一种光固化3D打印泰森多边形仿生结构磷酸三钙/二氧化硅复合生物陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印技术以及一种复合生物陶瓷，属于增材制造领域，特征是使用了DLP(Digital Light Processing，数字光固化)3D打印技术制备了一种以人体松质骨结构为仿生目标，泰森多边形为仿生结构的磷酸三钙/二氧化硅复合生物陶瓷。
背景技术
人骨是由有机相和无机相构成的复合多级孔隙结构，其无机相主要是由矿化而形成的磷基磷灰石。组织工程支架中磷酸三钙陶瓷材料不仅满足与自体骨类似的骨移植体黄金三标准：成骨性；骨传导性；骨诱导性，且其降解后释放的Ca-P离子比例与人骨类似，从而能有效促进骨组织修复，磷酸三钙材料也从成为骨组织修复材料的重要临床选择。磷酸三钙的分子式为Ca3(PO4)2(简称TCP)，有α相和β相之分，其中的α-TCP属于高温相，而β-TCP属于低温相。α-TCP溶解度大，降解快，因此磷酸三钙生物活性材料的研究与应用以β-TCP居多。由于磷酸三钙材料良好的生物相容性、骨传导性和可降解性，以磷酸三钙为基材的人工骨材料的研究与应用也是当今骨组织工程支架发展的活跃领域。
然而磷酸三钙陶瓷断裂韧性低、脆性大，抗压性能差的缺点限制了其在承重骨、皮质骨修复中及力学性能要求较高的骨修复体中的应用，基本只能用于小面积的松质骨结构修复或作为复合基体材料。本申请在实验中发现在微米级羟基磷灰石陶瓷浆料中加入质量比为1:0.0003的少量纳米级二氧化硅粉末，可使二氧化硅作为磷酸三钙陶瓷烧结过程中的力学增强相，同时有文献报告指出硅元素的加入能有效促进骨组织工程支架的成血管化能力。力学测试同时表明二氧化硅粉末的加入使磷酸三钙/二氧化硅复合陶瓷获得了良好的抗压性能，拓展了磷酸三钙陶瓷的临床应用范围。
3D打印技术，属于增材制造，是以数字化CAD模型几何信息为基础，通过计算机与数控机械系统将金属材料、非金属材料以及复合材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积成型，制造出实体的制造技术。相对于传统的切削、组装、注塑等制造方式的不同，3D打印技术通过离散-堆积成形和材料累加的方法扩展了设计与制造之间的自由度，使复杂结构件一体化成型和批量化个性化定制成为可能。将3D打印技术应用到人体个性化植入物中，则更加突显了3D打印技术小批量个性化定制的优点。其中光固化快速成型DLP(Digital Light Processing)3D打印技术结合两步烧结法为复杂结构形状的陶瓷零件的成型提供了有效的解决方案，其制造周期短，成本低，可实现陶瓷材料复杂构型，因此成为陶瓷材料成型研究的热点。
泰森多边形(Voronoi图)是一种空间几何划分的重要方法，又称为垂直平分法。秦森多边形是由平面上N个有区别的点，按照最邻近原则划分平面，由一组连接两邻近点直线的垂直平分线所分割形成的空间划分结构。泰森多边形主要描述了了空间点的邻近区域的划分。基于三维泰森多边形的分布模型，近年来研究者提出将三维泰森多边形算法用于构建仿生骨小梁的多孔支架，三维泰森多边形结构与松质骨骨小梁结构类似。同时基于参数化设计的特征能够通过改变支架参数，控制孔径、孔隙率等结构特征，更利于达到仿生个性化定制骨组织修复支架的要求。而基于DLP3D打印复杂结构成型的能力，则使得制备基于三维泰森多边形的仿生结构多孔陶瓷成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种以人体松质骨结构为仿生目标，基于泰森多边形为仿生结构，使用光固化3D打印技术及两步烧结法制备具有可控孔隙率和力学性能的磷酸三钙/二氧化硅复合生物陶瓷仿生骨组织工程支架。
一种光固化3D打印泰森多边形仿生结构磷酸三钙/二氧化硅复合生物陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：通过Rhino建模软件和Grasshopper参数化设计平台，参考人体松质骨多孔结构及孔隙率，基于三维泰森多边形结构参数化设计孔隙率50％-80％之间的仿生结构支架，通过对三维泰森多边形结构的随机点数量及随机点间距调控支架结构孔隙率；
