本发明涉及一种提高3d凝胶打印磷酸钙盐陶瓷支架降解性的方法，属于先进快速制造领域。
背景技术：
3d打印技术，又称为“增材制造”技术，是在2d打印、微滴喷射和现代材料学基础上发展起来的快速成型技术，基本原理是以数字模型文件为基础，将粉末状金属或陶瓷等可粘合材料，通过逐层打印使层与层之间相互黏结，构成一个实物的立体模型。3d凝胶打印技术(3dgel-printing，3dgp)是一种基于料浆打印技术(slurry-basedthreedimensionalprinting，s-3dptm)或直接喷墨打印技术(directinkjetprinting，dip)的新型3d打印成形技术，打印料浆由较低黏度、较高固相体积分数含量的陶瓷或金属浆料所组成，打印机将料浆喷射到打印平台上，同时以一定的方式引发料浆中有机单体在极短时间内发生自由基聚合反应，形成的三维网状结构高分子有机物将粉末颗粒进行原位包覆，从而实现料浆迅速固化成形，料浆经层层打印固化成形后，形成零件坯体，生坯经脱脂和烧结后，最终得到致密制件。
磷酸三钙成分与骨组织的无机成分类似，在内环境稳态的情况下，磷酸三钙与骨组织有较高的结合力，而且生物安全性良好、无明显排异反应，新骨在长入支架的同时，能够顺利实现钙盐的沉积和物质交换。但是，磷酸三钙的抗外力冲击的能力很差，降解速率也不能完全和新骨生成速率相匹配。自制磷酸钙镁粉体中的镁元素的加入不仅可以提高磷酸三钙支架的抗压强度，还可以提高磷酸三钙支架在模拟体液中的降解速率，使材料能够通过一步一步地溶解吸收或者新陈代谢过程排除体外，从而使得骨缺损的部位被新生骨组织所替代，且降解下来的钙、磷离子能够进入人体循环系统并逐渐形成新生骨。而且，在制备磷酸钙镁粉体的过程中，通过改变反应物的添加顺序可以提高生成物中的镁含量，从而实现材料降解性的精确控制。
利用改变反应物的添加顺序的方法提高磷酸钙镁中的镁含量，不仅解决了磷酸钙脆性大的缺点，而且提高了磷酸钙的可降解性。同时，3d凝胶打印技术成型陶瓷制件不仅解决了陶瓷难以成型的问题，还可以实现复杂陶瓷制件的近净成形，节约成本。
本发明中，将打印后烧结的陶瓷支架浸泡于模拟体液中，通过检测模拟体液中支架的失重率来表征镁含量的不同对支架降解性的影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种简单的方法来提高粉体中的镁含量，然后通过低成本、高效率方式制造出形状复杂、近净成形的磷酸钙镁制件，从而得到降解性、力学性能、生物相容性优良的生物植入制件。
本发明的原理如下：首先配制不同钙磷比的氯化钙溶液、磷酸氢二铵溶液、六水合氯化镁溶液，然后改变氯化钙溶液和六水合氯化镁溶液的添加顺序，制备出不同镁含量的磷酸钙镁粉体。然后将制备的磷酸钙镁粉末加入预混液中，配制一定固含量的磷酸钙镁料浆，接着将配制的磷酸钙镁料浆装入自主设计的3d凝胶打印机进行打印，在打印过程中通过调节喷头直径、打印层高、挤出速率、打印速度等打印参数，从而获得表面质量好、复杂形状的打印坯体，将打印坯体经过脱脂、烧结工艺得到陶瓷支架。之后将得到的陶瓷支架浸泡于模拟体液中，镁含量较高的粉体打印出的支架在模拟体液中的降解速率更快，提高了支架的降解性。
基于以上原理和目的，本发明的工序包括：不同镁含量磷酸钙镁粉体的制备、打印料浆的制备、打印参数的设置、3d凝胶打印、打印坯体的脱脂和烧结、体外降解性测试等。其具体工艺如下：
一种提高3d凝胶打印磷酸钙盐陶瓷支架降解性的方法，具体步骤如下：
(1)分别配制浓度为0.02～0.8mol/l的无水氯化钙水溶液、磷酸氢二铵水溶液、六水氯化镁水溶液，备用；
(2)在0～60℃的温度条件下，先将六水氯化镁水溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后加入无水氯化钙水溶液，得到混合溶液a；然后改变六水氯化镁溶液和无水氯化钙的添加顺序，即先将无水氯化钙水溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后再加入六水氯化镁水溶液，得到混合溶液b；
(3)将步骤(2)所得到混合溶液a和b分别经过9～18h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在30～90℃下干燥，由此得到不同反应物添加顺序下制备得磷酸钙镁粉末a1和b1；
(4)将0.5～4wt％分散剂、0.1～0.5wt％乳化剂、0.5～1wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比(0.5～2):1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为35～67vol％，粘度为200～800pa.s的磷酸钙镁料浆a2和b2；
