本發明涉及生物制造或生物醫用材料技術領域，尤其涉及一種三維打印生物陶瓷復合支架及其應用。
背景技術：
生物陶瓷是骨缺損修復的首選材料，主要包括磷酸鈣陶瓷、硅酸鹽陶瓷和碳酸鈣陶瓷等。生物陶瓷做成多孔支架后，可以實現結構上的骨傳導，促進材料的降解被吸收，從而加速骨重建和再生。
采用傳統方法(造孔劑法、冷凍澆筑法、氣體發泡法、有機泡沫浸漬法，等)制備的生物陶瓷支架由于孔結構不均勻，容易引起應力集中，會導致力學性能急劇下降。三維打印(也叫快速成型或增材制造)法制備的多孔生物陶瓷支架孔結構均勻可控，完全三維孔連通，其力學強度明顯比其他方法制備的支架高。然而，生物陶瓷始終存在脆性大、韌性和抗疲勞性能較差的固有缺點，三維打印生物陶瓷支架被限制用于非承重部位或低承重部位骨缺損的修復。另外，三維打印采用的漿料中有機物和液相含量較高，且生物陶瓷的燒結性能較差，因此三維打印生物陶瓷支架中除了設計的大孔外，起支撐作用的纖維還存在大量的微孔，使得生物陶瓷支架的強度低、韌性差。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種三維打印生物陶瓷復合支架及其應用，該生物陶瓷復合支架強度高且韌性好。
本發明提供了一種生物陶瓷復合支架，由以下方法制得：
將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃；
將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體；
將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。
優選地，所述生物玻璃助燒劑粉末中包括痕量元素；
所述痕量元素選自鎂元素、硼元素、鋅元素、鐵元素、銀元素、銅元素和鍶元素中的一種或多種。
優選地，所述可降解金屬粉末選自鐵、鎂、鐵合金和鎂合金中的一種或多種。
優選地，所述生物陶瓷粉末選自磷酸鈣陶瓷粉末、硅酸鹽陶瓷粉末和碳酸鈣陶瓷粉末中的一種或多種。
優選地，所述磷酸鈣陶瓷粉末選自羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣中的一種或多種；
所述硅酸鹽陶瓷粉末選自硅酸鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鎂黃長石、白硅鈣石和硅酸鎂中的一種或多幾種。
優選地，所述生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末和生物玻璃助燒劑粉末的質量比為35～99.8：0.1～64.9：0.1～64.9。
優選地，所述粘結劑溶液中的粘結劑選自聚乙烯醇、甲基纖維素、石蠟、聚乙烯縮丁醛、聚乙二醇、合成橡膠、聚吡咯烷酮和羥丙基纖維素中的一種或多種。
優選地，所述燒結的溫度為650～1300℃；所述燒結的時間為1～300min。
優選地，所述生物陶瓷復合支架的孔徑為100～1000微米；所述生物陶瓷復合支架的孔隙率為25～75％。
本發明提供了一種上述技術方案所述生物陶瓷復合支架在骨缺損修復材料制備中的應用。
本發明提供了一種生物陶瓷復合支架，由以下方法制得：將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃；將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體；將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。本發明提供的生物陶瓷復合支架通過在原料中引入可降解金屬粉末和特定種類的生物玻璃助燒劑粉末，通過三維打印法制備，使其強度高、韌性好。另外，該復合支架抗疲勞性能好和孔結構精確可控。實驗結果表明：該生物陶瓷復合支架的孔徑為100～1000μm，完全三維孔連通，孔隙率為25～75％，抗壓強度為5～200mpa，斷裂韌性為0.1～6mpa·m1/2。
具體實施方式
本發明提供了一種生物陶瓷復合支架，由以下方法制得：
將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃；
將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體；
將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。