步骤二：将平均粒径为30-50μm的β-TCP陶瓷粉体与小于100nm的二氧化硅粉末与405nm波段的光敏树脂分别称量后以质量比0.3：0.03：1的比例放入烧杯中进行磁力搅拌混合均匀，得到混合浆料A；在混合浆料A中加入交联剂3,3-二甲基丙烯酸，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1；在混合浆料A中加入稀释剂聚丙二醇以降低浆料粘度，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1；将混合浆料A再经过5分钟，转速n＝60r/min的磁力搅拌后得到混合浆料B；再将混合浆料B放入行星式氧化锆球磨罐中预备球磨过程；使用真空抽气设备对置入混合浆料B的氧化锆球磨罐进行抽真空操作；称量氧化锆球磨珠与混合浆料B质量比为4:1，之后将氧化锆球磨珠加入到置入混合浆料B的氧化锆球磨罐中，球磨24小时，转速n＝120r/min，使用筛网过滤掉氧化锆球磨珠得到成分均匀的光固化β-TCP陶瓷浆料，将光固化β-TCP陶瓷浆料储存在不透光的黑色容器中；
步骤三：使用DLP光固化3D打印机使用光固化β-TCP陶瓷浆料进行打印，对设计的三维泰森多边形仿生结构支架模型进行切片处理设置切片厚度为0.01mm-0.02mm，设定第一层曝光时间80s-120s，第2-7层曝光时间为40s-60s；之后设定第8层之后的曝光时间为10s-12s；在每层曝光完成后需要对DLP光固化3D打印机进行灭灯冷却操作，防止光源长时间曝光过热；曝光结束后，将每层层灭灯时间统一设定为4s-8s；暂停时设置平台上移量为200mm；调平后开始打印，得到陶瓷坯体；
步骤四：将打印完成后的陶瓷坯体放入烧杯中，加入乙醇使陶瓷坯体能够被乙醇液体完全浸泡，放入数控超声波清洁仪中进行清洁，将洁净的坯体放置在管式炉中进行脱脂和烧结工作；脱脂步骤具体参数为：设置第一步升温温度至280℃，升温速率设置为1℃/min，280℃保温时间3h；设置第二步升温温度设置至440℃，升温速率为1℃/min，保温时间4h；设置第三步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间3h，之后冷却至室温，完成陶瓷坯体的脱脂工作；烧结阶段具体参数为：设置第一步升温温度至400℃，升温时间3h；设置第二步升温温度设置至800℃，升温3h；设置第二步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间2h；第三步设置升温温度为1150℃，升温时间2h，1150℃保温时间为2h；第四步设置温度降至700℃，降温速率为2℃/min；随后随炉冷却至室温；此步骤完成后取出样品，得到烧结成型后的磷酸三钙-二氧化硅仿生多孔复合陶瓷支架。
通过对三维泰森多边形结构的随机点数量及随机点间距调控支架结构孔隙率在50％-80％之间，使得制备完成后的磷酸三钙-二氧化硅仿生多孔复合陶瓷支架的孔径大小可在200μm-800μm之间调控。
本发明是通过以下材料及装置实现的：平均粒径30μm-50μm的磷酸三钙粉末，粒径尺寸≤100nm的二氧化硅粉末，405nm波段光敏树脂，交联剂3,3-二甲基丙烯酸树脂，稀释剂聚丙二醇，粒径约3mm的氧化锆球磨珠，BESK-DLP3D打印机，微型行星式球磨机F-P400，分析天平，数显恒温型磁力搅拌器，旋片式小型真空泵，脱脂炉天津中环节能箱式电炉，烧结炉天津中环1600℃双温区梯度管式电炉，科洁KJ-300超声波清洗机。
表1-1仪器设备
Table 1-1 The experimental equipments
本发明是通过以下技术方案实现的：
一、使用Rhino三维建模软件进行模型的绘制
