一種基於光固化成型三維列印生物陶瓷支架的方法和應用與流程

2023-07-18 02:09:26 3

本發明屬於生物製造或生物醫用材料技術領域，更具體地，涉及一種基於光固化成型三維列印生物陶瓷支架的方法和應用。

背景技術：

可降解生物陶瓷是最常見的人工合成骨修復材料。可降解生物陶瓷材料主要包括矽酸鹽陶瓷、磷酸鈣陶瓷和碳酸鈣陶瓷等。可降解生物陶瓷往往做成多孔支架，為骨組織和細胞的長入提供空間，實現結構上的骨傳導，並促進材料的降解和吸收，從而加速骨重建和再生。目前，多孔生物陶瓷的成型製備方法主要有造孔劑法、冷凍澆築法、氣體發泡法、有機泡沫浸漬法等。採用這些方法製備的多孔生物陶瓷支架難以平衡孔結構和力學性能的關係。由於孔結構不均勻，存在較大的應力集中，隨著孔隙率、孔徑和三維連通性的提高，支架的力學性能急劇惡化。三維列印(也叫快速成型或增材製造)法製得的多孔生物陶瓷支架孔結構均勻可控，完全三維孔連通，可獲得較高的強度。目前用於製備多孔生物陶瓷支架的三維列印方法主要是三維繪圖列印、噴墨列印、自動注漿成型或熔融沉積型列印。這些三維列印方法的列印精度較低，採用的陶瓷漿料濃度較小，採用的水基粘結劑的粘結力有限，在多孔支架的成型過程中，當支架坯體的高度超過一定尺寸後，多孔支架坯體在自身重力的作用下容易坍塌變形。這些三維列印方法製備的多孔陶瓷支架的高度(z軸)有限。

綜上所述，雖然採用三維列印製備的多孔可降解生物陶瓷支架具有明顯的優點，但是存在孔結構精度較低，支架三維尺寸有限的問題。基於光固化成型的三維列印技術具有較高的精度，主要用於列印光敏樹脂。用陶瓷-光敏樹脂的混合漿料替代光敏樹脂，可以在光固化成型機上三維列印陶瓷件素坯。由於作為粘結劑的光敏樹脂固化後具有較高的強度，利用光固化成型三維列印的陶瓷素坯不受尺寸限制。通過後處理工藝(包括乾燥、脫脂和燒結等)，可以最終獲得相應的陶瓷異形件。目前，光固化成型技術已經被成功用於三維列印氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化矽陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等。然而，目前尚無利用光固化成型技術三維列印多孔生物陶瓷支架的相關論文和專利報導，主要的原因是陶瓷光固化成型的樹脂含量偏高，而生物陶瓷的燒結性能較差，採用陶瓷光固化成型技術三維列印的生物陶瓷支架結構疏鬆，強度偏低，難以滿足骨缺損修復的要求。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種基於光固化成型三維列印生物陶瓷支架的方法。該方法通過引入低熔點生物玻璃作為助燒劑，可以解決有機物添加劑過多、生物陶瓷燒結性能差而導致的生物陶瓷支架強度偏低的問題，採用光固化成型三維列印生物陶瓷支架可獲得更高精度的孔結構，且三位尺寸(尤其是z軸)不受限制。

本發明的另一目的是提供一種上述方法製備的生物陶瓷支架，該生物陶瓷支架具有三維尺寸不受限制、孔結構精確可控，100％三維孔連通和強度高的優點，具有很好的應用前景。

本發明上述目的通過以下技術方案予以實現：

一種基於光固化成型三維列印生物陶瓷支架的方法，包括以下具體步驟：

s1.將生物陶瓷、生物玻璃助燒劑與樹脂預混液均勻混合，獲得用於光固化成型的光敏陶瓷漿料；

s2.將光敏陶瓷漿料置於光固化成型設備上，將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機，通過光固化成型法三維列印出多孔生物陶瓷支架坯體；

s3.將多孔生物陶瓷支架坯體進行乾燥後，先真空、中性氣氛或惰性氣氛下脫脂處理，然後在空氣進行脫脂，燒結，獲得生物陶瓷支架。

優選地，步驟s1中所述的生物陶瓷為磷酸鈣陶瓷、矽酸鹽陶瓷或碳酸鈣陶瓷中的一種以上。

更為優選地，所述的磷酸鈣陶瓷為羥基磷灰石、磷酸氫鈣、α-磷酸三鈣或β-磷酸三鈣中的一種以上，所述的矽酸鹽陶瓷為矽酸鈣、矽酸二鈣、矽酸三鈣、鎂黃長石、白矽鈣石或矽酸鎂中的一種以上，所述的碳酸鈣陶瓷為方解石、霰石或球霰石一種以上。

