CN109400200B

CN109400200B - 一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109400200B
Application number: CN201811448560.8A
Authority: CN
Inventors: 张斗; 廖晶晶; 苏波
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN109400200A

Abstract

本发明公开了一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷及其制备方法和应用，所述羟基磷灰石多孔陶瓷先通过3D直写成型获得三维立体结构，再由冷冻浇注调控获得微观多孔结构，并公开了其制备方法为将原料A加入含分散剂的溶剂中混合获得悬浮液，然后再将悬浮液中加入凝胶剂混合获得浆料；所述原料A包含羟基磷灰石粉体，将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，打印、冷冻处理获得具有三维结构的坯体，坯体经冷冻干燥，烧结即获得宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷，本发明首创的实现了直写成型及冷冻浇注技术的高效结合；所得羟基磷灰石多孔陶瓷应用作为骨支架，可满足不同骨组织定制化需求。

Description

一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷及其制备方法和应用，属于三维立体结构材料成型领域。

背景技术

羟基磷灰石(HA)是天然骨的主要成分。其中，羟基磷灰石占整个骨组织重量的75％，其植入体内后具有安全无毒的特性。HA陶瓷能使骨细胞附着在其表面并诱导骨生长，被广泛的用作骨替代物用于骨移植。就骨替代材料的结构性而言，致密的替代材料由于具有一定的可加工性，在临床使用中较为方便，但因其植入动物体内后，只能在其表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为新生骨形成的支架。而多孔的骨替代材料由于具有多孔的结构，能为纤维细胞和骨组织向其中生长提供通道和空间，为组织液与多孔材料增大了接触面积，形成纤维组织并促进新骨生成，使骨与替代材料之间的面结构具有生理结合。另一方面，由于生物体内不同部位天然骨的力学与生物性能各不相同，所需要的孔径、孔隙率及孔取向随组织不同而不同，因此为使羟基磷灰石骨支架能够满足不同缺陷部位的临床应用要求，其多孔结构需要具备可设计，可调控，可定制化的要求。具体表现在不仅是对羟基磷灰石骨支架材料的大孔结构的设计上，同时也对整个骨支架材料内部微观多孔结构的调控。

近年来，基于快速成型的3D直写成型技术(Direct ink writing，DIW)由于其可制备具有较大高宽比和含有跨度特征的复杂精细的三维周期结构而引起研究者的广泛关注。3D直写指的是一种使用安装在计算机控制平台上的造型设备，将特定成分的材料按照计算机软件设定的结构精密成型的技术。一般将墨水材料(ink)存储在一个温度可控的料筒中，喷头与料筒相连并安装在一个三轴CNC定位台上，由压力控制给料的微喷头(micronozzle)将材料喷出，根据材料的固化方式选择不同的固化工艺将喷出的墨水材料进行固化成型。只要具有合适的流变性能和一定的保形性，各种材料均可以设计成打印墨水用于此种造型方式，其打印出来的丝径范围从百纳米到毫米之间，细丝可以横跨较大的空隙，甚至可以空间自由成型，完成其他加工技术难以完成的加工任务。

与其他快速成型方法相比，直写成型技术具有显著优势：1)成型过程无需模具，生产周期短、效率高、成本低；2)可根据需求便捷地改变样品的形状和尺寸，生产灵活，控制精确；3)原材料种类多样化，有无机非金属、金属和有机聚合物等；4)可制备生物、光学、电子等领域的功能材料，甚至是活体细胞。但是，作为一种尚不成熟的技术，3D直写的科学技术研究还处于起步阶段，另外，3D直写打印墨水需从精细的喷嘴中流出而不发生堵塞，并且可以迅速固化成具有一定强度的细丝用于各种造型；因此，3D直写打印墨水必须同时具备剪切致稀性和粘弹性，如弹性模量超过损耗模量。

3D直写成型技术在材料的宏观结构上可实现任意设计和构造，然而，其对沉积材料的内部微观结构无法进行干预和设计，因此，难以满足实际应用中对材料微观多孔进行调控的要求，而冷冻浇注是一种被广泛用来制造微观多孔材料的方法，可实现对材料微观多孔的定向排列以及孔径，孔形状和孔隙率的调控。