使用Rhinoceros 5.3和参数化平台Grasshopper(GH)插件(v.0.9.76.0)实现三维泰森多边形结构的参数化设计，通过改变随机点数量以及点间距调控多孔结构孔径大小及孔隙率大小，参照松质骨多孔结构特征，设计出孔隙率范围在50％-80％之间，具有仿生特性的三维泰森多边形多孔结构支架。
二、配置打印所用浆料
光固化陶瓷浆料的配置过程须在暗光条件下完成，以避免光敏树脂暴露固化。分析天平调平后，将平均粒径为30μm-50μm的β-TCP陶瓷粉体与粒径小于100nm的二氧化硅粉末与405nm波段的光敏树脂分别称量后以0.3：0.0003：1的比例放入烧杯中进行常温磁力搅拌混合均匀，转速n＝60r/min，得到混合浆料A。β-TCP陶瓷粉末的加入使得光敏树脂浆料固相比增加也降低了光敏树脂固化效率，因此在混合浆料A中加入交联剂3,3-二甲基丙烯酸，以提高混合浆料A的光固化能力，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1。在混合浆料A中加入稀释剂聚丙二醇以也能降低混合浆料A粘度，同时有效减少粉体颗粒的凝聚，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1。将混合浆料A加入上述交联剂与稀释剂后，再经过5分钟，转速n＝60r/min的磁力搅拌后得到混合浆料B。将混合浆料B置入行星式氧化锆球磨罐中预备球磨过程。为消除浆料搅拌过程中出现的气泡，使用真空抽气设备对置入混合浆料B的氧化锆球磨罐进行抽真空操作。称量氧化锆球磨珠与混合浆料B质量比为4:1，之后将氧化锆球磨珠加入到置入混合浆料B的氧化锆球磨罐中，球磨24小时，转速n＝120r/min，使用筛网过滤氧化锆球磨珠得到成分均匀的光固化β-TCP陶瓷浆料，将混合浆料储存在不透光的黑色容器中。
三、对BESK-DLP 3D打印机进行基台调平、光源检测、模型导入、打印工作。
在使用DLP设备3D打印模型前，首先对DLP 3D打印机进行基台调平、光源检测工作，之后通过切片软件中的参数设置模型进行切片处理和面曝光时间调控。将打印机平台调整至默认位置后，安装树脂槽，用水平仪测试并调整树脂槽与打印平台的水平一致，调整完毕后用螺丝固定，随后设置平台以1mm的精度缓慢下降，当平台接近树脂槽时暂停并在槽上方垫入一张B5打印纸，同时将精度调整为0.1mm，再次下降直到抽动纸张感觉有明显阻力时，设定此位置为初始打印位置(Z轴＝0)，平台调平完毕。点击程序内的光源检测，设置时间为5s，观察曝光图案与设定一致且无明显瑕疵后，完成光源检测。导入STL格式的模型，设置切片厚度为0.01mm，特别设定第一层曝光时间80s，第2-7层曝光时间为40s，使打印模型能够牢固地固化在打印平台上。之后设定第八层后的正常单层曝光时间为10s。在每层曝光完成后需要对DLP光固化3D打印机进行灭灯冷却操作，防止光源长时间曝光过热。曝光结束后，将每层灭灯时间统一设定为4s。暂停时设置平台上移量为200mm。全部参数设置完成后，将球磨完毕的浆料倒入树脂槽中，选择切片完成的模型文件，确认后开始打印。β-TCP陶瓷浆料在面曝光下发生光固化反应单层固化成型于基板上，浆料流动补充后，基板再次下压于面曝光膜上，405nm波段的光投影系统继续投影出下一层模型分层图像，层层固化叠加后获得与模型一致的β-TCP陶瓷坯体。
四、对打印完成的坯体进行脱脂-烧结：
打印完成后，对打印平台进行酒精喷淋，用刀片轻轻地铲下打印完成的陶瓷坯体，放入到盛有酒精的烧杯中，超声波震荡清洗3min。清洗完成后，用镊子小心的将坯体取出，用试纸擦净后储存在黑色储物盒中空气干燥24h。干燥后将坯体放置在管式炉中，设置第一步升温温度至280℃，升温速率设置为1℃/min，280℃保温时间3h；设置第二步升温温度设置至440℃，升温速率为1℃/min，保温时间4h；设置第三步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间3h，之后冷却至室温，完成陶瓷坯体的脱脂工作。