優選地，步驟s1中所述的生物玻璃助燒劑為磷酸鹽玻璃或矽酸鹽玻璃，所述的生物玻璃助燒劑含有鎂、硼、矽、鋅、鐵、銀、銅或鍶元素中的一種以上，所述的生物玻璃助燒劑的熔點為300～1150℃。

優選地，步驟s1中所述樹脂預混液包括預聚物、稀釋劑和光引發劑。

更為優選地，所述光敏樹脂預聚物為聚氨酯丙烯酸酯、環氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或環氧樹脂；所述稀釋劑為2-苯氧乙基丙烯酸酯(poea)、丙烯酸四氫呋喃甲酯(thfa)、丙氧化新戊二醇丙烯酸酯、鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯、三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯、(2-環己基-1,3-二氧戊環基-4)丙烯酸甲酯(chdol10)或二乙氧基雙酚a二丙烯酸酯(em260)中的一種以上，所述光引發劑為安息香(be)、過氧化苯甲醯、異丙基硫雜蒽酮(itx)、苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲醯基)氧化膦或二苯甲酮的一種以上。

優選地，步驟s1中所述生物陶瓷和生物玻璃助燒劑的質量比為1：(0.1～1)，所述的生物陶瓷和生物玻璃助燒劑的總質量為光敏陶瓷漿料的20～80wt.％。

其中，步驟s2中所述的光固化成型機採用立體光刻技術或數字光投影技術，所述的光固化成型機的投影方式為自上而下或自下而上。

優選地，步驟s3中所述燒結的溫度為700～1300℃，燒結的時間為10～300min；所述惰性氣氛為氬氣或氦氣；所述中性氣氛為氮氣或二氧化碳。

步驟s3中採用先真空、中性氣氛或惰性氣氛下脫脂處理，然後在空氣進行脫脂的方式，是由於樹脂含量太多，如果在空氣中脫脂，速度很快，會導致支架坯體嚴重開裂。在惰性氣氛或中性氣氛，又幾乎通過緩慢裂解成小分子除去，或碳化。而採用先真空、中性氣氛或惰性氣氛下脫脂處理，然後在空氣進行脫脂的方式防止坯體開裂，使變形較小。

上述方法製備的生物陶瓷支架，所述生物陶瓷支架的高度(z軸方向的尺寸)為0.1～1000mm，孔隙率為20％～80％，大孔孔徑為100～1000μm，大孔率為25％～75％，抗壓強度在0.2～120mpa。

上述方法製備的生物陶瓷支架在骨缺損修復材料領域中的應用。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1.與現有的自動注漿、三維繪圖、噴墨列印等方法三維列印的生物陶瓷支架相比，本發明採用光固化成型三維列印生物陶瓷支架可獲得更高精度的孔結構，且三位尺寸(尤其是z軸)不受限制。通過引入低熔點生物玻璃作為助燒劑，可以解決有機物添加劑過多、生物陶瓷燒結性能差而導致的生物陶瓷支架強度偏低的問題。

2.本發明製備的生物陶瓷支架孔隙率為20％～80％，大孔孔徑為100～1000μm，大孔率25％～75％，抗壓強度在0.2～120mpa，不僅可以用於非承重部位的骨缺損修復，還可以用於部分承重部位的骨缺損修復。

3.本發明所製備生物陶瓷支架可以通過改變支架的三維模型、光敏陶瓷漿料的固相含量、助燒劑的添加量和燒結工藝，調控支架的孔結構、力學性能和降解速率。

4.本發明所製備的生物陶瓷支架降解後會釋放出鐵、鍶、鋅、銅等痕量元素離子，利於成骨和血管化，同時可通過改變組分、結構和燒結工藝，調控離子的釋放規律，提高材料的促成骨和血管化能力。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。除非特別說明，本發明採用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。

實施例1β-磷酸三鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為聚氨酯丙烯酸酯，引發劑為過氧化苯甲醯，稀釋劑為丙氧化新戊二醇丙烯酸酯。將β-磷酸三鈣和含sr低熔點生物玻璃助燒劑(50p2o5-20na2o-30sro)粉末與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為50％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中β-磷酸三鈣的含量為30％，玻璃燒助燒劑的含量為20％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟(1)的光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自上而下，通過光固化成型法三維列印出多孔β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體。