本發明提供的生物陶瓷復合支架通過在原料中引入可降解金屬粉末和特定種類的生物玻璃助燒劑粉末，通過三維打印法制備，使其強度高、韌性好、抗疲勞性能好和孔結構精確可控。
在本發明中，所述生物陶瓷復合支架的孔徑優選為100～1000微米；所述生物陶瓷復合支架的孔隙率優選為25～75％。抗壓強度優選為5～200mpa，更優選為5～150mpa。
本發明將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃。在本發明中，所述生物陶瓷粉末優選選自磷酸鈣陶瓷粉末、硅酸鹽陶瓷粉末和碳酸鈣陶瓷粉末中的一種或多種；所述磷酸鈣陶瓷粉末優選選自羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、磷酸四鈣、α-磷酸三鈣、磷酸氫鈣中的一種或多種，更優選選自β-磷酸三鈣和羥基磷灰石中的一種或多種；所述硅酸鹽陶瓷粉末優選選自硅酸鈣、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鎂黃長石、白硅鈣石和硅酸鎂中的一種或多幾種，更優選選自硅酸鈣、鎂黃長石和硅酸鎂中的一種或多種。在本發明中，所述生物陶瓷粉末的粒度優選為0.1～200μm。
在本發明中，所述可降解金屬粉末優選選自鐵、鎂、鐵合金和鎂合金中的一種或多種；在本發明的具體實施例中，所述可降解金屬粉末具體為純鐵粉末、純鎂粉末或鐵錳合金。在本發明中，所述可降解金屬粉末的粒度優選為0.1～200μm。在本發明中，所述可降解金屬粉末能夠提高復合支架的強度和韌性。
在本發明中，所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃(sio2-cao系統)和/或磷酸鹽玻璃(p2o5-na2o系統)；所述生物玻璃助燒劑粉末中優選包括痕量元素；所述痕量元素的存在利于成骨和血管化；所述痕量元素優選選自鎂元素、硼元素、鋅元素、鐵元素、銀元素、銅元素和鍶元素中的一種或多種。在本發明中，所述生物玻璃助燒劑粉末能夠提高復合支架纖維支撐部分的致密性。在本發明中，所述生物玻璃助燒劑粉末的粒度優選為0.1～200μm。在本發明中，所述生物玻璃助燒劑粉末的熔點優選為250～1250℃。在本發明的具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含zn和cu的磷酸鹽玻璃，其成分為49p2o5-23na2o18cao-5zno-5cuo；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含ag的磷酸鹽玻璃，其成分為50p2o5-28na2o-6ago-16cao；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含li和b的磷酸鹽玻璃，其成分為55p2o5-20na2o-16cao-4li2o-5b2o3；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含cu的磷酸鹽玻璃，其成分為48p2o5-25na2o-20cao-7cuo；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含b的硅酸鹽玻璃，其成分為45sio2-30cao-15na2o-4p2o5-6b2o3；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含zn和sr的硅酸鹽玻璃，其成分為50p2o5-25na2o-10cao-5zno-10sro；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含b的硅酸鹽玻璃，其成分為49sio2-39cao-2p2o5-10b2o5-b2o3；在本發明的一個具體實施例中，所述生物玻璃助燒劑粉末具體為含sr的硅酸鹽玻璃，其成分為46p2o5-23na2o-15cao-16sro。
在本發明中，所述生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末和生物玻璃助燒劑粉末的質量比優選為35～99.8：0.1～64.9∶0.1～64.9。本發明可以通過控制生物陶瓷成分、生物玻璃助燒劑成分和可降解金屬粉末成分的降解速率不同，可以通過改變組分，調控材料的降解速率。在本發明的具體實施例中，所述生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末和生物玻璃助燒劑粉末的質量比具體為60：25：15；或50∶20∶30；或45∶35∶20；或45∶20∶35；或80∶10∶10；或55：20∶25；或65∶25∶10。