(5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆a2和b2分别装入3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所得到的坯体a3和b3，打印所选用的喷头直径为0.1～0.5mm，打印层高为0.1～0.7mm，打印压力为0.1～0.6mpa，打印速度为5～25mm/s；
(6)将打印所得到的坯体a3和b3在25～50℃下干燥24～48h，之后将干燥的坯体在30～90℃脱脂3～8h，使得有机物完全分解挥发，在800～1000℃烧结1～3h，得到磷酸钙镁支架a4和b4；
(7)将(6)所得到的支架a4和b4浸泡于模拟体液，在12周测量模拟体液中支架的失重率不小于12％。
进一步地，步骤(2)所述无水氯化钙水溶液、磷酸氢二铵水溶液、六水合氯化镁水溶液中的(ca+mg)/p摩尔比为1.50-1.56，mg/ca摩尔比为0.2～0.7。
进一步地，步骤(3)所述磷酸钙镁粉体的平均粒度5～30μm。
进一步地，步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照一定的体积比进行均匀混合，如果比例过大，料浆固含量过高，料浆流动性降低影响打印质量；反之，如果比例过小，料浆固含量低，降低打印坯体的力学性能。经过前期的实验研究，磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比(0.5～2):1混料，搅拌均匀可得到适合凝胶打印的固相含量为35～67vol％，粘度为200～800pa.s的磷酸钙镁料浆。
进一步地，步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末，随着镁含量的增加，打印的陶瓷支架在体外模拟体液中的降解性明显提高。
进一步地，步骤(4)所述的分散剂为聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙二醇、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、cmc、聚丙烯酸钠的一种。
进一步地，步骤(4)所述的乳化剂为油酸、聚丙烯酰胺、单式双甘油酯、脂肪酸酯、烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、n-十二烷基二甲胺、十八烷基苯磺酸、二甲苯荼磺酸钠、硬脂酸钠的一种；所采用的固化方式为物理固化和化学固化，物理固化方式为外围热固化，化学固化剂为柠檬酸、聚酰胺、脂肪胺、脂环胺的一种。
进一步地，步骤(4)所述分散剂、乳化剂、固化剂所占的质量分数分别为0.5～4wt％分散剂、0.1～0.5wt％乳化剂、0.5～1wt％固化剂。
所述不同添加顺序制备的磷酸钙镁粉体打印出的支架在模拟体液中的
降解性不同。
本发明提供了一种提高3d凝胶打印磷酸钙盐陶瓷支架降解性的方法，该方法通过改变反应物的添加顺序得到不同镁含量的磷酸钙镁粉末a、b，分别用两种粉末制备稳定性高、粘度较低的3d凝胶打印料浆a1、b1进行3d凝胶打印，之后将烧结后的磷酸钙镁制件a4、b4分别浸泡于模拟体液中测定其降解率，从而实现通过改变反应物添加顺序，进而提高磷酸钙镁粉体中的镁含量，最终提高支架在模拟体液中的降解速度，该工艺简单，实现了降解性良好的陶瓷制件的近净成形，节约生产成本。
本发明工艺成型陶瓷支架的优点在于：利用改变反应物的添加顺序的方法提高了自制磷酸钙镁粉体中的镁含量，不仅保留了磷酸钙良好的生物相容性，而且镁离子的加入也提高了其力学性能和降解性，解决了磷酸钙力学性能较差、降解速度慢的缺点。其次，其主要成分和人体骨骼接近，进一步提高了制件的生物相容性；另一方面，通过3d凝胶打印技术制备的陶瓷支架，解决了陶瓷利用传统方法难以成型的缺点，实现了复杂陶瓷生物制件的近净成形。
具体实施方式
本发明提供一种简单的方法来提高粉体中的镁含量，然后通过低成本、高效率方式制造出形状复杂、近净成形的磷酸钙镁制件，从而得到降解性、力学性能、生物相容性优良的生物植入制件。
本发明的工序包括：不同镁含量磷酸钙镁粉体的制备、打印料浆的制备、打印参数的设置、3d凝胶打印、打印坯体的脱脂和烧结、体外降解性测试等。其具体工艺如下：
(1)分别配制浓度为0.02～0.8mol/l的无水氯化钙水溶液、磷酸氢二铵水溶液、六水氯化镁水溶液，备用；
