[發(fā)明專利]一種基于3D打印技術(shù)的極小曲面結(jié)構(gòu)磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合生物陶瓷的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910155907.8
• 申請日: 2019-03-01
• 公開（公告）號: CN109734434B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾勇;楊天浩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: A61L27/12
• 分類號: A61L27/12;A61L27/42;A61L27/50;A61L27/56;C04B35/447;C04B35/622;B28B1/00;B33Y10/00;B33Y70/10
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種3D打印具有極小曲面結(jié)構(gòu)的磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合陶瓷的制備方法，屬于3D打印技術(shù)及生物陶瓷領(lǐng)域。DLP(數(shù)字光固化)3D打印技術(shù)具有成型速度快，打印模型精度高，成本低廉等優(yōu)勢。本發(fā)明組合物主要為：35?70vol％的磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合陶瓷粉體，30?65vol％的光敏樹脂預(yù)混液。本發(fā)明使用Rhino軟件設(shè)計并優(yōu)化極小曲面模型，將模型導(dǎo)入Q3DP軟件進(jìn)行切片并導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)，按照一定的比例配制漿料并進(jìn)行球磨，將漿料導(dǎo)入到BESK打印機(jī)樹脂槽中開始打印，打印完成后的坯體再放入中號爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，最終得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)異，具有壓電性能、生物相容性的磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合陶瓷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種3D打印技術(shù)以及一種復(fù)合生物陶瓷，屬于增材制造領(lǐng)域，特別是使用了DLP(數(shù)字光固化)3D打印技術(shù)制備了一種極小曲面結(jié)構(gòu)的磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇陶瓷。

背景技術(shù)

磷酸三鈣陶瓷(Tricalcium Phosphate,TCP)又稱磷酸三鈣，存在多種晶型轉(zhuǎn)變，主要分為β—TCP和α—TCP。磷酸三鈣的化學(xué)組成與人骨的礦物相似，與骨組織結(jié)合好，無排異反應(yīng)，是一種良好的骨修復(fù)材料。磷酸三鈣天然的物學(xué)性能使其多用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前的研究多選用β—TCP，因?yàn)棣痢猅CP的溶解度過大，植入人體后降解快，無法發(fā)揮人工骨的作用。袁景等利用3D打印技術(shù)制備出高性能多孔β—TCP骨組織工程支架。吳成鐵、常江等通過3D打印的方法制備有序大孔結(jié)構(gòu)的錳－磷酸三鈣(Mn－TCP)生物陶瓷支架。

人體天然骨骼具有壓電性能，其中的神經(jīng)傳導(dǎo)是通過電信號來完成的，骨骼的修復(fù)過程也需要電信號反饋給神經(jīng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的陶瓷材料作為替代骨，由于其植入?yún)^(qū)間內(nèi)不具備電信號傳導(dǎo)，修復(fù)過程慢，難以與新生骨相融合。因此，開發(fā)一種具有壓電性能的陶瓷材料作為替代骨來克服此缺陷將會給骨組織修復(fù)帶來積極的意義。鈦酸鍶鋇是BaTiO₃與SrTiO₃形成的固溶體，它是一種優(yōu)良的電容器材料和壓電材料，具有高介電常數(shù)、低介電損耗。磷酸三鈣與鈦酸鍶鋇的復(fù)合陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能，使得其作為骨植入物時能夠加速植入體與天然骨的愈合，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的生物壓電陶瓷材料。

目前，多種快速成型工藝為復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的陶瓷零件的成型提供了有效的解決方案。基于快速成型的陶瓷零件制造工藝無需模具，可縮短制造周期，降低制造成本，因此成為陶瓷材料成型研究的熱點(diǎn)，其中光固化快速成型DLP(Digital Light Processing)技術(shù)在制造光敏樹脂原型方面比較成熟，由DLP的工藝原理可知，光固化成型技術(shù)采用的陶瓷漿料須具有一定的流動性，以保證每一層漿料涂抹足夠均勻。DLP技術(shù)必須采用高固含量的陶瓷漿料以保證后處理的致密性。

極小曲面的形態(tài)是在限定邊界條件下能量最小的狀態(tài)，每一點(diǎn)上的平均曲率都是0的曲面。這種曲面是滿足一定的約束條件(比如邊界固定或容納體積滿足一定條件)下表面積最小的曲面，因此被稱為“極小曲面”。極小曲面結(jié)構(gòu)相較于一般的多孔結(jié)構(gòu)受力擴(kuò)散更加均勻，整體穩(wěn)定性和空間排列多樣性更加優(yōu)良，使其用于骨修復(fù)的過程中長期處于一個穩(wěn)定的力學(xué)狀態(tài)，對新生骨起到支撐作用。本申請將以磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合材料使用DLP技術(shù)對極小曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行成型。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于DLP 3D打印技術(shù)制造磷酸三鈣/鈦酸鍶鋇復(fù)合陶瓷極小曲面結(jié)構(gòu)的方法。

本發(fā)明是通過以下材料及裝置實(shí)現(xiàn)的：粒徑尺寸≤10μm的鈦酸鍶鋇粉末，粒徑尺寸≤10μm的磷酸三鈣粉末，405nm波段光敏樹脂，BESK DLP 3D打印機(jī)，微型行星式球磨機(jī)F-P400，日本島電FP93中號爐。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一、使用三維建模軟件進(jìn)行模型的繪制

設(shè)計極小曲面結(jié)構(gòu)，通過改變支梁結(jié)構(gòu)尺寸和壁厚大小調(diào)控孔隙率。將處理完的模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行模擬，通過裝配、添加載荷、設(shè)置約束、網(wǎng)格劃分等步驟，對模型進(jìn)行力學(xué)模擬。