在激光选区烧结中引入持续液相制备陶瓷骨支架的方法
【专利摘要】在激光选区烧结生物陶瓷粉末制造人工骨支架时，为了在激光选区烧结的短时间内完成致密化过程，需要提高生物陶瓷材料的烧结性能，由此提出了一种持续液相烧结方法：在烧结生物陶瓷粉末之前，添加一定比例的具有生物活性的高聚物、生物玻璃1393、生物玻璃45S5和镁黄长石。而激光选区烧结时，生物陶瓷的烧结温度通常＞1200℃左右，在300-600℃温度段，利用所添加高聚物材料如PLA，PLLA，PLGA等具有生物相容性的高聚物提供液相。在700-1000℃温度段，利用1397生物玻璃提供液相。在1100-1200℃温度段，种用45S5生物玻璃提供液相，在＞1200℃温度段，利用镁黄长石提供液相。实现在激光烧结的整个过程中存在持续液相，提高生物陶瓷的烧结性能。
【专利说明】在激光选区烧结中引入持续液相制备陶瓷骨支架的方法 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种制备具有复杂外形和互连多孔结构的生物陶瓷骨支架的方法，特 别是涉及一种在激光选区烧结时利用具有生物活性的聚合物、生物玻璃和镁黄长石提供持 续液相制备生物陶瓷骨支架的方法。
【背景技术】
[0002] 全世界每年因交通、体育、疾病和自然灾害等原因造成的骨折、骨缺损的患者多达 几百万，仅美国每年的骨修复手术就有1〇〇万例，其中80%需要植入人工骨。我国每年因交 通事故、工伤等造成的骨缺损或缺失的伤员超过300万。骨移植已成为仅次于输血的第二 大移植组织，而我国关于人工骨的研究还处于初级阶段，不能满足临床手术的需求。
[0003] 生物陶瓷主要包括磷酸三钙（TCP)、羟基磷灰石（HAP)、生物活性玻璃（bioglass) 等，由于其主要组成元素为天然骨组织中的主要无机成分，具有良好的生物相容性和界面 活性，植入人体组织后，可通过表面生化反应和骨形成骨性结合，且材料经轻度溶解所形成 的高钙离子层及微碱性环境，可有效促进成骨细胞的粘附、增殖及分泌基质。被认为是最有 前途的骨替代材料。
[0004] 人工骨支架不仅要有良好的生物性能，还应具有复杂外形和互连多孔结构以利 于细胞的粘附、繁殖和生长。快速成型技术（rapid prototyping, RP)的数字化、高柔性 化的特点可以满足仿生人工骨复杂外形三维建模和内部多孔结构的需要。激光选区烧结 (Selective Laser Sintering)是快速成形制造技术的典型方法，根据零件的CAD模型，通 过计算机的控制实现形状复杂零件的加工，利用激光选区烧结制备多孔结构的仿生人工骨 支架是一种快捷而有效的方法。
[0005] 但与传统的高温炉烧结时间长达儿个小时甚至几十个小时不同，激光选区烧结时 间仅为0. 2-200ms左右，在这样短的时间内，要实现陶瓷的固相烧结几乎不可能，我们知 道，烧结过程的本质是一个材料传质实现致密化的过程，而材料在液相中的传质速度要比 在固相中快得多，为了在激光选区烧结的短时间内完成烧结过程，需要提高陶瓷材料的烧 结性能，由此我们提出了一种持续液相烧结方法。
【发明内容】
[0006] 为了在激光选区烧结时实现生物陶瓷骨支架的制备，本发明提出了一种持续液相 烧结的方法，该持续液相烧结所采用的技术方案是：
[0007] 在烧结生物陶瓷粉末之前，添加一定比例的具有生物活性的高聚物、生物玻璃 1393、生物玻璃45S5和镁黄长石。
[0008] 在激光选区烧结时，为了实现生物陶瓷烧结，烧结温度通常> 1200°C，我们把烧结 温度分成 300-600°C，700-1000°C，1100-1200°C，> 1200°C这四个温度段。
[0009] 在300-600°C温度段，利用添加的高聚物材料（在此温度段熔融）如聚乳酸 (PLA)，聚左旋乳酸（PLLA)，聚乳酸-羟基乙酸（PLGA)等具有生物相容性的高聚物提供液 相。
[0010] 在700-1000°C温度段，利用1393生物玻璃（在此温度段熔融）提供液相。
[0011] 在ll〇〇-120(TC温度段，种用45S5生物玻璃（在此温度段熔融）提供淮相。
[0012] 在> 120(TC温度段，利用镁黄长石（在此温度段熔融）提供液相。
[0013] 实现在激光烧结的整个过程中存在持续液相，提高生物陶瓷的烧结性能。
[0014] 发明的优点及积极效果
[0015] ①所添加的高聚物能在较低温度下（300-600°C )时发生熔融并提供液相，加速陶 瓷粉末的烧结过程，有利于获得致密的生物陶瓷骨支架；
