[發明專利]一種基于3D打印的生物活性多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 201811048802.4
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109095917B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 曾勇;郭晉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: A61L27/10
• 分類號: A61L27/10;C04B35/447;C04B35/622;B33Y50/00;B33Y70/10;B33Y10/00;C04B38/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種3D打印有生物活性的多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷的制備方法，屬于3D打印技術及生物陶瓷、醫療應用領域。DLP(數字光固化)3D打印技術具有成型速度快，打印模型精度高，成本低廉等優勢。本發明是通過以下軟件和裝置實現的。使用Solidworks設計并優化三維模型，將模型導入Q3DP軟件進行切片，按照特定的比例配制漿料并進行球磨，將漿料倒入到BESK打印機樹脂槽中開始打印，打印完成后的坯體再放入中號爐中按照特定的參數進行脫脂和燒結，最終得到力學性能優異，具有壓電性能、生物相容性好的多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇復合生物陶瓷。

技術領域

本發明涉及3D打印技術及生物陶瓷、醫療應用領域，特別是使用了DLP(數字光固化)3D打印技術制備了符合人體需要的多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇生物陶瓷。

背景技術

生物陶瓷在現階段屬于前端科學研究領域，與傳統的金屬植入體相比，生物陶瓷與人體的相容性更加優秀。同時，其楊氏模量與人體自然骨接近，遠遠小于傳統的金屬植入物，在植入人體后不會產生明顯的應力屏蔽現象。傳統的生物陶瓷主要是以羥基磷灰石、氧化鋯、鋯鈦酸鉛等材料為主，但是這些材料各自都有著一定的不足，比如羥基磷灰石的壓電性能十分缺乏，氧化鋯的磨損率非常高，鋯鈦酸鉛材料中的鉛元素對人體傷害極大。相較而言，羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷在生物活性和壓電性能方面都要明顯優于傳統生物陶瓷，其作為植入體在人體中不會產生毒性副產物傷害人體。同時羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷優異的壓電性能使得其作為骨植入物時能有效地將機械能轉化為電能并將信號反饋給神經系統，從而加速植入體與天然骨的愈合，是一種具有廣闊應用前景的生物壓電陶瓷材料。但是，醫用生物陶瓷有兩項十分重要的指標要求，一是力學系能要優異，二是生物活性要好。解決這兩個問題最好的方法就是將陶瓷設計為多孔結構，控制其孔隙率大小。然而，制造多孔結構陶瓷對于傳統陶瓷工藝而言是十分困難的，因為其在坯體制備階段需要依靠模具和工人的經驗，這樣得到的陶瓷坯體結構簡單、精度較低。為了實現高精度的多孔陶瓷制備，本發明將傳統陶瓷工藝與3D打印技術相結合，先使用DLP 3D打印技術制備多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷坯體，再通過傳統的燒結方法制備陶瓷成品。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于DLP 3D打印技術制造多孔羥基磷灰石/鈦酸鋇復合陶瓷的方法。

本發明是通過以下材料及裝置實現的：粒徑尺寸≤10μm的鈦酸鋇粉末，粒徑尺寸≤10μm的羥基磷灰石粉末，405nm波段光敏樹脂，3D打印機，球磨機，燒結爐。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一、使用三維建模軟件進行模型的繪制

設計多孔結構，通過改變支梁結構尺寸和壁厚大小調控孔隙率。將處理完的模型導入有限元分析軟件ABAQUS中進行模擬，通過裝配、添加載荷、設置約束、網格劃分步驟，對模型進行力學模擬。

使用三維建模軟件設計多孔結構，根據有限元分析軟件的力學模擬結果對多孔結構進行調整。隨著孔隙率的提高，模型機械性能會逐漸減弱，但生物活性表現更加優秀，一般孔隙率在60％-90％之間的多孔結構研究價值比較大，本發明中的多孔結構孔隙率在85％-90％。

二、配置打印所用漿料

先將15wt％的鈦酸鋇粉末和25wt％的羥基磷灰石粉末加入到光敏樹脂中，用攪拌器以300r/min的速度攪拌10min，完成后在混合料中加入4wt％的蔗糖為粘結劑，5wt％的聚丙烯酰胺作為分散劑，3wt％聚乙烯吡絡烷酮作為光引發劑，再次對新的混合料進行攪拌，轉速設置為200r/min，時間設置為3min。攪拌完成后，轉移到球磨機中進行球磨，球料比設置為10:1，轉速設置為400r/min，時間設置為24h，球磨完成后將混合漿料儲存在不見光的黑色容器中以備實驗所需。

三、對BESK打印機進行基板安裝、調平、光源檢測、模型導入、打印工作。