CN106178099A - 无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，包括以下步骤：将羟基磷灰石粉末和金属钛粉的混合粉体分散于介质中，制成固相含量为50‑80wt％的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料；通过CAD软件预先设计三维结构图，并将其转换成计算机可识别的代码语言，将所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料置入挤出针筒，并在三维平台的带动下沿着计算机指定的路径运动，同时逐层挤出成型，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体；将所述多层有序三维多孔网络状结构坯体进行干燥、烧结热处理工序，得到三维生物支架。
Description
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，尤其涉及一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法。
背景技术
羟基磷灰石的成分和理化性质与人体骨骼的无机成分相似，具有良好的生物相容性和生物活性，还有诱导新骨形成的作用，是无机生物陶瓷中广泛应用的材料。三维多孔羟基磷灰石结构被大量用于仿生学材料的制备，但是，羟基磷灰石生物支架的缺点是脆性较大、抗压强度低，只能用于非承重部位的骨替换。
常规生物支架的成型技术，成型过程中大多需要使用到激光束或者紫外光辐射，在加热条件下进行，因此，其成型工艺要求较高、条件相对苛刻、且得到的产品较为简单，难以实现复杂形状的产品的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架及其方法，旨在解决享有生物支架的成型工艺要求较高、条件相对苛刻、得到的产品较为简单、脆性较大、抗压强度低的问题。
本发明是这样实现的，一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，包括以下步骤：
将羟基磷灰石粉末和金属钛粉的混合粉体分散于介质中，制成固相含量为50-80wt％的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料；
通过CAD软件预先设计三维结构图，并将其转换成计算机可识别的代码语言，将所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料置入挤出针筒，并在三维平台的带动下沿着计算机指定的路径运动，同时逐层挤出成型，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体；
将所述多层有序三维多孔网络状结构坯体进行干燥、烧结热处理工序，得到三维生物支架。
以及，一种由上述方法制备的生物支架，所述生物支架为由羟基磷灰石粉和金属钛粉混合成的浆料经烧结形成的多层网格状立体结构，所述羟基磷灰石粉和金属钛粉均匀分布于组成网格的细丝中。
本发明提供的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，一方面，由于纯钛的密度与骨相近，具有良好的生物相容性和机械性能，而羟基磷灰石具有良好的生物相容性，因此，采用含有羟基磷灰石粉末和金属钛粉的浆料作为生物支架原料，能够在保证生物相容性的前提下，增韧羟基磷灰石结构，提高生物支架的机械性能，同时本发明提供的浆料配制过程简单，浆料的成分可调；另一方面，本发明采用无模直写成型技术，成型过程中不需要任何激光束或者紫外光辐射，也无需加热，在室温下即可制备出三维复杂形状产品。且无模直写成型技术能够通过精确的结构设计，能够制备出不同孔隙率的三维各向同性多孔结构，具有可调控的抗压强度，也为三维生物相容性支架的制备提供了更多的选择。此外，针对不同人体骨骼损伤的特点，无模直写技术能够通过预先的结构设计，为具体个体病例专门定制独一无二的生物相容性支架，良好诱导骨细胞的生长繁殖。
本发明提供的生物支架，具有较好的生物相容性和机械性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的钛/羟基磷灰石生物支架的示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，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。
本发明实施例提供了一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，包括以下步骤：
S01.将羟基磷灰石粉末和金属钛粉的混合粉体分散于介质中，制成固相含量为50-80wt％的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料；
S02.通过CAD软件预先设计三维结构图，并将其转换成计算机可识别的代码语言，将所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料置入挤出针筒，并在三维平台的带动下沿着计算机指定的路径运动，同时逐层挤出成型，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体；
S03.将所述多层有序三维多孔网络状结构坯体进行干燥、烧结热处理工序，得到三维生物支架。
具体的，上述步骤S01中，所述羟基磷灰石单独作为生物支架时，其脆性大，得到的生物支架机械性能差。有鉴于此，本发明实施例通过添加其他成分来增强所述羟基磷灰石的韧性，进而提高所述生物支架原料的机械强度。纯钛的密度与骨相近，具有良好的生物相容性和机械性能，但是纯钛与骨组织之间的连接容易脱落。本发明实施例将金属钛粉与所述羟基磷灰石粉体混合制备浆料，不仅能够起到增韧所述羟基磷灰石结构的作用，增强生物支架的机械性能；而且可以避免纯钛与骨组织之间发生脱落。此外，本发明实施例可以调控浆料中的钛粉含量并结合预先的结构设计，制备具有高强度的周期性网络状生物支架。