冷冻浇注法(freeze casting)又称冰模板法(ice-templating method)，其在定向温度场下对浆料进行冷冻凝固，使粉体颗粒在定向生长凝固冰晶的推挤排斥下进行聚集重排，将所得冰坯经冷冻干燥，最后留下以冰为模板的具有定向排列的多孔结构。利用冰晶定向生长的特性，在一定温度梯度条件下，冰晶在垂直于C轴方向上生长速度比平行于C轴方向快，将冰晶升华去除后，所得结构即以冰为模板，具有定向、层状和多孔的特征。

而冷冻浇注法作为定向多孔材料的制备方法之一，具有以下几个优势：(1)由于溶剂可以采用水，炭烯、叔丁醇等有机物，因此冷冻浇注法可适用于陶瓷、金属、有机物等材料体系；(2)当溶剂采用水时，此法具有环境友好的特点；(3)由于采用冷冻干燥法去除溶剂，减少或避免了因干燥产生的裂纹，所得样品收缩率小，具有近净成型的特征；(4)冷冻浇注法工艺参数简单，且调控方便，因此所得多孔结构的性能也容易控制。

然而冷冻浇注虽然能够实现坯体内部微观孔洞结构的构筑。但是仍然依赖于模具实现坯体的成型。而具有复杂三维模具的制备工艺复杂，同时制备成本高，因此限制了复杂三维坯体的制备，还增加了制备成本。

由于3D直写成型技术和冷冻浇注法都是以材料浆料为研究对象，且前者是基于浆料的宏观成型技术，后者是基于浆料的制造微观多孔技术，这就在客观上为这两种方法的结合提供了理论依据和可能性。

然而目前尚未有关于将3D直写成型技术和冷冻浇注法两种制备方法相结合以制备多孔羟基磷灰石陶瓷。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷。

本发明的第二个目的在于提供上述羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，通过3D直写成型技术进行羟基磷灰石凝胶的沉积以设计陶瓷材料的宏观结构，与此同时，对沉积后的陶瓷材料进行冷冻浇注，以调控该支架的内部微观多孔结构，该方法试适用性广，可用于制备定向或非定向的微孔结构，此外，成型的微孔结构可根据生物组织的不同要求改变羟基磷灰石的凝胶固含量，冷冻速率和凝胶剂的用量实现定制化要求。

本发明的第三个目的在于提供上述羟基磷灰石多孔陶瓷的应用，将所述羟基磷灰石多孔陶瓷应用于骨支架。

本发明一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷，所述羟基磷灰石多孔陶瓷先通过3D直写成型获得三维立体结构，再由冷冻浇注调控获得微观多孔结构。

本发明一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷，所述羟基磷灰石多孔陶瓷的三维立体结构尺寸为0.001～0.5m³，宏观大孔的孔径为1～15mm，微观多孔的孔径为10～800μm。

在本发明中羟基磷灰石多孔陶瓷的微观多孔结构可以沿方向呈定向梯度变化或均匀一致分布，呈现各向同性或各向异性。

本发明首创的通过将3D直写成型与冷冻浇注法有机结合获得一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷，通过3D直写成型实现了宏观尺寸上的结构成型，通过冷冻浇注法对微观多孔结构进行调控，可实现定制化的需求，因此在宏观结构上，其尺寸可以具有较大的范围(0.001～0.5m³)，形状也可以多样化如可以为支架型的，块体状的，圆柱状的，或异形状的，宏观大孔结构的孔径为1～15mm，孔形状可以是蜂窝状的，圆形的，四方形的，长方形的，菱形的，多边形的或异性的，这种宏观结构的支架线条的直径为30μm～1mm，结构层数可以依据要求实现从1层到多层的变化，这种宏观结构可依据要求在不同沉积层上实现孔结构和孔径不同；而对于支架线条的微观结构，微观多孔的孔径大小为10～800μm，其微观孔经分布可以是外层孔径大内层孔小，或外层孔小内层孔大或内外孔孔经均匀分布，其微观孔形状可以是片状多层结构，亦可以为蜂窝状结构或树枝状。可见，采用3D直写成型与冷冻浇注法的结合可以根据需要定制化的制备出所需形态的羟基磷灰石多孔陶瓷以满足不同的应用要求。

本发明一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、浆料的配取

将原料A加入含分散剂的溶剂中第一次混合获得悬浮液，然后在悬浮液中加入凝胶剂第二次混合获得浆料；所述原料A在浆料的中的体积分数为5-45vol.％；

所述原料A包含羟基磷灰石粉体；

步骤二、三维结构的坯体的制备

方案一

将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，一边打印一边冷冻处理获得具有三维结构的坯体；

或

方案二

将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，打印获得具有三维结构的粗坯；然后冷冻处理获得具有三维结构的坯体；

