一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3d打印制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其以碳酸鈣和碳酸輕鈣為原料在一定條件下制得粉末材料，并以稀磷酸溶液作為粘結溶液，再通過3D打印設備制備出醫用骨組織支架，其與人體相容性好，由于粘結溶液使用稀磷酸溶液，其對人體和環境的污染較小。
【專利說明】一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法
[【技術領域】]
[0001] 本發明涉及一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其制得醫用骨組織支架能夠用于骨組織材料植入治療手術。
[【背景技術】]
[0002]3D打印技術在醫用骨組織工程支架材料領域發揮革命性的作用，其意義在于可以克服器官移植技術的傳統障礙，即可以在病人體外制作人體組織器官植入材料，然后在人體產生排它反應的前提下，將器官植入材料移植入人體內部。例如，美國Organovo公司成功通過3D打印技術制造出人體動脈、牙齒、心臟、骨骼等器官植入材料，并已部分成功實現人體移植。同時,美國Oxford Performance Materials公司于2012年3月首先通過3D打印將經過特殊處理的聚醚酮高分子材料制備出頭骨植入物，然后成功地將其植入一位病人的頭骨。
[0003]中國發明專利CN102796909A —種制備多孔鉭醫用植入材料的方法，即通過成型劑的網絡粘結作用將純鉭粉進行包裹粘結，并經過脫脂和真空燒結等后處理制得醫用多孔鉭植入材料；該植入材料的3D打印制備生產成本較高，而且也不適于許多人體骨骼組織器官移植。中國發明專利CN102274544A公開了一種基于生物陶瓷微球的人工骨支架的制備方法，支架主要由固化促進劑、增塑劑、生物膠黏劑等原料經3D打印而成，盡管處理工藝簡單，成本較低，但是不適合強度要求較高的骨骼組織移植。
[0004]因此，有必要解決如下問題。
[
【發明內容】
]
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其制備出的醫用骨組織支架與人體相容性好。
[0006]本發明的目的通過如下技術方案實現:
[0007]—種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其特征在于包括如下步驟:
[0008](1)常溫常壓下將Ca/P摩爾數比例為0.1~4的碳酸鈣和磷酸氫鈣放入高剪切設備中攪拌I~3h直至混合均勻；
[0009](2)將由步驟(1)制得的物料于600~1000°C下焙燒I~4h，然后升溫至1200~1600°C并焙燒3~8h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，作為3D打印采用的粉末材料；
[0010](3)配制質量分數為5~25%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液；
[0011](4)輸入步驟(2)制得的粉末材料和步驟(3)得到的稀磷酸，3D打印設備打印制備出醫用骨組織支架。
[0012]如上所述，步驟(2)中的高溫下，碳酸鈣和磷酸氫鈣會發生生成磷酸鈣的固相化學反應:
[0013]CaC03+2CaHP04 — Ca3 (PO4) 2+H20+C02[0014]如此高溫焙燒后得到的粉末材料是碳酸鈣、磷酸氫鈣以及磷酸鈣的混合物。
[0015]磷酸鈣具有良好的生物相容性、生物活性以及生物降解性，是理想的人體硬組織修復和替代材料，在生物醫學工程學領域一直獲得廣泛應用。傳統生物醫學領域常用的是磷酸鈣的磷酸鈣，但是相關研究表明磷酸鈣3D打印成型效果不好，所以3D打印最常用的是α-磷酸鈣。因此，本發明通過一定的焙燒工藝制備α-磷酸鈣，盡量降低β_磷酸鈣的產量。
[0016]α-磷酸鈣的成分與骨基質的無機成分相似，其表面適合人體細胞的生長、分化以及繁殖。α -磷酸鈣與人體骨骼組織結合性好，對骨髓造血機能無不良反應，無排異反應，無急性毒性反應，不致癌變，無過敏現象。
[0017]如上所述，步驟(4)中，當稀磷酸溶液經3D打印機噴頭按照設計模型數據噴射到粉末材料單元層后，稀磷酸溶液逐漸流動而填充輪廓區域的顆粒的表面和空隙；與此同時，隨著水分逐漸的揮發，磷酸和磷酸鈣發生化學反應生成磷酸氫鈣和磷酸氫二鈣微小晶粒，因此粉末材料顆粒隨著微小晶粒的“架橋”作用而緩慢粘結成整體從而制得成品。
[0018]Ca3 (PO4) 2+Η3Ρ04 — Ca2H (PO4) 2+CaH2P04
[0019]3D打印成品中主要是α -磷酸鈣，同時含有少量的碳酸鈣、磷酸氫鈣以及磷酸氫二鈣。由本發明所制備的骨骼組織支架材料可廣泛應用于骨骼關節、脊柱、口腔頜面、牙齒等人體器官部位的植入。
[0020]如上所述，通過設置3D打印設備中粉末單元層厚度參數、表面粉末單元層飽和度參數，使所打印制備出醫用骨組織支架的單元層厚度為0.1~0.3mm和單元層飽和度為
0.05 ~I。
[0021]本發明相對于現有技術具有如下優點和有益效果:
[0022]( I)通過對焙燒工藝、Ca/P摩爾比例以及粒徑范圍的選擇，使得粉末材料主要成分是具有良好生物醫學性能的α -磷酸鈣，其非常適合3D打印人體醫用植入材料，可以大量取代國外進口鈣基骨骼組織支架植入材料產品；
[0023](2)粘結溶液只需要使用稀磷酸溶液，其揮發性較低，對空氣污染很小，極大地降低了 3D打印過程對人體和環境的危害性，基本實現了綠色環保制造的目的；
[0024](3)通過本發明方法制備出的醫用骨組織支架，其材料表面和內部布滿空隙，可像海綿一樣將周邊骨細胞吸引進來，因此將其植入人體后的長入效果優異，較短時間內骨細胞便會向材料空隙擴散生長，使真骨與磷酸鈣基材料的假骨之間牢固地融合結成一體，使患者骨骼能盡快康復。