在本發明中，所述粘結劑溶液中的粘結劑優選選自聚乙烯醇、甲基纖維素、石蠟、聚乙烯縮丁醛、聚乙二醇、合成橡膠、聚吡咯烷酮和羥丙基纖維素中的一種或多種。所述粘結劑溶液的質量濃度優選為1～40％。本發明對所述粘結劑溶液中的溶劑沒有特殊的限制，能夠溶解粘結劑即可，后期處理過程將溶劑會受熱除去。在本發明中，所述粘結劑的質量與所述生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末和生物玻璃助燒劑粉末總質量的比優選為0.05～10：100。
本發明將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體。在本發明中，所述三維打印法的類型為三維繪圖打印、噴墨打印、自動注漿打印或熔融沉積打印。具體的，本發明將復合支架坯體的三維模型導入三維打印機中，再將所述漿料裝入三維打印機的料腔中，在壓縮空氣的作用下擠出纖維，層層堆積，得到復合支架坯體。
本發明將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。在本發明中，所述無氧環境優選通過氮氣或氬氣或抽真空實現。在本發明中，所述脫脂處理的溫度優選為200～750℃；所述脫脂處理的時間優選為30～600min。在本發明中，所述燒結優選在氮氣氣氛或氬氣氣氛下進行；所述燒結的溫度優選為650～1300℃；所述燒結的時間優選為1～300min。
本發明還提供了一種上述技術方案所述生物陶瓷復合支架在骨缺損修復材料制備中的應用。
在本發明中，所述生物陶瓷復合支架可以用于非承重部位如松質骨部位、顱骨、頜面部等骨缺損的填充修復，也可以用于部分承重部位如尺骨、橈骨、上下頜骨、脊柱、股骨等的骨缺損修復。
本發明提供了一種生物陶瓷復合支架，由以下方法制得：將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃；將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體；將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。本發明提供的生物陶瓷復合支架通過在原料中引入可降解金屬粉末和特定種類的生物玻璃助燒劑粉末，通過三維打印法制備，使其強度高、韌性好。另外，該復合支架抗疲勞性能好和孔結構精確可控。實驗結果表明：該生物陶瓷復合支架的孔徑為100～1000μm，完全三維孔連通，孔隙率為25～75％，抗壓強度為5～200mpa，斷裂韌性為0.1～6mpa·m1/2。
為了進一步說明本發明，下面結合實施例對本發明提供的一種三維打印生物陶瓷復合支架及其應用進行詳細地描述，但不能將它們理解為對本發明保護范圍的限定。
實施例1
三維打印β-磷酸三鈣陶瓷復合支架的方法為：
將β-磷酸三鈣、含sr生物玻璃助燒劑(成分為46p2o5-23na2o-15cao-16sro)和純鐵粉加入到甲基纖維素溶液中，球磨后得到均勻的混合物。β-磷酸三鈣、含sr生物玻璃助燒劑和純鐵粉的質量比為60：25∶15。甲基纖維素溶液的濃度為1.5wt％。以β-磷酸三鈣、含sr生物玻璃助燒劑、純鐵粉和羧甲基纖維素的總質量100％計，羧甲基纖維素的質量百分數為0.5％。
將混合物裝入自動注漿成型機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在真空條件下緩慢升溫至650℃保溫180min，然后放入氬氣氣氛的燒結爐中，升溫至1100℃，保溫120min，自然降溫，得到β-磷酸三鈣陶瓷復合支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得β-磷酸三鈣陶瓷復合支架的孔隙率為55％，孔徑約為400μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為40mpa，斷裂韌性為1.8mpa·m1/2。
實施例2
三維打印硅酸鈣陶瓷復合支架的方法為：