步骤三、羟基磷灰石多孔陶瓷的制备

将具有三维结构的坯体进行冷冻干燥，然后烧结即获得宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷。

作为进一步的优选，所述原料A在浆料的中的体积分数为10-35vol.％。

优选的方案，所述原料A中还包含β-TCP(β-磷酸三钙)粉体；

作为进一步的优选，当原料A选自羟基磷灰石粉体与β-TCP粉体时，羟基磷灰石粉体与β-TCP粉体的体积比为1～7:3～10。

在采用3D直写成型与冷冻浇注成型相结合制备羟基磷灰石多孔陶瓷的过程中，发明人发现，存在大量的困难点，首先关于浆料中的固含量，对于3D直写成型与冷冻浇注成型来说，具有完全不同的适应范围，对于3D直写成型技术而言，通常要求3D打印墨水中的固含量高，体积分数时常可高达50.0vol％体积，且体积分数越高对于其成型结构越好，往往需要通过制备非常高固相含量的墨水才能成型良好的三维结构，而对于冷冻浇注技术而言，由于需要通过冰晶的生长作为模板制备微观多孔结构，因此，适用于冷冻浇注技术的材料浆料的固相体积分数不能太高，通常其体积分数范围在10.0～35vol.％，超过40.0vol.％的固相含量通常由于粉体颗粒过多，容易造成冰晶生长过程中无法推开颗粒形成结构而导致成型微观多孔结构的失败，因此可看出两种技术适用的材料浆料固相含量范围不同，且彼此的成型原理和实现手段的不同，为两种技术的结合带来了操作上很大的难度。

发明人通过大量的实验发现，可以在浆料中加入合适的凝胶剂，从而获得具有特定流变性能以及保水性能的凝胶，这样在低的体积分数的配比下，也能够使得浆料在3D打印过程中具有良好的挤出性能。然后，在实验过程中，发明人又发现，直接的共混配料后所得浆料，仍然无法获得微观结构的有效调控和制备，通过分析后发现两者的结合，对浆料的分散性也提出了更高的要求，只有高度分散良好的浆料，才能保证在挤出过程中不堵嘴现象的发生，此外，也只有高度分散良好的浆料，才能保证在经过3D直写挤出过程中针嘴的挤压变形后还具有适宜的分散性用以实现冷冻浇注技术中微观多孔的制备，而不至于在挤压过程中被挤成了不均匀的物质，如果是不均匀的物质的话，那么在后续的冷冻浇注过程中也会产生不均匀团聚和不均匀的结构。因此本发明需要获得高度分散和高度均匀的凝胶结构。于是本发明方案通过分步对浆料进行配取，将羟基磷灰石粉体加入含分散剂的溶剂中混合分散均匀获得悬浮液，然后再将悬浮液中加入凝胶剂再次混合分散均匀获得浆料，通过分步的球磨与分散，实现了浆料的高度分散与高度均匀。

优选的方案，所述分散剂选自聚丙烯酸，聚丙烯酸铵，聚氧化乙烯(PEO)中的至少一种，所述分散剂的加入量为羟基磷灰石粉体的质量的0.1-2wt.％。

优选的方案，所述溶剂选自崁烯或水。

优选的方案，所述羟基磷灰石悬浮液配取过程还包括脱泡过程，所述脱泡的方法为消泡剂脱泡法、真空脱泡或静置脱泡。

通过脱泡处理可以获得无气泡或少气泡型的羟基磷灰石悬浮液，进一步增强浆料的均匀性。

作为进一步的优选，当脱泡过程采用消泡剂脱泡法时，所述消泡剂选自正丁醇。

在本发明中，第一次混合与第二次混合的目的，均是形成均匀分散的料液，因此其混合方式，可以为常规技术中的磁力搅拌，超声分散，摇床震动，高速剪切、球磨等分散方式，不过发明人发现，最优选的方式还是球磨。

优选的方案，所述第一次混合的方式为球磨，所述第一次混合时，球磨的转速为10～200rpm，球磨的时间为1～36h；作为更进一步的优选，所述第一次混合时，球磨的转速40～60rpm，球磨的时间为8～12h。

