一种基于自由挤出式3D打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自由挤出式3D打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法，属于生物医用材料领域。通过本发明专利技术所述方法，可以有效制备高固含量、低粘度、分散性和流动性较好的陶瓷浆料。通过3D打印技术和后续的脱脂烧结，可以制备出具有内部贯穿孔结构、形状、尺寸、孔隙率以及宏观形貌可精确控制并具有骨诱导性的多孔磷酸钙陶瓷支架，用于骨组织修复填充和个性化修复。

A Calcium Phosphate Porous Bioceramic Scaffold Based on Free Extrusion 3D Printing Technology and Its Preparation Method

The invention discloses a calcium phosphate porous bioceramic scaffold based on free extrusion 3D printing technology and a preparation method thereof, belonging to the field of biomedical materials. The method can effectively prepare ceramic slurry with high solid content, low viscosity, good dispersibility and fluidity. Porous calcium phosphate ceramic scaffolds with internal through-hole structure, shape, size, porosity and macro-morphology can be accurately controlled and bone-induced by 3D printing technology and subsequent debinding sintering, which can be used for bone tissue repair filling and personalized repair.

【技术实现步骤摘要】
一种基于自由挤出式3D打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法
本专利技术属于生物医用材料
，特别是涉及一种基于自由挤出式3D打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法。技术背景一直以来，由于创伤、肿瘤、代谢疾病等引起的骨缺损一直是临床的一大难题，往往导致患者部分或全部功能缺失，严重影响生活质量。对于尺寸小于1cm的骨缺损可以通过自体修复，而尺寸超过1cm的骨缺损，则只能通过介入治疗。虽然自体骨移植依然被视为大段骨缺损治疗的“金标准”，但是也始终面临来源有限、二次手术创伤、未知的并发症等风险。同种异体骨和动物源性的异种骨移植具有“天然骨”或“类骨”的特性，但无法完全避免疾病传播和免疫排斥的风险。因此，研发对病损或缺失的骨组织进行有效修复和功能重建的人工骨修复材料，具有广泛的临床需求和巨大的经济价值。在这其中，具有骨生成作用、骨传导性和骨诱导性的人工骨将在骨移植中占据更加重要的位置。磷酸钙（Ga-P）生物陶瓷，具有优异的生物相容性、良好的骨传导性和骨诱导性，是骨缺损修复的理想材料之一。研究表明，具有相互贯通的多孔结构和微米纳米级微孔结构，能促进骨组织诱导再生，达到具有生命的修复效果。常用的多孔材料支架的制备方法包括传统的冷冻干燥法，造孔剂法，气体发泡法等。但是这些方法仍存在一定缺陷和不足，很难精确控制支架内部的孔结构尺寸和孔隙率，并且很难精确制备具有不规则形貌的骨缺损部位修复支架。近年来随着先进制造技术的快速发展，3D打印技术在很多方面展现出独特的优势，以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体，可以同时精确成型零件内外的复杂结构，这为骨修复材料的个性化制备提供了新的制造理念和方法。自由挤出技术是3D陶瓷打印技术中的最成熟的技术之一，它是将具有一定流动性的浆料（膏体），通过加压或不加压的方式从料筒喷嘴挤出到平台，按照预定轨迹进行堆叠固化成型。自由挤出式3D打印因其技术原理成熟，设备工艺稳定，加工成本低，目前是应用最广泛的3D打技术。开发与自由挤出式3D陶瓷打印技术相匹配的骨诱导性磷酸钙生物陶瓷，将在硬组织修复领域中具有很大的应用潜力和经济价值。
技术实现思路
针对现有技术的不足，基于自由挤出式3D打印技术的磷酸钙多孔生物陶瓷支架及其制备方法，本专利技术是将具有生物活性的磷酸钙系列陶瓷粉体（或浆料）与明胶混合形成陶瓷-明胶浆料，通过自由挤出式3D打印技术得到硬组织修复支架材料。制备的支架材料在材料成分及微观结构上仿生天然骨组织，具有较好的力学性能及生物活性，同时具有很好的骨（组织）诱导性，并可根据患者个性化需求自由设计产品的三维外形尺寸，在骨科临床上具有广阔的应用前景。通过本专利技术所述方法，以有效制备高固含量、低粘度、分散性和流动性较好的陶瓷浆料。通过自由挤出3D打印技术和后续的脱脂烧结，可以制备出具有内部贯穿孔结构、形状、尺寸、孔隙率以及宏观形貌可精确控制并具有骨诱导性的多孔磷酸钙陶瓷支架，用于骨组织修复填充和个性化修复。本专利技术通过以下技术方案来实现：一种自由挤出式3D打印陶瓷浆料，包括磷酸钙陶瓷粉体或其纳米浆料、分散剂和明胶水溶液。本专利技术的目的为制备磷酸钙生物活性陶瓷，在最终的产品中只包括无机磷酸钙。明胶溶液在制备过程起到粘结剂的作用，其和无机磷酸钙颗粒结合形成可以流动的膏体，保证打印的顺利进行，并且明胶会在烧结过程中分解挥发。明胶是一种在常温下受温度变化影响较大的物质，它由胶冻转化为胶液的临界温度通常为30～34℃，高于此温度为可流动液体，同时具有较好的粘性，可与磷酸钙陶瓷粉体较好地结合。当温度降低到30℃以下时，明胶溶液会转变为无法流动的胶体。基于明胶这两个特点，在高的温度下将磷酸钙颗粒和明胶溶液混合并采用3D打印机挤出打印，在打印后降低平台温度使打印模型固化，这样就能解决磷酸钙颗粒无法打印的问题。为保证陶瓷打印成型的质量以及在后期的烧结脱脂过程中不发生塌裂、变形等现象，较高的固含量也是一个必要条件；但是如果陶瓷-明胶混合浆料中的陶瓷粉体过多，会严重影响粉体的粘结成型性以及浆料的流动性，导致3D打印过程受阻。打印浆料的配制除了保证打印成型的流畅性和完整性外，如何保证打印支架的生物活性和骨诱导性是制备新一代硬组织植入修复支架材料的关键。作为可选方式，在上述自由挤出式3D打印陶瓷浆中，各组分的质量分数为：50~90%的磷酸钙陶瓷粉体、15~50%的明胶、2~5%分散剂。可通过浆料成分比例、模型结构设计来调节所制备的骨诱导支架的力学性能，孔形状/尺寸和孔隙率。磷酸钙为产品的最终成分，当其质量分数低于50%时，打印的支架胚体在烧结过程中会坍塌或开裂：当其含量高于90%时，打印的膏体固体含量太高，膏体的流动性太差以至于无法打印。少量的分散剂是改善明胶和磷酸钙颗粒之间界面的结合，进一步提高膏体的流动性方便打印。作为可选方式，在上述自由挤出式3D打印陶瓷浆中，所述磷酸钙为磷酸三钙(α-TCP及β-TCP)、羟基磷灰石（HA）、磷酸四钙、磷酸二氢钙中一种或多种。作为可选方式，在上述自由挤出式3D打印陶瓷浆中，所述分散剂为聚乙二醇PEG-200、聚乙二醇PEG-400的一种或多种。作为可选方式，在上述自由挤出式3D打印陶瓷浆中，所述明胶水溶液中明胶质量分数为10-20%。明胶溶液在生物医用领域是一种常用的粘结剂，其粘度随着明胶质量分数的增加而增加。当明胶质量分数低于10%时，溶液的粘度太低；当其质量分数大于20%时，明胶已经很难溶解，另一方面溶解后溶液的粘度过大，同样不适用后续的打印。作为可选方式，在上述自由挤出式3D打印陶瓷浆中，所述磷酸钙陶瓷粉体或纳米浆料的纯度为95.00~99.99%。磷酸钙为产品的活性成分，决定了支架最终的修复效果，其纯度越高越好。基于目前磷酸钙合成工艺，选择的纯度为上文所述。一种磷酸钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）明胶水溶液的配制：将一定质量的明胶溶于一定质量的纯净水中，搅拌充分混合；（2）打印陶瓷浆料的配制：将步骤（1）中配制好的明胶水溶液与磷酸钙陶瓷粉体或纳米浆料、分散剂按比例置于球磨机进行混合，以制备出具有一定粘度和流动性适合挤出式打印的陶瓷浆料（膏体）；（3）自由挤出式3D打印：将步骤（2）配制得到的陶瓷浆料（膏体）置于挤出式3D打印机料筒中，通过调整打印参数使浆料（膏体）从喷嘴中挤出，层层堆积叠加成型，得到具有骨诱导性磷酸钙多孔生物陶瓷支架素坯；（4）脱脂烧结：将步骤（3）中的陶瓷素坯置于烧结炉中脱脂煅烧，得到致密度较高的骨诱导性磷酸钙多孔生物陶瓷支架。作为可选方式，在上述制备方法中，所述的步骤（1）具体为将质量分数为10-20%的明胶加入40-50℃的热水中，并在磁力搅拌器上恒温搅拌至充分溶解。40-50℃可以保证明胶能够完全溶解并维持液体状态。。作为可选方式，在上述制备方法中，所述步骤（3）中的设备打印参数：根据不同的设计要求选择不同的层厚，打印速度8-15mm/s，在此打印速度内能保证支架打印的质量，打印喷头温度40~60℃保证打印墨水处于可流动的液体状态、平台温度-5~5℃可使打印出来的材料快速固化，使打印顺利进行。作为可选方式，在上述制备方法中，所述的步骤（4）中，打印成型的陶瓷支架素坯用常规烧结炉或微波烧结炉脱脂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，包括磷酸钙陶瓷粉体或其纳米浆料、分散剂和明胶水溶液。