[0016] ②在较高温度时（> 600°C )，所添加的高聚物在一定比例时能够完全氧化并消 失；避免了高聚物残留的影响；
[0017] ③所添加的生物玻璃（1393,45S5)和镁黄长石在较高温度（> 700°C )时发生熔 融并提供液相，改善了材料的烧结性能，促进烧结件的致密化；
[0018] ④烧结完成后，所添加的生物玻璃（1393,45S5)和镁黄长石作为粘结剂的形式存 在，进一步改善了烧结件的力学性能；
[0019] ⑤生物玻璃（1393,45S5)和镁黄长石由于存在有利于骨形成所需的Mg，Si等元 素，能进一步提高所制备的骨支架的生物学性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是持续液相烧结的原理说明图。
[0021] 图2是所添加的高聚物在烧结时氧化并消失的说明图
[0022] 图3是烧结完成后，生物玻璃（1393,45S5)和镁黄长石作为粘结剂的说明图 具体实施例
[0023] 下面结合一个实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步描述，但本发明之内容并 不局限于此。
[0024] 1)将重量比为1%的聚左乳酸（PLLA)、4%的1393玻璃、12%的45S5玻璃、3%的 镁黄长石粉末添加至生物陶瓷β -TCP粉末中，利用机械混合法混合均匀，制得添加物质量 分数为20 %的β -TCP混合粉末。
[0025] 2)利用自行研制的激光选区烧结机，激光在计算机的控制下，按照界面轮廓信息， 对所制得的粉末进行选区烧结，一层完成后再进行下一层烧结，最终制备出具有互连多孔 的陶瓷人工骨支架。
[0026] 3)对所制得的陶瓷支架进行质量损失（TGA)测试发现。所添加的PLLA(1% )能 完全氧化消失（图2所示），从而避免了高聚物残留所带来的不利影响。
[0027] 4)对所制得的支架进行扫描电镜测试发现。所添加的生物玻璃和镁黄长石作为粘 结剂的形式存在（如附图3所示），有利于提高骨支架的力学性能。
【权利要求】
1. 一种在激光选区烧结陶瓷骨支架过程中引入持续液相提高材料烧结性能的方法，其 中持续液相是通过添加具有生物相容性的高聚物、不同熔融温度的生物玻璃和镁黄长石来 实现的，其具体所采用的工艺为： 1) 在烧结生物陶瓷粉末之前，添加一定比例的具有生物活性的高聚物、生物玻璃 1393、生物玻璃45S5和镁黄长石粉末。 2) 在300-600°C温度段，利用添加的高聚物如聚乳酸（PLA)，聚左旋乳酸（PLLA)，聚乳 酸-羟基乙酸（PLGA)等具有生物相容性的高聚物提供液相。在700-1000°C温度段，利用 1393生物玻璃提供液相。在1100-1200°C温度段，种用45S5生物玻璃提供液相。在> 1200°C 温度段，利用镁黄长石提供液相。 3) 实现在激光烧结的整个过程中存在持续液相，提高生物陶瓷的烧结性能。
2. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：PLA、PLLA、PLGA等高聚物粉末的含量为 1% (重量比）、1393玻璃的含量为4%、45S5玻璃的含量为12%、镁黄长石的含量为3%。
3. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：利用激光选区技术制备的骨支架具有 与客户定制的外形，贯穿的内部多孔结构。
4. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：所添加的高聚物能在较低温度下 (300-600 °C )时发生熔融并提供液相，加速陶瓷粉末的烧结过程；在较高温度时（> 600°C )，所添加的高聚物在一定比例时能够完全氧化并消失；避免了高聚物残留的影响。
5. 按照权利要求1中所述的方法，其特征在于：所添加的生物玻璃（1393,45S5)和镁 黄长石在较高温度（> 700°C )时发生熔融并提供液相，改善了材料的烧结性能；烧结完成 后，所添加的生物玻璃（1393,45S5)和镁黄长石作为粘结剂的形式存在，进一步改善了烧 结件的力学性能；且由于添加的生物玻璃和镁黄长石由于存在有利于骨形成所需的Mg，Si 等元素，进一步能提高所制备的骨支架的生物学性能。
【文档编号】A61L27/12GK104108928SQ201310137902
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】帅词俊, 彭淑平, 冯佩 申请人:中南大学