优选的方案，所述第二次混合的方式为球磨，所述第二次混合时，球磨的转速为10～30rpm，球磨的时间为1～4h，球磨的温度为30～80℃。

本发明通过有效的控制混合过程中的球磨条件，可以获得分散均匀的流体态的浆料。

优选的方案，所述凝胶剂选自明胶，果胶，环糊精，壳聚糖中的至少一种。优选的方案，所述凝胶剂的加入量为溶剂质量的5～18wt.％。

作为进一步的优选，所述凝胶剂的加入量为溶剂质量的5～15％。

发明人发现，凝胶剂的选择是非常重要的，所加入的凝胶剂必须能使浆料形成凝胶态后，同时具有保水性以及粘弹性。

优选的方案，所述浆料在凝胶状态时，弹性模量范围为10²～10⁵Pa，表观粘度在剪切速率为10～200s^-1的范围内为0.01～200Pa.s。

优选的方案，所述浆料处于凝胶状态后至形成三维结构的坯体的时间为5～60min。

作为进一步的优选，所述浆料处于凝胶状态后至形成三维结构的坯体的时间为10～40min。

发明人发现，要使得3D直写成型技术与冷冻浇注法可有效的结合，必须控制凝胶状态存在的时间，这是由于凝胶态的浆料在操作过程中会出现蒸发和干燥作用，而水份含量对于冷冻处理过程中精确控制材料中冰晶的生长是十分重要的，形成可控的微观结构是至关重要的。如果整个操作时间较长，那么可能在没冷冻浇注前该浆料中的水分量就因为蒸发而出现固含量上升，保水率下降，无法得到可控的微观多孔结构。在本发明中，本发明通过优选凝胶剂，所获得的凝胶态的浆料在60min以内可以保持保水率的恒定。

优选的方案，所述浆料通过直写设备时处于凝胶状态通过如下方式实现，一是浆料形成凝胶状态后装载于3D直写设备，二是将浆料装载于3D直写设备后，打印前通过直写设备进行温度控制实现使浆料形成凝胶状态，所述温度控制是指让浆料温度处于凝胶剂的凝胶点之下。

作为进一步的优选，将浆料注入3D直写设备的针筒中，通过控制针筒的温度处于凝胶点之下，促使浆料形成凝胶。

在本发明中，根据本发明所选择的凝胶剂的特点，所述针筒的温度调节范围为-100℃～30℃。

作为更进一步的优选，所述3D直写设备针筒中针嘴的直径范围为30μm～1mm。

优选的方案，所述打印时，打印速度为20～150mm/s。

发明人发现，打印速度对所打印的结构也具有一定的影响，需要通过凝胶态浆料的粘弹性选择打印速度，若打印速度过大过小都会导致打印的结构不成型，过快会导致断点或断线，过慢会导致挤出堆积，结构堆在一块。

优选的方案，步骤二中，所述方案一的具体实施方式为：将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，在3D直写设备导热基板下端倒入液氮，提供垂直于导热基板的定向温度场；对凝胶状态的浆料进行直写成型，打印出设定的三维结构坯体；

优选的方案，步骤二中，所述方案二的具体实施方式为：将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，对凝胶状态的浆料进行直写成型，在导热基板上打印出设定的三维结构的粗坯，然后将粗坯置于定向温度场中进行冷冻处理，获得三维结构的坯体，所述导热基板的温度＜所用凝胶剂的凝胶点，所述冷冻处理的温度<所用溶剂的凝固点。

在本发明中，根据本发明所选择的凝胶剂的特点，所述方案二中导热基板的温度调节范围为常温-10℃～30℃。

根据本发明所选择的溶剂的特点，所述方案二冷冻处理的温度范围为-196℃～30℃。作为更进一步的优选，当采用水为溶剂时，冷冻处理的温度为-196～0℃，当采用莰烯为溶剂时，冷冻处理的温度为-10℃～30℃。

优选的方案，方案二中，所述冷冻处理的时间为1min～4day。

作为进一步的优选，方案二中，当采用液氮冷冻处理时，冷冻处理的时间为5～15min，当在-100℃～-30℃的温度下冷冻处理时，冷冻处理的时间为0.5～2day。

在常规的思路中，在进行3D直写成型与冷冻浇注的结合的过程中，仅能在3D沉积过程中提供定向温度上，从而实现冰晶的定向生长，制备出具有三维结构的冰坯，再通过冷冻干燥从而获得微观多孔结构。即上述给出的方案一，但是方案一却有一定的局限性，一个是对于冷源的限制，二是定向温度场在机器上的给予会影响机器的运行，其次，容易迫使机器寿命的下降。