最后在管式炉中继续设置烧结步骤，设置第一步升温温度至400℃，升温时间3h；设置第二步升温温度设置至800℃，升温3h；设置第二步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间2h；第三步设置升温温度为1150℃，升温时间2h，1150℃保温时间为2h；第四步设置温度降至700℃，降温速率为2℃/min；随后随炉冷却至室温。此步骤完成后取出样品，得到基于三维泰森多边型，具有结构仿生特性的磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷支架。
五、对烧结后的成品进行收缩率测定、孔隙率测定、表面形貌观察、力学性能分析。
对烧结完成后的仿生结构磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷支架使用CT扫描重建进行收缩率及孔隙率测定；使用激光共聚焦显微镜观测仿生多孔支架的孔径大小；使用扫描电镜观察陶瓷结晶质量，发现烧结完成后的陶瓷晶粒大小均匀，结合致密，二氧化硅作为增强相填充在陶瓷晶界面间；微机控制电子万能试验机测试不同孔隙率与孔径大小下磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷支架的压缩力学实验，发现其抗压性能在不同孔隙率下可达3-8MPa，符合人体松质骨力学性能需求。并且结合有限元模拟的方法对泰森多边形仿生结构磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷支架的力学性能进行调控，适应临床个性化需求。
本发明具有以下创新性：
(1)本发明利用DLP光固化3D打印技术制备了一种以人体松质骨骨小梁结构为仿生目标，基于三维泰森多边形结构可参数化调控孔隙率及孔径大小的磷酸三钙-二氧化硅仿生结构复合生物陶瓷支架。支架仿生结构与人体松质骨骨小梁结构类似，孔隙率范围50％-80％符合人体松质骨孔隙率范围，且符合人体松质骨力学性能要求。其微观形貌同时表明该方法制备的磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷具有良好的结晶质量。
(2)本发明自制配方的磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷粉体打印浆料，通过添加交联即和稀释剂具有性质稳定、流动性好、光固化活性高的特点。同时使用真空消泡发法和球磨法进一步减少粉体浆料中气泡和粉体的团聚效应，使得陶瓷浆料不易沉淀、打印成型率提高，可实现精细复杂结构陶瓷胚体的制备。
(3)本发明提出了基于DLP光固化3D打印技术制备磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷的脱脂及烧结工艺参数，制备了陶瓷晶粒大小均匀、结合致密，抗压性能3-8Mpa之间符合人体松质骨力学性能要求，且孔径大小可在200μm-800μm之间可调控，具有仿生人体松质骨多孔结构的磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷骨组织工程支架。
附图说明
图1是DLP3D打印仿生结构磷酸三钙-二氧化硅复合陶瓷的制备工艺流程图
图2是基于Rhino参数化建模设计出的不同孔隙率下的三维泰森多边形仿生结构模型及设计步骤。
图3是对打印完成后的陶瓷坯体的脱脂(a)及烧结(b)参数图。
图4是根据本发明工艺流程所制备出的磷酸三钙-二氧化硅泰森多边形仿生结构多孔陶瓷生物支架实物图。
图5是通过激光扫描共聚焦显微镜和CT扫描重建技术观测磷酸三钙-二氧化硅泰森多边形结构仿生多孔陶瓷生物支架的孔径大小(a)及孔隙率大小(b)示意图。
图6是通过扫描电镜磷酸三钙-二氧化硅泰森多边形结构仿生多孔陶瓷生物支架的表面结晶质量情况。
图7是通过微机控制电子万能试验机测试制备出的磷酸三钙-二氧化硅泰森多边形结构仿生多孔陶瓷生物支架的抗压性能与孔隙率的关系。
具体实施方式
实施例一：