本发明实施例所述混合粉体，优选采用下述方法制备获得：将羟基磷灰石粉末和金属钛粉末的混合物，以酒精为助磨剂将该所述混合物进行球磨处理，24-48h后置于恒温干燥箱，干燥24-48h后过筛，得到均匀的混合粉体。
本发明实施例中，所述混合粉体中金属钛粉的含量有一定的要求，当所述金属钛粉的含量过少时，不足以明显提高生物支架的机械性能；当所述金属钛粉的含量过多时，会影响烧结温度和生物支架的抗压强度。作为优选实施例，所述混合粉体中，以所述混合粉体的总重量为100％计，所述金属钛粉的重量百分含量为30-80％。更一步优选的所述金属钛粉的重量百分含量为50％含量，由此得到的生物支架的强度最好。
本发明实施例中，高性能、稳定的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料是成型过程的基础。本发明实施例所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料需满足两个重要的指标，第一，所述浆料要具有可以调控的粘弹性响应以保证其在针头中的顺利挤出，并且沉积到基板上以后保证即使是在下面无任何支撑的时候也能维持线条形状和一定的跨距；第二，所述浆料要呈现剪切变稀的流变学特征，保证针筒中的浆料在剪切应力的作用下能顺利挤出。因此，本发明实施例中，一方面，所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料的流变学特征为剪切变稀型；另一方面，本发明实施例以去离子水为基本溶剂来配制胶体浆料可用于制备三维功能陶瓷。具体的，采用水基胶体浆料，可以在多个数量级范围内对粘弹性进行调控，成型有图案和跨距的线条。
具体的，本发明实施例中，所述介质为混合溶剂，所述混合溶剂包括去离子水、分散剂和粘结剂。其中，所述分散剂可以提高所述混合粉体在所述介质中的分散效果。进一步优选的，所述分散剂为柠檬酸铵、二水合柠檬酸三钠、甲基纤维素中的至少一种。所述粘结剂可以增强所述粉体之间的连接性，进而获得能够自我支撑的浆料。进一步优选的，所述粘结剂为聚乙二醇、聚乳酸、聚乙烯醇中的至少一种。更优选的，以所述介质的总重量为100％计，所述分散剂的含量为0.5-1wt％；所述粘结剂的含量为0.5-3wt％。最为较佳实施例，所述混合溶剂包括去离子水、柠檬酸铵、聚乙二醇和聚乳酸，且所述柠檬酸铵的含量为0.5-1wt％；所述聚乙二醇和聚乳酸的含量为0.5-3wt％。该优选的所述混合溶剂，使得得到的生物支架性能更为均匀稳定。
本发明实施例将所述混合粉体逐量加入所述介质中，优选采用超声细胞粉碎机震动至均一稳定，得到均一的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料体系。本发明实施例通过添加所述粘结剂和控制固相含量来获得能够自我支撑的浆料，所述固相含量过低，则无法实现自我支撑；所述固相含量高，收缩变形小。此外，固相含量会影响浆料的流变性能。经过发明人反复研究，本发明实施例所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料的固相含量为50-80wt％，能够较好的实现自我支撑、同时具有较好的流变性能。
上述步骤S02中，合理的形状设计是整个成型过程的基础，直写成型基于离散－叠加的原理成型。离散叠加过程大致分为体离散、面离散和线离散。体离散就是将三维实体分解成连续的平面，面离散这是把体离散出的切面继续分解为一系列线段用于后续的成型路径，最后一步线离散，将上述的小段分成一系列实体点群，对应着成型中的最小单元。本发明实施例采用三维圆柱形网状结构，其相邻两层之间相互正交，各向同性，可用于生物相容性支架的制备。直写成型系统由三部分组成：首先是计算机软件，完成图形的设计，并将其转换成代码语言；其次是三维高精度运动平台，接收计算机发出的指令，沿着预先设计的路径运动；最后是浆料挤出系统，由挤出针筒、气压调节阀和气瓶组成，能够提供1-70psi的挤出动力。
本发明实施例中预先设计了三维木堆结构的图形，浆料配制好以后置入容量为10ml的针筒中。三维运动平台带动挤出针筒沿着既定的轨迹运动，在基板上沉积出第一层结构，接着沿Z轴上升到合适的高度成型第二层结构，反复进行得到最终的三维木堆结构坯体。根据浆料的流变性调整相应的挤出压力，使其下落到基板上能够迅速固化并保持形状。黏度大的浆料相应挤出压力较大，反之，则较小。针筒的运动速度要与挤出压力相匹配，运动速度小的时候，相应的挤出压力也要调小，压力太大浆料瞬间挤出过多堆积在某一个位置将会引起整个结构的不对称，甚至塌陷。针头运动速度增大的时候，挤出压力要调大，否则压力过小，浆料来不及挤出，均一线条中断，导致结构不完整连续。具体的，实施例中运动速度3-5mm/s，相应的挤出压力在40-60psi。
优选的，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体的步骤中，采用不同直径的挤出针头、在三维平台的带动下沿着预先设计的路径逐点逐层书写出具有不同尺寸参数的周期性三维网格状结构。
本发明实施例所述无模直写技术具有良好的设计性和灵活的调控性，其可以根据不同需求，定制不同尺寸的生物支架，直写成型的精度低至10μm。具体的，所述多层有序三维多孔网络状结构坯体的设计杆间距为10-300μm，线条直径10-300μm。
