一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，解决了现有技术中存在打印的骨支架没有考虑骨组织细胞的长入、机械强度欠缺的问题，具有高孔隙率以便细胞粘附的同时保留高强度的机械性能的有益效果，具体方案如下：一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，包括泡沫墨水A，装入料筒A中；制备泡沫凝胶B，搅拌并加入空心球颗粒使泡沫乳液凝胶化，并装入料筒B中；将料筒A和料筒B分别装入3D打印机，3D打印机在打印过程中将泡沫墨水A、泡沫凝胶B进行在线混合并调整泡沫墨水A和泡沫凝胶B的组分比例，将变组分细丝搭建成预期的骨支架形态，形成打印坯体；形成多重连续梯度功能骨支架。梯度功能骨支架。梯度功能骨支架。

【技术实现步骤摘要】
一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法


[0001]本专利技术涉及功能梯度材料领域，尤其是一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]创伤、肿瘤、感染和发育畸形等导致的骨缺损严重影响患者的生活质量，是亟待解决的主要临床问题之一。如今骨科矫形技术和生物材料的快速发展以及我们对骨生物学和结构的更好的理解，为设计更复杂的骨组织工程材料以治疗骨缺损提供了新机遇。具有灵活设计和快速成型能力的增材制造(AM)技术极大地推动了生物医学和组织工程的发展。具有智能制造能力的AM能够利用受控的工艺参数和功能性生物复合材料构建功能梯度骨支架，实现了多功能组合的同时而不损害每个组件材料的功能。但是，增材制造受制于制造精度以及清理小孔隙内原材料残余等问题，很难制备微米级骨小梁网状结构。
[0004]AM与其他陶瓷加工技术(冷冻干燥法、空心球法以及直接发泡法)相结合制造分级多孔泡沫陶瓷的新技术被探索出来，其成形具有超轻质、可调孔径、孔隙均匀、比强度高且不需去除多余膏料的优点。这种利用泡沫墨水进行直接书写成形的方法也拓展了增材制造在微观连通孔隙结构构建能力。然而，目前这种方法只用于制备均质的宏微观孔隙结构，通过多种材料复合制备出孔隙率、连通率以及孔径尺度连续变化的梯度功能骨支架尚未见报道。
[0005]专利技术人发现，现有单纯的传统制泡工艺无法满足骨支架轮廓以及内部结构的个性化定制需求，严重影响泡沫材料在生物医学领域的应用推广；而且现有技术没有考虑到骨组织细胞的长入以及新陈代谢的物质运输，没有考虑到强度从而在体内不具有相应的承载能力，从而无法保证植入人体后的运动需求。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，保证了骨支架的机械性能和连通孔隙结构，能够构建多重连续梯度功能骨支架。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0008]一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，包括如下内容：
[0009]制备固含量为50
‑
60wt％的泡沫墨水A，装入料筒A中；
[0010]制备固含量为20
‑
30wt％的泡沫凝胶B，搅拌并加入空心球颗粒使泡沫乳液凝胶化，并装入料筒B中；
[0011]将料筒A和料筒B分别装入3D打印机，3D打印机在打印过程中将泡沫墨水A、泡沫凝胶B进行在线混合并调整泡沫墨水A和泡沫凝胶B的组分比例，根据功能梯度切片的沉积路
径将变组分细丝搭建成预期的外密内疏的骨支架形态，形成打印坯体；
[0012]将打印坯体干燥设定时间后，在设定温度下进行烧结，形成多重连续梯度功能骨支架。
[0013]如上所述的增材制造方法，泡沫墨水A具有高固含量，其发泡后孔隙率低，可以保证功能骨支架具有足够的机械强度，低固含量的泡沫凝胶B发泡后孔隙率高，用于提高功能骨支架的比表面积，通过空心球的加入以及挤出细丝搭建网状结构，能够保证功能骨支架烧结后具有较好的孔隙连通率，便于细胞进入孔隙生长；整体能够使同一功能骨支架具有高孔隙率以便细胞粘附的同时保留高强度的机械性能。
[0014]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，通过将粉体疏水剂加入去离子水的陶瓷粉体悬浮液中，搅拌后制备所述的泡沫墨水A。
[0015]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，通过将粉体疏水剂加入到去离子水的纳米勃姆石粉体悬浮液中，来制备所述的泡沫凝胶B。
[0016]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述3D打印机为双组分螺杆阀，双组分螺杆阀借助混合器实现泡沫墨水A、泡沫凝胶B的在线混合，双组分螺杆阀同时挤出两种材料用于共混沉积。
[0017]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，在打印所述坯体过程中，所述泡沫墨水A：泡沫凝胶B的组分比例从1:0连续过渡变到1:1，再逐步从1:1连续变到0:1；
