[發明專利]一種3D打印噴頭及包括該噴頭的3D打印裝置以及用于該3D打印裝置的生物陶瓷漿料

在審

• 申請號: 201810135476.4
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108312292A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 林錦新;趙超前;方舒儀;吳松全;楊洋;盧衍錦;林智杰;黃婷婷;林俊杰;羅佳斯;李斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B33Y30/00;B33Y70/00
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;謝怡婷

本發明公開了一種3D打印噴頭及包括該噴頭的3D打印裝置以及用于該3D打印裝置的生物陶瓷漿料，還公開了一種3D打印方法；所述3D打印噴頭可以實現精確擠出精細的物料。所述3D打印噴頭包括滾珠結構的接觸式噴嘴，滾珠結構的接觸式噴嘴優選用于打印實體的、無跨度的結構；所述3D打印噴頭還包括非接觸式噴嘴，非接觸式噴嘴優選用于打印有跨度的結構。所述3D打印裝置可以實現精確走位，打印較為精細和致密的結構。所述3D打印方法包括噴頭、以及包含該噴頭的3D打印裝置和3D打印工藝的選擇。所述3D打印工藝的選擇包含噴嘴的理論推導和實驗驗證。

技術領域

本發明涉及3D打印裝置及3D打印材料技術領域，特別涉及一種用于生物陶瓷漿料的3D打印噴頭及包括該噴頭的3D打印裝置以及用于該3D打印裝置的生物陶瓷漿料。

背景技術

由于疾病和意外事故所導致的骨缺失給患者的生理上帶來很大的痛苦和生活上極大的不便。此時，就需要對骨缺失部位進行修復，而修復就需要植入體修復材料。人造植入體根據材料的不同可分為金屬植入體，陶瓷植入體，高分子植入體及它們之間的復合材料植入體。金屬材料具有良好的機械性能，耐腐蝕性和生物相容性，是惰性骨修復材料的首選。不銹鋼，鈷鉻合金和鈦合金是較為常見的金屬植入體材料。但這些材料的模量較高，易發生應力遮擋效應而導致骨修復失敗。另外金屬材料是惰性材料，有一定的服役年限，后期的取出和再次植入會對患者造成二次痛苦。高分子材料有可降解類材料或惰性類材料，但是高分子材料的機械性能不夠理想而不能滿足人體植入體的需要，并且高分子材料不具有骨誘導性，不利于骨組織的再生。生物陶瓷材料，如羥基磷灰石，因其與人體骨成分一致而具有良好的生物相容性，骨傳導性和骨誘導性。尤其是骨誘導性，將對于骨組織再生和重建有著重要和積極的促進作用。

但是，陶瓷材料的本征脆性決定了單一的陶瓷難以勝任骨修復植入體，而必須引入第二種或第三種骨修復材料。高分子材料，如聚己內酯已經被證明具有良好生物相容性，可降解性和較好的機械性能。因此，將具有骨誘導性的生物陶瓷材料和較好機械性能的高分子材料復合成為骨修復材料極佳的選擇。為了促進骨組織的再生和重建，常常將骨修復材料做成支架材料。因為骨細胞如果能快速在支架內黏附，生長和分化，一方面能保證骨修復材料的成功制備，另一方面能加快骨組織的再生和重建。

傳統的生物陶瓷材料的成型主要包括干壓成型、半干壓成型、可塑成型、注漿成型法、流延成型和等靜壓成型等。除了可塑成型和注漿成型外，其他成型工藝難以形成復雜的形狀，例如鏤空結構。

增材制造-3D打印技術的快速發展，使制備高精度的生物陶瓷材料制品成為可能。3D打印技術是通過首先建立模型，然后做切片和最后通過分層制造來實現打印的增材制造技術。其可以按照設計制備出形狀復雜，尺寸可控和有序的空間結構，因此3D打印技術是制備支架材料最合適的技術。依據3D打印技術原理可將3D打印技術分為熔融沉積成型(FDM)、噴嘴擠壓成型、立體光刻成型、粘結劑噴射成型、激光光固化成型、選擇性激光燒結和熔融成型等。其中，激光光固化成型是利用激光固化陶瓷漿料中的光敏樹脂，但目前光敏樹脂生物相容性較差，利用光固化后往往還是通過后期燒結制備，這種方式會使生物陶瓷材料變脆。激光燒結和熔融成型中的激光具有較高的能量密度，與生物陶瓷材料作用時由于陶瓷材料的本征脆性會導致微裂紋的產生。噴墨打印噴出的粘結劑能夠將陶瓷粉粘結起來，但這種方式制備的結構粗糙，致密度不高。熔融沉積成型也可以用來制備陶瓷復合材料，可實現陶瓷材料與高分子材料復合達到制備生物陶瓷的目的。但是在制備線材時難以使陶瓷粉均勻分散，同時該技術是將材料熔化，而噴嘴處溫度降低容易發生堵塞。噴嘴擠壓式基于熔融沉積制造，亦可實現陶瓷材料與高分子材料復合達到制備生物陶瓷的目的。該技術能夠實現陶瓷粉體很好的分散，同時可以通過調節溶劑的含量來調節漿料粘度，進而獲得最佳比例的漿料和3D打印效果。