而由于本发明中，通过优选凝胶剂，所获得的凝胶态的浆料在60min以内保持保水率的恒定。发明人根据凝胶状态的浆料具有保水性的特点，突破常规思想，发现在本发明，即使在3D直写成型过程中不提供定向温度场，直接进行3D直写成型后所形成的粗坯中仍然能保持水分，因此可以将粗坯从打印的平台上移动下来，再进行定向温度场的冷冻处理仍然能实现冰晶的定向排布。即本发明的方案二，采用本发明的方案二，利用了凝胶可转移的特性，因此，不必局限于机器上冷场的设置，而可以更大范围的选择其他的冷冻方式，比如，单向冷冻，双向冷冻，或均匀冷冻，且这样冷冻的温度和速率操作范围也很宽，因此，可以更好的实现对制备材料的微观多孔结构的调控。

另外，发明人还发现，采用先打印获得三维结构粗坯再经冷冻处理获得三维结构坯体的方式，多孔结构的均匀性也更优。

优选的方案，所述冷冻干燥的温度为-20℃～-100℃。

优选的方案，所述冷冻干燥的时间为0.5-5天。

本发明一种羟基磷灰石多孔陶瓷的应用，将所述羟基磷灰石多孔陶瓷应用于骨支架。

本发明中所提供的羟基磷灰石多孔陶瓷具有定制化的特点，可以根据不同的骨支架的需求，定制化的形成具有适宜于骨组织生长的孔径大小及分布、孔隙率、孔的贯通状况及孔的表面形态，不仅具有可容纳新骨长入的大孔并且孔壁可具有丰富层片状多孔，从而具有传导成骨的作用。

同时，根据具体的实际应用需求，还可浸渍生物医用聚合物如PLGA，PLA，PLC以增强其力学性能，同时亦可以装载药物进行药物释放和治疗。

本发明的原理和优势：

发明人通过对3D直写的浆料流变性能和冷冻浇注过程的深入的研究，惊喜的发现，只要配置好悬浮液，调控其流变性能和含水量及保水能力，使其同时满足3D直写的浆料流变性能和冷冻浇注浆料要求，就能实现理论和技术手段上的结合，从而成功的将两种不同技术手段集成在一起用以制备宏观和微观结构都可控的材料器件。3D直写用于设计材料的宏观结构，而冷冻浇注用以实现微观结构的调控。本发明集成了两种技术手段的优势，成功制备了宏观及微观结构可控的羟基磷灰石骨支架材料，并可通过改变3D直写成型的模型和设计用于调控骨支架材料的宏观大孔结构，通过改变冷冻速率，固含量，凝胶用量用以调控微孔形状和大小。本发明的工艺简单，过程操作便利，影响因素较少，可以适用于规模化和产业化生产，是一种全新的材料结构设计和调控的方法和技术手段。

通过本发明的方案的应用，可以成功制备得到复杂精细的宏观和微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料及其结构。通过本发明制备得到的羟基磷灰石骨支架材料其力学强度通过调控结构实现定制化要求，其承载强度可得到增强进而满足人工关节和骨支架材料力承载的要求，同时，本发明的骨支架材料的内部微孔结构具有多种用途，可起到增强或治疗的作用。此外，通过适当的调控工艺参数，可制备得到仿生骨组织的结构和力学性能。

本发明的另一优势是不需要热塑加工，因为是无模近净尺寸成型，所以不需要后续的机加工过程，可以直接成型，制备方法简单易于操作，制备条件温和无特殊要求，易于大规模工业化应用，本发明的弥补了国内尚无相关手段同时调控羟基磷灰石骨支架材料宏观和微观结构的不足。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明中含羟基磷灰石的凝胶态浆料随不同凝胶剂用量的弹性模量图，从图中可以看出弹性模量均在10³Pa上，因此，适合用于保持形状。

图3为本发明中含羟基磷灰石的凝胶态浆料随不同凝胶剂用量的粘度随剪切速率变化图，从图中可以看出都具有剪切变稀的特性，且粘度在规定的剪切速率范围内较低，因此可以顺利通过针嘴。

图4为本发明中含羟基磷灰石的凝胶态浆料随不同固含量的弹性模量图，从图中可以看出弹性模量均在10³Pa上，因此，适合用于保持形状。

图5为本发明中含羟基磷灰石的凝胶态浆料随不同固含量的粘度随剪切速率变化图，从图中可以看出都具有剪切变稀的特性，且粘度在规定的剪切速率范围内较低，因此可以顺利通过针嘴。