3.將β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體進行冷凍乾燥，放入高溫爐中，先在氮氣氣氛下脫脂，然後在空氣中緩慢脫脂，最後在空氣中以1℃/分鐘的速度升溫，1120℃下燒結，保溫120分鐘，隨爐溫冷卻，獲得β-磷酸三鈣陶瓷生物陶瓷支架。

所得β-磷酸三鈣陶瓷生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為400μm左右，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得β-磷酸三鈣支架的孔隙率為50％，用萬能材料試驗機測得支架抗壓強度為30mpa。

實施例2碳酸鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為聚氨酯丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為丙氧化新戊二醇丙烯酸酯。將方解石型碳酸鈣和含sr的生物玻璃助燒劑(50p2o5-20na2o-20cao-10sro)粉末與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為60％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中碳酸鈣的含量為30％，玻璃助燒劑的含量為30％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將上述的光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自下而上，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔碳酸鈣陶瓷支架坯體。

3.將碳酸鈣陶瓷支架坯體進行冷凍乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂，最後在二氧化碳氣氛以2℃/分鐘的速度升溫，在750℃下燒結，保溫10分鐘，隨爐溫冷卻，獲得碳酸鈣陶瓷生物陶瓷支架。

所得碳酸鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為300μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為40％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為15mpa。

實施例3矽酸鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將矽酸鈣和含b、si生物玻璃玻璃助燒劑(45sio2-29cao-15na2o-4p2o5-7b2o3)粉末與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為55％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中矽酸鈣的含量為35％，玻璃助燒劑的含量為20％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將上述光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自下而上，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔碳酸鈣陶瓷支架坯體。

3.將矽酸鈣陶瓷支架坯體進行空氣自然乾燥，放入高溫爐中，先在氬氣下脫脂，然後在空氣中脫脂；最後在空氣中以1℃/分鐘的速度升溫，於1120℃下燒結，保溫90分鐘，隨爐溫冷卻，獲得矽酸鈣陶瓷生物陶瓷支架。

所得碳酸鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為500μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為55％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為25mpa。

實施例4羥基磷灰石陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將羥基磷灰石和含mg生物玻璃助燒劑(45p2o5-25na2o-10mgo)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為60％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中羥基磷灰石的含量為45％，玻璃助燒劑的含量為15％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟1的光敏陶瓷漿料置於sla光固化成型設備上，投影方式為自上而下，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔羥基磷灰石陶瓷支架坯體。

3.將羥基磷灰石陶瓷支架坯體進行真空乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂；最後在空氣中以2℃/分鐘的速度升溫，於1200℃下燒結，保溫90分鐘，隨爐溫冷卻，獲得羥基磷灰石陶瓷支架。

所得羥基磷灰石生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為300μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為50％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為45mpa。

實施例5鎂黃長石陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為聚酯丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將鎂黃長石和含sr生物玻璃助燒劑(45p2o5-35na2o-30sro)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為40％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中鎂黃長石的含量為25％，玻璃助燒劑的含量為15％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟(1)的光敏陶瓷漿料置於sla光固化成型設備上，投影方式為自上而下，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔鎂黃長石陶瓷支架坯體。

3.將鎂黃長石陶瓷支架坯體進行真空乾燥，放入高溫爐中，先在氮氣下脫脂，然後在空氣中脫脂；最後在空氣中3℃/分鐘的速度升溫，於1300℃下燒結，保溫150分鐘，隨路溫冷卻，獲得鎂黃長石陶瓷生物陶瓷支架。

所得鎂黃長石生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為400μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為35％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為35mpa。

實施例6羥基磷灰石/β-磷酸三鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將羥基磷灰石、β-磷酸三鈣和含sr生物玻璃助燒劑(50p2o5-35na2o-15sro)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為65％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中羥基磷灰石的含量為18％，β-磷酸三鈣的含量為27％，玻璃助燒劑的含量為20％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟1的光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自下而上，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔羥基磷灰石/β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體。

3.將羥基磷灰石/β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體進行冷凍乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂；最後在空氣中以3℃/分鐘的速度升溫，於1150℃下燒結，保溫80分鐘，隨爐溫冷卻，獲得羥基磷灰石/β-磷酸三鈣生物陶瓷支架。

所得羥基磷灰石/β-磷酸三鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為350μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為40％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為50mpa。