[0018]在打印所述坯体过程中，泡沫墨水A的流动速度逐渐减小，泡沫凝胶B的流动速度逐渐增大，泡沫墨水A、泡沫凝胶B的流动速度均成线性变化，以形成打印坯体的组分梯度、孔隙率梯度、孔隙连通率梯度和密度梯度等多重梯度。
[0019]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述空心球颗粒为具有设定粒径的空心球，空心球的粒径为15
‑
30μm，空心球在设定温度下会熔化，从而得到了泡沫间空心球颗粒大小的连通孔隙结构。
[0020]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述陶瓷粉体的粒径范围为100
‑
500nm；泡沫墨水A所用的陶瓷粉体为复合陶瓷粉末，复合陶瓷粉末包括氧化锆增韧氧化铝或氧化铝增韧氧化锆或氧化铈增韧氧化锆或其他的复合陶瓷粉末，复合陶瓷粉末较与单一陶瓷粉体具有更优异的机械性能。
[0021]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述粉体疏水剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基硫酸钠或戊酸中的一种。
[0022]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述泡沫凝胶B制备过程中，通过调节泡沫凝胶B的酸碱度，并加入生物活性材料如磷酸三钙或羟基磷灰石，这样在打印过程中调整泡沫凝胶B相对于泡沫墨水A的占比时，形成多重连续梯度功能骨支架的生物活性梯度和降解性梯度。
[0023]如上所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，所述骨支架形态的孔径为100
‑
1000um的连通孔隙结构。
[0024]上述本专利技术的有益效果如下：
[0025]1)本专利技术通过增材制造方法的提供，泡沫墨水A具有高固含量，其发泡后孔隙率低，可以保证功能骨支架具有足够的机械强度，低固含量的泡沫凝胶B发泡后孔隙率高，用
于提高功能骨支架的比表面积，通过空心球加入泡沫凝胶B，后期随着空心球在功能骨支架烧结时的融化，能够保证功能骨支架具有较好的孔隙连通率，便于细胞进入孔隙生长以保证进入人体后新陈代谢的物质运输；
[0026]泡沫墨水A与泡沫凝胶B之间通过连续的组分梯度进行过渡，有效降低了两材料的性能不匹配导致的应力集中或失效，从而打印零件整体能够使同一功能骨支架具有高孔隙率以便细胞粘附的同时保留高机械强度，实现了生物性能和机械性能的有机融合，有效提高了人造骨支架的综合性能。
[0027]2)本专利技术通过3D打印机同时挤出泡沫墨水A、泡沫凝胶B用于共混沉积，且在保证打印出口总流量一致的情况下，泡沫墨水A、泡沫凝胶B的组分可实时连续调整，可以在变化孔隙率的同时完成材料组分的渐变，从而实现了材料组分梯度和结构梯度的同步成形，整体形成功能骨支架的组分梯度、孔隙率梯度、连通率梯度、密度梯度和硬度梯度等多重梯度。
[0028]3)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，其特征在于，包括如下内容：制备固含量为50
‑
60wt％的泡沫墨水A，装入料筒A中；制备固含量为20
‑
30wt％的泡沫凝胶B，搅拌并加入空心球颗粒使泡沫乳液凝胶化，并装入料筒B中；将料筒A和料筒B分别装入3D打印机，3D打印机在打印过程中将泡沫墨水A、泡沫凝胶B进行在线混合并调整泡沫墨水A和泡沫凝胶B的组分比例，根据功能梯度切片的沉积路径将变组分细丝搭建成预期的外密内疏的骨支架形态，形成打印坯体；将打印坯体干燥设定时间后，在设定温度下进行烧结，形成多重连续梯度功能骨支架。2.根据权利要求1所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，其特征在于，通过将粉体疏水剂加入去离子水的陶瓷粉体悬浮液中，搅拌后制备所述的泡沫墨水A。3.根据权利要求1所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，其特征在于，通过将粉体疏水剂加入到去离子水的纳米勃姆石粉体悬浮液中，来制备所述的泡沫凝胶B。4.根据权利要求1所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，其特征在于，所述3D打印机为双组分螺杆阀，双组分螺杆阀借助混合器实现泡沫墨水A、泡沫凝胶B的在线混合。5.根据权利要求1所述的一种构建多重连续梯度功能骨支架的增材制造方法，其特征在于，在打印所述坯体过程中，所述泡沫墨水A：泡沫凝胶B的组分比例从1:0连续过渡变到1:1，再逐步从1:1连续变...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兆亮，郭伟伟，钟宏昊，章程，徐静，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：