图6为实施例3中所得羟基磷灰石多孔陶瓷的宏观大孔结构。

图7为实施例3中所得羟基磷灰石多孔陶瓷经过-60℃冷冻速率下的微观多孔结构。

图8为实施例1中所得羟基磷灰石多孔陶瓷在液氮冷冻速率下的微观多孔结构。

图9为实施例4中所得羟基磷灰石多孔陶瓷在液氮定向冷冻速率下的微观多孔结构。

图10为实施例3中所得羟基磷灰石多孔陶瓷的表面多孔结构。

图11为实施例3中所得羟基磷灰石多孔陶瓷的断面多孔结构。

图12为实施例5中所得羟基磷灰石多孔陶瓷的微观多孔结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

实施例1

浆料中，羟基磷灰石的固含量(固相体积分数)为10vol.％，凝胶剂为明胶，含量为溶剂质量的5wt.％，所述的溶剂为水；分散剂为聚丙烯酸铵，加入量为羟基磷灰石质量的0.6wt.％，首先将羟基磷灰石粉体，水和分散剂混匀经球磨机在30rpm转速下球磨12h后形成悬浮液，加入氧化锆磨球作为研磨介质，同时加入1-2滴的正辛醇作为消泡剂。随后，向所述的羟基磷灰石悬浮液中加入凝胶剂明胶，随后在60℃温度下球磨2h，获得浆料，随后将该浆料倒入3D直写设备针筒于0℃下静置5min促使悬浮液向凝胶的转变，随后将装载有羟基磷灰石凝胶的针筒装入210μm的针嘴，导热基板上浆料进行直写成型，并控制导热基板的温度为25℃，在导热基板上获得纵横交错的三维立体结构的粗坯，打印速度为90mm/s,，将所得的三维结构置于液氮中冷冻5min获得坯体，随后置于冷冻干燥箱中于-60℃干燥1天，然后在1250℃烧结2h，得宏观与微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料，本实施例1中得到内部微观多孔结构均匀分布的骨支架材料，其中微观多孔的孔径大小为5-30μm。该均匀多孔结构的力学性能较强，高达10Mpa，可应用于部分载重的骨组织。

实施例2

浆料中，羟基磷灰石固含量为40vol.％，凝胶剂为明胶，含量为溶剂质量的的15wt.％，所述的溶剂为水；分散剂为聚丙烯酸铵，加入量为羟基磷灰石质量的1.2wt.％，首先将羟基磷灰石粉体，水和分散剂混匀经球磨机在60rpm转速下球磨8h后形成悬浮液，加入氧化锆磨球作为研磨介质，同时加入1-2滴的正辛醇作为消泡剂。随后，向所述的羟基磷灰石悬浮液中加入凝胶剂明胶，随后在80℃温度下球磨2h，获得浆料，随后将该浆料倒入3D直写设备针筒于0℃下静置2min促使悬浮液向凝胶的转变，随后将装载有羟基磷灰石凝胶的针筒装入160μm的针嘴，导热基板上浆料进行直写成型，并控制导热基板的温度为0℃，在导热基板上获得纵横交错的三维立体结构的粗坯，打印速度为40mm/s，将所得的三维结构粗坯置于液氮中冷冻10min获得坯体，随后置于冷冻干燥箱中于-40℃干燥2天，然后在1200℃烧结3h，得宏观与微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料，本实施例2中得到为内部微观多孔结构均匀分布的骨支架材料，其中微观多孔的孔径大小为10-20μm。该均匀多孔结构的力学性能较强，高达11Mpa，可应用于部分载重的骨组织。