[【具體實施方式】]
[0025]下面結合實施例對本發明做進一步的描述，需要說明的是，實施例并不構成對本發明要求保護范圍的限制。
[0026]實施例1
[0027]一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，包括如下步驟:
[0028](I)常溫常壓下將碳酸鈣和磷酸氫鈣按照0.75的Ca/P摩爾數比例放入高剪切設備中攪拌2h直至混合均勻；
[0029](2)將由步驟(1)制得的物料于800°C下焙燒2h，然后升溫至1500°C并焙燒5h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，即為粉末材料I。
[0030]配制質量分數為8%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液。
[0031]實施例2
[0032]一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，包括如下步驟:
[0033](I)常溫常壓下將碳酸鈣和磷酸氫鈣按照1.65的Ca/P摩爾數比例放入高剪切設備中攪拌2h直至混合均勻；
[0034](2)將由步驟(1)制得的物料于800°C下焙燒3h，然后升溫至1400°C并焙燒6h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，即為粉末材料。[0035]配制質量分數為12%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液。實施例3
[0036]一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，包括如下步驟:
[0037](1)常溫常壓下將碳酸鈣和磷酸氫鈣按照1.95的Ca/P摩爾數比例放入高剪切設備中攪拌I~3h直至混合均勻；
[0038](2)將由步驟(1)制得的物料于900°C下焙燒2h，然后升溫至1500°C并焙燒4h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，即為粉末材料。
[0039]配制質量分數為10%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液。實施例4
[0040]一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，包括如下步驟:
[0041](I)常溫常壓下將碳酸鈣和磷酸氫鈣按照0.1的Ca/P摩爾數比例放入高剪切設備中攪拌I~3h直至混合均勻；
[0042](2)將由步驟(1)制得的物料于600°C下焙燒lh，然后升溫至1200°C并焙燒3h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，即為粉末材料。
[0043]配制質量分數為5%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液。
[0044]實施例5
[0045]一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，包括如下步驟:
[0046](I)常溫常壓下將碳酸鈣和磷酸氫鈣按照4的Ca/P摩爾數比例放入高剪切設備中攪拌I~3h直至混合均勻；
[0047](2)將由步驟(1)制得的物料于1000°C下焙燒4h，然后升溫至1600°C并焙燒8h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120μπι的粉末顆粒，即為粉末材料。
[0048]配制質量分數為25%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液。
[0049]如上所述，分別將實施例1-4得到的粉末材料I~4和相應的粘結溶液I~4經Ζ310型3D打印機(美國Z Corporation)，分別制成品I~4 (打印參數設置:層厚為
0.175_、表面粉末單元層的飽和度為0.14、表面粉末單元層的飽和度為0.28)，待其靜置4h后取出并老化36h，然后去除多余粉末材料。3D打印成品的相關測試數據如表1所示。
[0050]表1粉末材料I~粉末材料4經3D打印成型產品的相關測試數據
[0051]
【權利要求】
1.一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)常溫常壓下將Ca/P摩爾數比例為0.1~4的碳酸鈣和磷酸氫鈣放入高剪切設備中攪拌I~3h直至混合均勻； (2)將由步驟(1)制得的物料于600~1000°C下焙燒I~4h，然后升溫至1200~1600°C并焙燒3~8h，再取出待其自然冷卻至室溫后，通過振動研磨篩分收集粒徑范圍為20~120 μ m的粉末顆粒，作為3D打印采用的粉末材料； (3)配制質量分數為5~25%的稀磷酸，作為3D打印所配套的粘結溶液； (4)輸入步驟(2)制得的粉末材料和步驟(3)得到的稀磷酸，3D打印設備打印制備出醫用骨組織支架。
2.根據權利要求1所述一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其特征在于:在步驟(4)中所打印制備出醫用骨組織支架的粉末單元層厚度為0.1~0.3_。
3.根據權利要求2所述一種磷酸鈣基醫用骨組織支架的3D打印制備方法，其特征在于:在步驟(4)中所打印制備出醫用 骨組織支架表面粉末單元層飽和度為0.05~I。
【文檔編號】A61L27/12GK103877611SQ201410138452
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2014年4月8日
【發明者】聶建華, 王俊, 林躍華 申請人:中山職業技術學院