(2)在0～60℃的温度条件下，先将六水氯化镁水溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后在前述混合液中加入无水氯化钙水溶液，边加入边搅拌，得到混合溶液a；然后改变六水氯化镁溶液和无水氯化钙的添加顺序，即先将无水氯化钙水溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后在前述混合液中加入六水氯化镁水溶液，边加入边搅拌，得到混合溶液b；
(3)将步骤(2)所得到混合溶液a和b分别经过9～18h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在30～90℃下干燥，由此得到不同反应物添加顺序下制备得磷酸钙镁粉末a1和b1；
在以上步骤(1)的溶液初始浓度、步骤(2)的温度条件、溶液a和b的添加顺序，以及步骤(3)的陈化时间和干燥温度都是关键的过程，这些过程综合在一起，能保证得到的磷酸钙镁粉末具有恰当的形状(球形或近球形)、平均粒度(d50＝80-120nm)和粒度分布(粒度分布d10大于20nm,d90小于180nm)，使后续料浆具有恰当的流变学行为适于3d凝胶打印工艺。此外，能保证在后续烧结过程中在较低温度下达到致密化，获得所需的支架力学性能。这些过程综合在一起才能达到本发明的效果，单独改变某一变量是无法做到的。
(4)将0.5～4wt％分散剂、0.1～0.5wt％乳化剂、0.5～1wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比(0.5～2):1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为35～67vol％，粘度为200～800pa.s的磷酸钙镁料浆a2和b2；
(5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆a2和b2分别装入自主研发的3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所选用的喷头直径为0.1～0.5mm，打印层高为0.1～0.9mm，打印压力为0.1～0.6mpa，打印速度为5～25mm/s；
(6)将打印所得到的坯体a3和b3在25～50℃下干燥24～48h，之后将干燥的坯体在30～90℃脱脂3～8h，使得有机物完全分解挥发，在800～1100℃烧结1～3h，得到磷酸钙镁支架a4和b4；
(7)将(6)所得到的支架a4和b4浸泡于模拟体液，在12周测量模拟体液中支架的失重率不小于12％。
实施例1：3d凝胶打印制备镁含量为2％的磷酸钙镁陶瓷支架
1)称取14.7g磷酸氢二铵、18.24g无水氯化钙、1.23g六水氯化镁，分别溶解在200ml蒸馏水中，得到各自的水溶液并测量ph值；
2)在30℃的温度条件下，先将无水氯化钙溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后在前述混合液中加入六水氯化镁溶液水溶液，边加入边搅拌，得到混合溶液；
3)将步骤(2)所得到混合溶液分别经过9h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在30℃下干燥，制备得磷酸钙镁粉末；
4)将0.5wt％分散剂、0.2wt％乳化剂、0.6wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比0.8:1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为45vol％，粘度为720pa.s的陶瓷料浆；
5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆装入自主研发的3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所选用的喷头直径为0.2mm，打印层高为0.18mm，打印压力为0.2mpa，打印速度为15mm/s；
6)将打印所得到的坯体30℃下干燥20h，之后将干燥的坯体在500℃脱脂4h，使得有机物完全分解挥发，在800℃烧结1.5h，得到陶瓷支架；
7)将(6)所得到的支架浸泡于模拟体液，12周后支架在模拟体液中的失重率为12％。
实施例2：3d凝胶打印制备镁含量为6％的磷酸钙镁陶瓷支架