實施例7矽酸鈣/β-磷酸三鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將矽酸鈣、β-磷酸三鈣和含fe生物玻璃助燒劑(45p2o5-30na2o-20cao-10fe2o3)粉末與光敏樹脂預混液液均勻混合，獲得固相含量為45％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中矽酸鈣的含量為矽酸鈣10％，β-磷酸三鈣的含量為30％，玻璃助燒劑的含量為15％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將上述光敏陶瓷漿料置於sla光固化成型設備上，投影方式為自上而下，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔矽酸鈣/β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體。

3.將矽酸鈣/β-磷酸三鈣陶瓷支架坯體進行空氣自然乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂；最後在空氣中以1.5℃/分鐘的速度升溫，於1120℃下燒結，保溫300分鐘，隨爐溫冷卻，獲得矽酸鈣/β-磷酸三鈣生物陶瓷支架。

所得羥基磷灰石/β-磷酸三鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為450μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣支架的大孔率為50％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為17mpa。

實施例8碳酸鈣/羥基磷灰石陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將霰石型碳酸鈣、羥基磷灰石和含zn、sr生物玻璃助燒劑(45p2o5-30na2o-20sro-5zno)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為50％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中碳酸鈣的含量為10％，羥基磷灰石的含量為20％，玻璃助燒劑的含量為20％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟1的光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自下而上，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔碳酸鈣/羥基磷灰石陶瓷支架坯體。

3.將碳酸鈣/羥基磷灰石陶瓷支架坯體進行空氣自然乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂，最後在二氧化碳氣氛中以4℃/分鐘的速度升溫，於700℃下燒結，保溫30分鐘，隨爐溫冷卻，獲得碳酸鈣/羥基磷灰石生物陶瓷支架。

所得碳酸鈣/羥基磷灰石生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為350μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣/羥基磷灰石支架的大孔率為40％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為28mpa。

實施例9白矽鈣石/α-磷酸三鈣陶瓷支架的製備方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為聚酯丙烯酸酯，引發劑為安息香(be)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將白矽鈣石、α-磷酸三鈣和含b、sr磷酸鹽玻璃助燒劑(47p2o5-35na2o-13sro-5b2o3)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為70％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中白矽鈣石的含量為25％，羥基磷灰石的含量為25％，玻璃助燒劑的含量為20％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟1的光敏陶瓷漿料置於dlp光固化成型設備上，投影方式為自下而上，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔白矽鈣石/α-磷酸三鈣陶瓷支架坯體。

3.將白矽鈣石/α-磷酸三鈣陶瓷支架坯體進行真空乾燥，放入高溫爐中，先在真空下脫脂，然後在空氣中脫脂，最後在空氣中以3℃/分鐘的速度升溫，於1100℃下燒結，保溫120分鐘，隨爐溫冷卻，獲得白矽鈣石/α-磷酸三鈣生物陶瓷支架。

所得白矽鈣石/α-磷酸三鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為330μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣/羥基磷灰石支架的大孔率為40％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為85mpa。

實施例10矽酸三鈣/α-磷酸三鈣陶瓷支架的方法

1.配置光敏樹脂預混液，採用的預聚物為環氧丙烯酸酯，引發劑為異丙基硫雜蒽酮(itx)，稀釋劑為三環癸烷二甲醇二丙烯酸酯。將矽酸三鈣、α-磷酸三鈣和含ag生物玻璃助燒劑(47p2o5-25na2o-20cao-8ago)與光敏樹脂預混液均勻混合，獲得固相含量為50％的光敏陶瓷漿料。陶瓷漿料中矽酸三鈣的含量為22％，α-磷酸三鈣的含量為13％，玻璃助燒劑的含量為15％。

2.將多孔支架的三維模型輸入到光固化成型機；將步驟1的光敏陶瓷漿料置於sla光固化成型設備上，投影方式為自上而下，通過光固化成型法三維列印出設計的多孔矽酸三鈣/α-磷酸三鈣陶瓷支架坯體。

3.將矽酸三鈣/α-磷酸三鈣陶瓷支架坯體進行冷凍乾燥，放入高溫爐中，先在氮氣下脫脂，然後在空氣中脫脂，最後在空氣中以2℃/分鐘的速度升溫，於1120℃下燒結，保溫150分鐘，隨爐溫冷卻，獲得矽酸三鈣/α-磷酸三鈣生物陶瓷支架。

所得矽酸三鈣/α-磷酸三鈣生物陶瓷支架完全三維孔連通，孔徑約為550μm，用計算機斷層掃描術(μ-ct)測得碳酸鈣/羥基磷灰石支架的大孔率為55％，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為12mpa。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合和簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。