【技术特征摘要】
1.一种自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，包括磷酸钙陶瓷粉体或其纳米浆料、分散剂和明胶水溶液。2.根据权利要求1所述的自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，各组分的质量分数为：50~90%的磷酸钙陶瓷粉体、15~50%的明胶溶液、2~5%分散剂。3.根据权利要求1所述的自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述磷酸钙为磷酸三钙(α-TCP及β-TCP)、羟基磷灰石（HA）、磷酸四钙、磷酸二氢钙中一种或多种；分散剂为聚乙二醇PEG-200、聚乙二醇PEG-400的一种或多种。4.根据权利要求1所述的自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述明胶水溶液中明胶质量分数为10-20%。5.根据权利要求1所述的自由挤出式3D打印陶瓷浆料，其特征在于，所述磷酸钙陶瓷粉体或纳米浆料的纯度为95.00~99.99%。6.一种磷酸钙多孔生物陶瓷支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）明胶水溶液的配制：将一定质量的明胶溶于一定质量的纯净水中，搅拌充分混合；（2）打印陶瓷浆料的配制：将步骤（1）中配制好的明胶水溶液与磷酸钙陶瓷粉体或纳米浆料、分散剂按比例置于球磨机进行混合，以制备出具有一定粘度和流动性适合挤出式打印的陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖毅翔，王科锋，张勃庆，佘文琦，周长春，孙勇，樊渝江，张兴栋，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51