实施例3

浆料中，羟基磷灰石固含量为20vol.％，凝胶剂为明胶，含量为溶剂质量的10wt.％，所述的溶剂为水；分散剂为聚丙烯酸铵，加入量为羟基磷灰石质量的1.2wt.％，首先将羟基磷灰石粉体，水和分散剂混匀经球磨机在60rpm转速下球磨8h后形成悬浮液，加入氧化锆磨球作为研磨介质，同时加入1-2滴的正辛醇作为消泡剂。随后，向所述的羟基磷灰石悬浮液中加入凝胶剂明胶，随后在80℃温度下球磨2h，获得浆料，随后将该悬浮液倒入3D直写设备针筒于0℃下静置3min促使悬浮液向凝胶的转变，随后将装载有羟基磷灰石凝胶的针筒装入400μm的针嘴，导热基板上浆料进行直写成型，并控制导热基板的温度为10℃，在导热基板上获得纵横交错的三维立体结构的粗坯，打印速度为80mm/s，将所得的三维结构粗坯置于-60℃温度中冷冻1day获得坯体，随后置于冷冻干燥箱中于-30℃下干燥1.5天，然后在1250℃烧结2h，得宏观与微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料，其中图6为实施例3中羟基磷灰石骨支架材料的宏观大孔结构，图7为实施例3中羟基磷灰石骨支架材料经过-60℃冷冻速率下的微观多孔结构，

图10为实施例3中中羟基磷灰石骨支架材料的表面多孔结构，图11为实施例3中羟基磷灰石骨支架材料的断面多孔结构。从图中可以看出，实施例3所得多孔陶瓷外壁比较致密，孔径较小而内部孔径较大，孔隙率较大的双重微观多孔结构，其中外部微观多孔结构的大小为2-10μm，内部微观多孔结构的大小为15-80μm，该结构可适用于向内部装载部分药物随后植入骨组织进行缓释抗感染的应用。

实施例4

浆料中，羟基磷灰石固含量为30vol.％，凝胶剂为明胶，含量为溶剂质量的8wt.％,所述的溶剂为水；分散剂为聚丙烯酸铵，加入量为羟基磷灰石质量的1.0wt.％，首先将羟基磷灰石，水和分散剂混匀经球磨机在40rpm转速下球磨8h后形成悬浮液，加入氧化锆磨球作为研磨介质，同时加入1-2滴的正辛醇作为消泡剂。随后，向所述的羟基磷灰石悬浮液中加入凝胶剂明胶，随后在60℃温度下球磨2h，获得浆料，随后将该悬浮液倒入3D直写设备针筒于0℃下静置4min促使悬浮液向凝胶的转变，随后将装载有羟基磷灰石凝胶的针筒装入500μm的针嘴，导热基板上浆料进行直写成型，并控制导热基板的温度为15℃，在导热基板上获得纵横交错的三维立体结构的粗坯，打印速度为100mm/s，将所得的三维结构粗坯置于液氮中定向梯度温度中冷冻10min获得坯体，随后置于冷冻干燥箱中于-60℃干燥0.5天，然后在1300℃烧结1h，得宏观与微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料，本实施例4得到为外壁比较致密(图9)，孔径较小而内部孔径较大，孔隙率较大的双重微观多孔结构，其中外部微观多孔结构的大小为2-8μm，内部微观多孔结构的大小为10-60μm。该结构可适用于向内部装载部分药物随后植入骨组织进行缓释抗感染的应用。

实施例5

浆料中，羟基磷灰石的固相体积分数为30vol.％，凝胶剂为果胶，含量为溶剂质量的8wt.％,所述的溶剂为莰烯；分散剂为聚丙烯酸铵，加入量为羟基磷灰石质量的1wt.％，首先将羟基磷灰石粉体，莰烯和分散剂混匀经球磨机在40rpm转速下球磨8h后形成悬浮液，加入氧化锆磨球作为研磨介质，同时加入1-2滴的正辛醇作为消泡剂。随后，向所述的羟基磷灰石悬浮液中加入凝胶剂果胶，随后在80℃温度下球磨2h，冷却至室温后即获得符合要求的凝胶态浆料，立即装入3D直写设备的针筒中，然后将装载有果胶凝胶的针筒装入100μm的针嘴，同时，在导热基板下端倒入过量液氮，提供垂直于基板的定向温度场，在导热基板上浆料进行直写成型，打印速度为60mm/s，即获得纵横交错的三维立体结构的坯体，随后将坯体置于冷冻干燥箱中于-10℃干燥1天获得，然后在1250℃烧结3h，得宏观与微观结构都可控的羟基磷灰石骨支架材料，从图12可以看出，得到呈树枝状分布的微观多孔结构，由于采取了采取了边打印边定向冷冻处理的方式，因此，结构下部的微观多孔结构孔径较小，上层较大，在结构均匀性方面相比先打印后冷冻的方案，多孔结构的均匀性稍差些，但是可以看出，孔隙结构还是非常清晰的，不过该结构的力学性能稍差些，为5Mpa，适用于不承力的组织。

