，保温1～5h，以2～6℃/min的速率降到室温。
步骤(23)所述打印参数包括平台温度、料筒温度、气压压力、打印速度。
本发明创新性的采用气压挤出式的三维纤维沉积技术进行多孔陶瓷材料的三维打印成型，通过气压仪控制压缩空气的压力挤出浆料，精度更高，但压力最高只有0.6MPa，因此对浆料的流动性和固化性能的要求更高。本发明在系统研究的基础上，解决了浆料的流变性能调控，凝固性能调控等关键技术问题，并控制有机物加入量低于3％，烧成收缩低于10％，实现了生物陶瓷材料的三维打印成型精确可控制造。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所配制的浆料具有良好的流动性、保形性及凝固性能。可适用于气压挤出式纤维沉积3D打印系统(3D-BioplotterTM系统或3D-BioprinterTM系统)，打印精度达0.001mm，大大高于传统的电机助推3D打印系统。
(2)本发明中使用的粉体是生物活性陶瓷粉体，具有良好的生物相容性，添加的有机试剂无毒、无公害，经高温烧结后三维支架中只有生物活性陶瓷相，避免了有机添加剂对支架生物活性的影响。
(3)本发明制备的浆料的有机助剂总量低于3wt％，可以控制样品的烧成收缩低于10％，大大提高了材料的尺寸精度。
附图说明
图1为本发明的实施例1中浆料的流变性能和粘度。
图2(a)为本发明的实施例1中三维支架的俯视图的三维显微照片。
图2(b)为本发明的实施例1中三维支架的侧面图的三维显微照片。
图2(c)为本发明的实施例1中三维支架的断面图的三维显微照片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
步骤一：高固相含量浆料的制备
(1)以可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺合成的微纳米级的类球形β-磷酸三钙(β-TCP)粉体为原料，以去离子水和聚丙烯酸铵的混合液为溶剂，使用行星球磨机球磨8h(频率30Hz)，配制固相含量为45vol％的浆料，其流变性能和粘度见图1；
(2)向浆料中加入高聚合度的甲基纤维素为流变助剂，加入量是β-TCP粉料的1wt％，使用行星球磨机高速球磨混合2h，然后将浆料移入料筒中。通过超声震荡(频率100Hz，时间30min，温度30℃)、低温除泡(时间12h，温度4℃)的方式，制备可以用于三维打印成型的生物活性陶瓷浆料，浆料的粘度低于100Pa·S，在空气中的凝固时间小于1分钟。
步骤二：三维可控微结构生物陶瓷支架坯体的制备
(1)将步骤一中配制的浆料置于喷头，选择直径为0.41mm的TT斜式针头，并校准针头的高度；
(2)输入设计的打印模型长方体，并编辑模型的尺寸为20*20*5mm，对模型进行分层；
(3)设置平台温度为37℃、料筒温度为室温、气压为0.23MPa、打印速度为6mm/s，使浆料在气压的挤压下通过三维纤维沉积形成具有三维陶瓷支架。
步骤三：支架的后期干燥和烧结
(1)将步骤二中打印的支架先常温干燥4h，然后微波干燥24h后每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉，支架的烧结温度为1120℃，保温时间为3h，升温速率为3℃/min，降温速率为3℃/min，最终得到具有较高强度的、收缩率为5.7％的生物活性陶瓷三维支架。
图1为本实施中未添加流变助剂时浆料的粘度和流变性。可以看出，随剪切速率的增加，浆料的粘度为0Pa·S，说明其流动性极好。
本实施例制备的生物活性陶瓷三维支架的俯视图、侧面图和断面图的三维显微照片如图2(a)～(c)所示。由图可知，本实施例制备的三维支架孔径规则有序排列，且分布均匀，水平和垂直方向孔连通性达100％。
实施例2
步骤一：高固相含量浆料的制备
(1)以可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺合成的微纳米级的球形羟基磷灰石(HA)粉体为原料，以去离子水和聚丙烯酸钠的混合液为溶剂，使用行星球磨机球磨8h(频率30Hz)，配制固相含量为50vol％的浆料；
(2)向浆料中加入低熔点琼脂糖为流变助剂，加入量是HA粉料的2.5wt％，使用行星球磨机高速球磨混合1h，然后将浆料移入料筒中。通过超声震荡(频率100Hz，时间30min，温度30℃)、低温静置(时间12h，温度4℃)的方式，制备可以用于三维打印成型的生物活性陶瓷浆料，浆料的粘度低于100Pa·S，在空气中的凝固时间小于1分钟。
步骤二：三维可控微结构生物陶瓷支架坯体的制备
(1)将步骤一中配制的浆料置于喷头，选择直径为0.21mm的TT斜式针头，并校准针头的高度；
(2)输入设计的打印模型长方体，并编辑模型的尺寸为20*20*5mm，对模型进行分层；
(3)设置平台温度为0℃、料筒温度为30℃、气压为0.30MPa、打印速度为13mm/s，使浆料在气压的挤压下通过三维纤维沉积形成具有三维陶瓷支架。
步骤三：支架的后期干燥和烧结