1.使用Rhino三维建模软件结合Grasshopper参数化设计平台，以人体松质骨间的骨小梁结构为仿生目标，基于三维泰森多边形结构，并通过改变随机点数量以及点间距调控设计孔隙率大小范围为50％-80％的仿生结构支架。
2.在暗光条件下配置打印所需的光固化陶瓷浆料，将平均粒径为30μm-50μm的β-TCP陶瓷粉体与粒径小于0nm的二氧化硅粉末与405nm波段的光敏树脂分别称量后以0.3：0.0003：1的比例放入烧杯中进行常温磁力搅拌混合均匀，转速n＝60r/min，得到初始的混合浆料A。在混合浆料A中加入交联剂3,3-二甲基丙烯酸，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1。在陶瓷浆料A中加入稀释剂聚丙二醇，其与混合浆料A的质量比为0.0005:1。将混合浆料A加入上述交联剂与稀释剂后再经过5分钟，转速n＝60r/min的磁力搅拌后得到混合浆料B。将混合浆料B放入行星式氧化锆球磨罐中预备球磨过程。为消除浆料搅拌过程中出现的气泡，使用真空抽气设备对置入混合浆料B的氧化锆球磨罐进行抽真空操作。称量氧化锆球磨珠与混合浆料B的质量比为4:1，之后将氧化锆球磨珠加入到置入混合浆料B的氧化锆球磨罐中，球磨24小时，转速n＝120r/min，使用筛网过滤氧化锆球磨珠得到成分均匀的光固化β-TCP陶瓷浆料，将混合浆料储存在不透光的黑色容器中。
3.使用自主研发设计的BESK-DLP3D打印机进行打印，在使用DLP设备3D打印模型前，首先对DLP 3D打印机进行基台调平、光源检测工作，之后通过切片软件中的参数设置模型进行切片处理和面曝光时间调控。将打印机平台调整至默认位置后，安装树脂槽，用水平仪测试并调整树脂槽与打印平台的水平一致，调整完毕后用螺丝固定，随后设置平台以1mm的精度缓慢下降，当平台接近树脂槽时暂停并在槽上方垫入一张B5打印纸，同时将精度调整为0.1mm，再次下降直到抽动纸张感觉有明显阻力时，设定此位置为初始打印位置(Z轴＝0)，平台调平完毕。点击程序内的光源检测，设置时间为5s，观察曝光图案与设定一致且无明显瑕疵后，完成光源检测。导入STL格式的模型，设置切片厚度为0.01mm，特别设定第一层曝光时间80s，第2-7层曝光时间为40s，使打印模型能够牢固地固化在打印平台上。之后设定第八层之后的正常单层曝光时间为10s。在每层曝光完成后需要对DLP光固化3D打印机进行灭灯冷却操作，防止光源长时间曝光过热。曝光结束后，将每层层灭灯时间统一设定为4s。暂停时设置平台上移量为200mm。全部参数设置完成后，将球磨完毕的浆料倒入树脂槽中，选择切片完成的模型文件，确认后开始打印。β-TCP陶瓷浆料在面曝光下发生光固化反应单层固化成型于基板上，浆料流动补充后，基板再次下压于面曝光膜上，405nm波段的光投影系统继续投影出下一层模型分层图像，层层固化叠加后获得与模型一致的β-TCP陶瓷坯体。
4.使用乙醇清理打印完成后的坯体，将坯体刮下后放入装有乙醇的烧杯中进行超声波洗涤，清洗后用高压气枪将坯体表面和孔内残余的浆料和乙醇去除，得到洁净的坯体。
5.将坯体放置在管式炉中进行脱脂和烧结工作，调节脱脂和烧结温度参数。设置第一步升温温度至280℃，升温速率设置为1℃/min，280℃保温时间3h；设置第二步升温温度设置至440℃，升温速率为1℃/min，保温时间4h；设置第三步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间3h，之后冷却至室温，完成陶瓷坯体的脱脂工作。之后在管式炉中继续设置烧结步骤，设置第一步升温温度至400℃，升温时间3h；设置第二步升温温度设置至800℃，升温3h；设置第二步升温温度设置至550℃，升温速率为1℃/min，保温时间2h；第三步设置升温温度为1150℃，升温时间2h，1150℃保温时间为2h；第四步设置温度至700℃，降温速率为2℃/min；随后随炉冷却至室温。
6.对不同孔隙率的磷酸三钙-二氧化硅泰森多边形结构仿生多孔陶瓷生物支架进行扫描电镜观测、CT扫描重建、力学性能等测试。