在以上的实施例中，从凝胶状态至获得三维立体结构的坯体均未超过40min。

对比例1

其他条件均与实施例1相同,仅凝胶剂采用PVA，配置出的羟基磷灰石悬浮液流动性非常好，但是在3D直写成型的过程中，几乎没有立体结构，无法良好成型，挤出过程中就发生摊开现象，有的甚至摊开成一堆液体。

对比例2

其他条件均与实施例2相同，仅是氧化锆颗粒的固相体积分数为50vol％；配置出的羟基磷灰石浆料不具有流动性，在3D直写成型的过程中可以成型三维复杂结构，然而，在冷冻浇注过程中，由于固相含量过高，导致冰晶无法生长，因此，无法得到想要的微观多孔结构。

对比例3

其他条件与实施例5相同，仅是形成凝胶60分钟以后才倒入3D直写设备的针筒中，结果由于形成凝胶状态到形成三维结构坯体的操作时间过长，导致水份流失严重，致使冰晶无法生长，因此，未得到想要的微观多孔结构。

对比例4

其他条件均与实施例1相同，仅凝胶剂含量为4.5％，配置出的羟基磷灰石悬浮液流动性无法形成凝胶网络，在3D直写成型的过程中，几乎没有立体结构，无法良好成型，挤出过程中就发生摊开现象，有的甚至摊开成一堆液体。

对比例5

其他条件均与实施例1相同，仅凝胶剂含量为20％，配置出的羟基磷灰石悬浮液流动性凝胶网络结构失去了良好的柔软性，在3D直写成型的过程中，难以挤出，无法成型。

Claims

1.一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、浆料的配取

将羟基磷灰石粉体加入含分散剂的溶剂中第一次混合获得羟基磷灰石悬浮液，然后在悬浮液中加入凝胶剂第二次混合获得浆料；所述羟基磷灰石粉体在浆料的中的体积分数为5-45 vol.%；

所述分散剂选自聚丙烯酸，聚丙烯酸铵，聚氧化乙烯中的至少一种，所述分散剂的加入量为羟基磷灰石粉体的质量的0.1~2 wt.%；

所述凝胶剂选自明胶，果胶，环糊精，壳聚糖中的至少一种；所述凝胶剂的加入量为溶剂质量的5~18wt.%；

所述第一次混合的方式为球磨，所述第一次混合时，球磨的转速为10~200rpm，球磨的时间为1~36h；所述第二次混合的方式为球磨，所述第二次混合时，球磨的转速为10~30rpm，球磨的时间为1~4h，球磨的温度为30~80℃；

步骤二、三维结构的坯体的制备

方案一

将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，在3D直写设备导热基板下端倒入液氮，提供垂直于导热基板的定向温度场；对凝胶状态的浆料进行直写成型，打印出设定的三维结构坯体；所述浆料处于凝胶状态后至形成三维结构的坯体的时间为5~60min；

或

方案二

将浆料通过3D直写设备，并控制浆料通过直写设备时处于凝胶状态，对凝胶状态的浆料进行直写成型，在导热基板上打印出设定的三维结构的粗坯，然后将粗坯置于定向温度场中进行冷冻处理，获得三维结构的坯体，所述导热基板的温度＜所用凝胶剂的凝胶点，所述冷冻处理的温度<所用溶剂的凝固点；所述浆料处于凝胶状态后至形成三维结构的坯体的时间为5~60min；

步骤三、羟基磷灰石多孔陶瓷的制备

2.根据权利要求1所述的一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：

所述溶剂选自崁烯或水。

3.根据权利要求1所述的一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述羟基磷灰石悬浮液配取过程还包括脱泡过程，所述脱泡的方法为消泡剂脱泡法、真空脱泡或静置脱泡。

4.根据权利要求1所述的一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述浆料通过直写设备时处于凝胶状态通过如下方式实现，一是浆料形成凝胶状态后装载于3D直写设备，二是将浆料装载于3D直写设备后，打印前通过直写设备进行温度控制使浆料形成凝胶状态，所述温度控制是指让浆料温度处于凝胶剂的凝胶点之下。

5.根据权利要求1所述的一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述冷冻干燥的温度为-20℃~-100℃，冷冻干燥的时间为0.5-5天。

6.根据权利要求1所述的制备方法所制备的一种宏观与微观结构皆可控的羟基磷灰石多孔陶瓷的应用，其特征在于：将所述的羟基磷灰石多孔陶瓷应用于骨支架。