上述步骤S03中，将成型后的多层有序三维多孔网络状结构坯体置于低温烧结炉进行预烧处理，进一步固化；然后在高温烧结炉中进行烧结处理。作为一个优选实施例，所述预烧处理的方法为：将坯体置于低温烧结炉在100-200℃下预烧1-2h。作为另一个优选实施例，所述烧结处理的方法为：将低温预烧之后的坯体置入高温炉，以100-200℃/h的升温速率从室温升至1100-1300℃保温1-2h以上进行烧结处理，随炉冷却至室温得到三维生物支架。作为一个具体实施例，以100℃/h的升温速率从室温升至1200℃保温4h进行烧结处理。随炉冷却至室温得到三维生物支架，取出样品进行表征，图1为得到的三维生物支架外观俯视图，可以看出，烧结后的样品整体结构较为完整，无明显的变形，截面保持了很好的圆柱形。
本发明实施例提供的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，一方面，由于纯钛的密度与骨相近，具有良好的生物相容性和机械性能，而羟基磷灰石具有良好的生物相容性，因此，采用含有羟基磷灰石粉末和金属钛粉的浆料作为生物支架原料，能够在保证生物相容性的前提下，增韧羟基磷灰石结构，提高生物支架的机械性能，同时本发明实施例提供的浆料配制过程简单，浆料的成分可调；另一方面，本发明实施例采用无模直写成型技术，成型过程中不需要任何激光束或者紫外光辐射，也无需加热，在室温下即可制备出三维复杂形状产品。且无模直写成型技术能够通过精确的结构设计，能够制备出不同孔隙率的三维各向同性多孔结构，具有可调控的抗压强度，也为三维生物相容性支架的制备提供了更多的选择。此外，针对不同人体骨骼损伤的特点，无模直写技术能够通过预先的结构设计，为具体个体病例专门定制独一无二的生物相容性支架，良好诱导骨细胞的生长繁殖。
实际生活中，每年都会出现很多起必须通过移植骨骼或者安装新器官来进行治疗损伤的意外，例如交通事故、工业意外、摔伤、癌症甚至整容等原因切除骨骼，无模直写成型技术能够为具体的个体病例定制独一无二的生物相容性支架，进而有效的诱导骨细胞的定向生长，将为人类的生命和健康做出巨大的贡献。
以及，本发明实施例还提供了一种由上述方法制备的生物支架，所述生物支架为由羟基磷灰石粉和金属钛粉混合成的浆料经烧结形成的多层网格状立体结构，所述羟基磷灰石粉和金属钛粉均匀分布于组成网格的细丝中。
本发明实施例提供的生物支架，具有较好的生物相容性和机械性能。
两种成分均匀分布于组成网格的细丝中，网格的交汇处上下层之间连接良好，无浆料堆积塌陷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
Claims (10)
1.一种无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，包括以下步骤：
将羟基磷灰石粉末和金属钛粉的混合粉体分散于介质中，制成固相含量为50-80wt％的钛/羟基磷灰石陶瓷浆料；
通过CAD软件预先设计三维结构图，并将其转换成计算机可识别的代码语言，将所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料置入挤出针筒，并在三维平台的带动下沿着计算机指定的路径运动，同时逐层挤出成型，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体；
将所述多层有序三维多孔网络状结构坯体进行干燥、烧结热处理工序，得到三维生物支架。
2.如权利要求1所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述混合粉体中，以所述混合粉体的总重量为100％计，所述金属钛粉的重量百分含量为30-80％。
3.如权利要求1所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述介质为混合溶剂，所述混合溶剂包括去离子水、分散剂和粘结剂。
4.如权利要求3所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述分散剂为柠檬酸铵、二水合柠檬酸三钠、甲基纤维素中的至少一种，所述粘结剂为聚乙二醇、聚乳酸、聚乙烯醇中的至少一种，且以所述介质的总重量为100％计，所述分散剂的含量为0.5-1wt％；所述粘结剂的含量为0.5-3wt％。
5.如权利要求1-4任一所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述钛/羟基磷灰石陶瓷浆料的流变学特征为剪切变稀型。
6.如权利要求1-4任一所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，形成多层有序三维多孔网络状结构坯体的步骤中，采用不同直径的挤出针头、在三维平台的带动下沿着预先设计的路径逐点逐层书写出具有不同尺寸参数的周期性三维网格状结构。
7.如权利要求1-4任一所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述多层有序三维多孔网络状结构坯体的设计杆间距为10-300μm，线条直径10-300μm。
8.如权利要求1-4任一所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述热处理还包括在烧结前，将坯体置于低温烧结炉在100-200℃下预烧1-2h，进一步固化。
9.如权利要求8所述的无模直写成型技术制备钛/羟基磷灰石生物支架的方法，其特征在于，所述热处理包括将低温预烧之后的坯体置入高温炉，以100-200℃/h的升温速率从室温升至1100-1300℃保温1-2h以上进行烧结处理，随炉冷却至室温得到三维生物支架。
10.一种根据权利要求1-9任意一项所述方法制备的生物支架，其特征在于，所述生物支架为由羟基磷灰石粉和金属钛粉混合成的浆料经烧结形成的多层网格状立体结构，所述羟基磷灰石粉和金属钛粉均匀分布于组成网格的细丝中。
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