將硅酸鈣、含b生物玻璃助燒劑(49sio2-39cao-2p2o5-10b2o5-b2o3)和純鎂粉加入合成橡膠溶液中，球磨后得到均勻的混合物。硅酸鈣、含si和b生物玻璃助燒劑、純鎂粉的質量比為50∶20∶30。合成橡膠的濃度為9wt％。以硅酸鈣、含si和b生物玻璃助燒劑、純鎂粉和合成橡膠的總質量100％計，合成橡膠的質量百分數為6％。
將混合物裝入三維繪圖機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在真空條件下緩慢升溫至550℃保溫120min，然后放入氬氣氣氛的燒結爐中，升溫至700℃，保溫60min，自然降溫，得到硅酸鈣陶瓷復合支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得硅酸鈣陶瓷復合支架的孔隙率為45％，孔徑約為600μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為30mpa，斷裂韌性為1.2mpa·m1/2。
實施例3
三維打印碳酸鈣復合支架的方法為：
將碳酸鈣、含zn和sr生物玻璃助燒劑(成分為50p2o5-25na2o-10cao-5zno-10sro)和純鎂粉加入聚乙烯醇縮丁醛溶液中，球磨后得到均勻的混合物。碳酸鈣、含zn和sr生物玻璃助燒劑、純鎂粉的質量比為45∶35∶20。聚乙烯醇縮丁醛溶液中的濃度為7.5wt％。以碳酸鈣、含zn和sr生物玻璃助燒劑、純鎂粉和聚乙烯醇縮丁醛的總質量100％計，聚乙烯醇縮丁醛的質量百分數為1.5％。
將混合物裝入自動注漿機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在氬氣條件下緩慢升溫至550℃保溫120min，然后在氬氣氣氛升溫至700℃，保溫30min，自然降溫，得到碳酸鈣陶瓷復合支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得硅酸鈣復合陶瓷支架的孔隙率為40％，孔徑約為350μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為25mpa，斷裂韌性為1mpa·m1/2。
實施例4
β-磷酸三鈣/硅酸鈣復合支架的制備方法如下：
將β-磷酸三鈣、硅酸鈣、含b生物玻璃助燒劑(45sio2-30cao-15na2o-4p2o5-6b2o3)、鐵錳合金粉加入石蠟溶液中，球磨后得到均勻的混合物。β-磷酸三鈣、硅酸鈣、含b生物玻璃助燒劑、鐵錳合金粉的質量比為25∶35∶25∶15。石蠟溶液的濃度為12wt％。以β-磷酸三鈣、硅酸鈣、含b生物玻璃助燒劑、鐵錳合金粉和石蠟的總質量100％計，石蠟的質量百分數為3％。
將混合物裝入熔融沉積型三維打印機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在氮氣條件下緩慢升溫至410℃，保溫120min，然后在氮氣氣氛升溫至1120℃，保溫120min，自然降溫，得到β-磷酸三鈣/硅酸鈣復合陶瓷支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得β-磷酸三鈣/硅酸鈣復合陶瓷支架的孔隙率為50％，孔徑約為300μm，用萬能材料試驗機測得支架的抗壓強度為90mpa，斷裂韌性為2mpa·m1/2。
實施例5
羥基磷灰石復合陶瓷支架的制備方法如下：
將羥基磷灰石、含cu生物玻璃助燒劑(成分為48p2o5-25na2o-20cao-7cuo)、鐵粉加入聚乙烯醇溶液中，球磨后得到均勻的混合物。羥基磷灰石、含cu生物玻璃助燒劑、鐵粉的質量比為45：20：35。聚乙烯醇溶液的濃度為8wt％。以羥基磷灰石、含cu生物玻璃助燒劑、鐵粉和聚乙烯醇的總質量100％計，聚乙烯醇的質量百分數為2％。
將混合物裝入三維繪圖機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在氬氣條件下緩慢升溫至600℃保溫180min，然后在氬氣氣氛升溫至1250℃，保溫120min，自然降溫，得到羥基磷灰石復合陶瓷支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得β-磷酸三鈣/羥基磷灰石復合陶瓷支架的孔隙率為40％，孔徑約為200μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為150mpa，斷裂韌性為5mpa·m1/2。
實施例6