(1)将步骤二中打印的支架先常温干燥4h，然后微波干燥24h后每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉，支架的烧结温度为1200℃，保温时间为3h，升温速率为3℃/min，降温速率为3℃/min，最终得到具有较高强度的、收缩率为4％的生物活性陶瓷三维支架。
实施例3
步骤一：高固相含量浆料的制备
(1)以溶胶-凝胶法合成的纳米级生物活性玻璃(BG)粉体为原料，以去离子水和硬脂酸的混合液为溶剂，使用行星球磨机球磨3h(频率30Hz)，配制固相含量为40vol％的浆料；
(2)向浆料中加入高聚合度的黄原胶为流变助剂，加入量是粉料的2wt％，使用行星球磨机高速球磨混合1h，然后将浆料移入料筒中。通过超声震荡(频率100Hz，时间30min，温度30℃)、低温静置(时间12h，温度2℃)的方式，制备用于三维打印成型的生物活性陶瓷浆料；浆料的粘度低于100Pa·S，在空气中的凝固时间小于1分钟。
步骤二：三维可控微结构生物陶瓷支架坯体的制备
(1)将步骤一中配制的浆料置于喷头，选择直径为0.25mm的TT斜式针头，并校准针头的高度；
(2)输入设计的打印模型长方体，并编辑模型的尺寸为20*20*5mm，对模型进行分层；
(3)设置平台温度为0℃、料筒温度为50℃、气压为0.17MPa、打印速度为5mm/s，使浆料在气压的挤压下通过三维纤维沉积形成具有三维陶瓷支架。
步骤三：支架的后期干燥和烧结
(1)将步骤二中打印的支架先常温干燥4h，然后微波干燥24h后每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉，支架的烧结温度为1000℃，保温时间为3h，升温速率为3℃/min，降温速率为3℃/min，最终得到具有较高强度的、收缩率为10％的生物活性陶瓷三维支架。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，采用气压挤出式三维打印法制备，具体包括以下步骤：
(11)在溶剂中添加生物活性陶瓷粉体，使用行星球磨机以频率为20～30Hz球磨3～12h，得到的浆料的固相含量为35～55vol％；
所述溶剂由去离子水和分散剂均匀混合而成；所述分散剂的加入量为生物活性陶瓷粉体质量的0.5～2％；
(12)向步骤(11)得到的浆料中加入水溶性流变助剂，使用行星球磨机以频率为20～30Hz球磨混合0.5～3h，然后将浆料移入料筒中，依次进行超声震荡、低温除泡，得到用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料；
所述的生物活性陶瓷为羟基磷灰石、β-磷酸三钙粉体或生物活性玻璃粉体；
所述水溶性流变助剂的加入量为陶瓷粉体质量的0.5～2.5％；
所述超声震荡的频率为100Hz，时间为15-60min，温度为20～40℃；
所述低温除泡为在温度2～10℃静置3～48h；
(21)将制备得到的用于气压挤出式三维打印的陶瓷浆料置于料筒，选择针头，并校准针头的高度；
(22)输入设计的打印模型并编辑模型的尺寸和格式，对模型进行分层；
(23)设定打印参数，浆料在气压的挤压下通过三维打印形成具有不同外形尺寸和内部微结构的三维陶瓷支架坯体；
(24)将步骤(23)打印得到的三维陶瓷支架坯体干燥；
(25)将干燥后的三维陶瓷支架坯体在1000～1200℃烧结1～5h。
2.根据权利要求1所述的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤(11)所述的分散剂为聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠或硬脂酸。
3.根据权利要求1所述的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤(12)水溶性流变助剂为黄原胶、琼脂糖、甲基纤维素或聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤(24)所述的干燥，具体为：
先常温干燥2～24h，然后微波干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全。
5.根据权利要求1所述的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤(25)所述在1000～1200℃烧结1～5h，具体为：以2～5℃/min的速率升温到1000～1200℃，保温1～5h，以2～6℃/min的速率降到室温。
6.根据权利要求1所述的生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，步骤(23)所述打印参数包括平台温度、料筒温度、气压压力、打印速度。
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