三維打印鎂黃長石復合陶瓷支架的方法如下：
將鎂黃長石、含li和b生物玻璃助燒劑(成分為55p2o5-20na2o-16cao-4li2o-5b2o3)和鐵粉加入羥丙基纖維素溶液中，球磨后得到均勻的混合物。鎂黃長石、含si和b生物玻璃助燒劑、鐵粉的質量比為80：10：10。羥丙基纖維素溶液的濃度為7wt％。以鎂黃長石、含si和b生物玻璃助燒劑、鐵粉和羥丙基纖維素的總質量100％計，羥丙基纖維素的質量百分數為1.3％。
將混合物裝入自動注漿機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在抽真空條件下緩慢升溫至550℃保溫90min，然后在氮氣氣氛升溫至1150℃，保溫90min，自然降溫，得到鎂黃長石復合陶瓷支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得鎂黃長石復合陶瓷支架的孔隙率為65％，孔徑約為750μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為6mpa，斷裂韌性為0.8mpa·m1/2。
實施例7
三維打印硅酸鎂復合陶瓷支架的方法如下：
將硅酸鎂、含ag生物玻璃助燒劑(成分為50p2o5-28na2o-6ago-16cao)、純鎂粉加入聚乙烯醇溶液中，球磨后得到均勻的混合物。硅酸鎂、含ag生物玻璃助燒劑、純鎂粉的質量比為55：20：25。聚乙烯醇的濃度為8wt％。以鎂硅酸、含ag生物玻璃助燒劑、純鎂粉和聚乙烯醇的總質量100％計，聚乙烯醇的質量百分數為1.4％。
將混合物裝入噴墨打印機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在氬氣氣氛下緩慢升溫至600℃保溫60min，然后在氮氣氣氛升溫至750℃，保溫60min，自然降溫，得到硅酸鎂復合陶瓷支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得硅酸鎂復合陶瓷支架的孔隙率為43％，孔徑約為460μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為37mpa，斷裂韌性為1.3mpa·m1/2。
實施例8
三維打印α-磷酸三鈣/羥基磷灰石復合陶瓷支架的方法如下：
將α-磷酸三鈣、羥基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助燒劑(成分為49p2o5-23na2o18cao-5zno-5cuo)、鐵錳合金粉加入甲基纖維素溶液中，球磨后得到均勻的混合物。α-磷酸三鈣、羥基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助燒劑、鐵錳合金粉的質量比為35∶30∶25∶10。甲基纖維素的濃度為0.9wt％。以α-磷酸三鈣、羥基磷灰石、含zn和cu生物玻璃助燒劑、鐵錳合金粉和甲基纖維素的總質量100％計，甲基纖維素的質量百分數為0.3％。
將混合物裝入自動注漿機的漿料腔中，根據設計的支架三維結構的三維模型，打印得到復合支架坯體；將復合支架坯體放入爐中，在氬氣氣氛下緩慢升溫至540℃保溫120min，然后在抽真空條件下升溫至1200℃，保溫120min，自然降溫，得到α-磷酸三鈣/羥基磷灰石復合陶瓷支架，即生物陶瓷復合支架。
用μ-ct測得α-磷酸三鈣/羥基磷灰石復合陶瓷支架的孔隙率為58％，孔徑約為550μm，用萬能材料試驗機測得抗壓強度為60mpa，斷裂韌性為3mpa·m1/2。
由以上實施例可知，本發明提供了一種生物陶瓷復合支架，由以下方法制得：將生物陶瓷粉末、可降解金屬粉末、生物玻璃助燒劑粉末和粘結劑溶液混合，得到漿料；所述生物玻璃助燒劑粉末選自硅酸鹽玻璃和/或磷酸鹽玻璃；將所述漿料采用三維打印法打印，得到復合支架坯體；將所述復合支架坯體在無氧環境下脫脂，然后燒結，得到生物陶瓷復合支架。本發明提供的生物陶瓷復合支架通過在原料中引入可降解金屬粉末和特定種類的生物玻璃助燒劑粉末，通過三維打印法制備，使其強度高、韌性好。另外，該復合支架抗疲勞性能好和孔結構精確可控。實驗結果表明：該生物陶瓷復合支架的孔徑為100～1000μm，完全三維孔連通，孔隙率為25～75％，抗壓強度為5～200mpa，斷裂韌性為0.1～6mpa·m1/2。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。