1)称取16.28g磷酸氢二铵、17.54g无水氯化钙、6.76g六水氯化镁，分别溶解在200ml蒸馏水中，得到各自的水溶液并测量ph值；
2)在20℃的温度条件下，先将无水氯化钙溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后在前述混合液中加入六水氯化镁溶液水溶液，边加入边搅拌，得到混合溶液；
3)将步骤(2)所得到混合溶液分别经过15h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在50℃下干燥，制备得磷酸钙镁粉末；
4)将4wt％分散剂、0.1wt％乳化剂、0.9wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比1:1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为35vol％，粘度为500pa.s的陶瓷料浆；
5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆装入自主研发的3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所选用的喷头直径为0.1mm，打印层高为0.13mm，打印压力为0.3mpa，打印速度为10mm/s；
6)将打印所得到的坯体50℃下干燥24h，之后将干燥的坯体在400℃脱脂4h，使得有机物完全分解挥发，在1000℃烧结2h，得到陶瓷支架；
7)将(6)所得到的支架浸泡于模拟体液，12周后支架在模拟体液中的失重率为16％。
实施例3：3d凝胶打印制备镁含量为10％的磷酸钙镁陶瓷支架
1)称取14.93g磷酸氢二铵、15.98g无水氯化钙、6.14g六水氯化镁，分别溶解在200ml蒸馏水中，得到各自的水溶液并测量ph值；
2)在50℃的温度条件下，先将六水氯化镁水溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，然后在前述混合液中加入无水氯化钙水溶液，边加入边搅拌，得到混合溶液；
3)将步骤(2)所得到混合溶液分别经过18h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在90℃下干燥，制备得磷酸钙镁粉末；
4)将1wt％分散剂、0.3wt％乳化剂、1wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的磷酸钙镁粉末与预混合液按照体积比2:1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为55vol％，粘度为756pa.s的陶瓷料浆；
5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆装入自主研发的3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所选用的喷头直径为0.3mm，打印层高为0.24mm，打印压力为0.4mpa，打印速度为8mm/s；
6)将打印所得到的坯体80℃下干燥48h，之后将干燥的坯体在600℃脱脂6h，使得有机物完全分解挥发，在1100℃烧结3h，得到陶瓷支架；
7)将(6)所得到的支架浸泡于模拟体液，12周后支架在模拟体液中的失重率为23％。
对比实施实例1：3d凝胶打印制备没有添加镁的磷酸钙陶瓷支架
1)称取13.62g磷酸氢二铵、17.28g无水氯化钙，分别溶解在200ml蒸馏水中，得到各自的水溶液并测量ph值；
2)在40℃的温度条件下，将无水氯化钙溶液加入到磷酸氢二铵水溶液中均匀混合，边加入边搅拌，得到混合溶液；
3)将步骤(2)所得到混合溶液分别经过12h陈化，过滤后得到沉淀，再用蒸馏水和乙醇交替洗涤至中性，将洗涤后的沉淀在60℃下干燥，制备得磷酸钙粉末；
4)将3.5wt％分散剂、0.15wt％乳化剂、0.7wt％固化剂溶解于蒸馏水中，用玻璃棒持续搅拌直到溶解完全得到预混液，之后将步骤(3)所得到的陶瓷粉末与预混液按照体积比0.5:1混料，搅拌均匀，可得到固相含量为30vol％，粘度为550pa.s的陶瓷料浆；
5)将步骤(4)所得到的磷酸钙镁料浆装入自主研发的3d凝胶打印机的针筒中，将所需要打印的制品形状导入计算机控制系统进行打印，打印所选用的喷头直径为0.4mm，打印层高为0.72mm，打印压力为0.5mpa，打印速度为6mm/s；
6)将打印所得到的坯体70℃下干燥12h，之后将干燥的坯体在450℃脱脂6h，使得有机物完全分解挥发，在1050℃烧结1h，得到陶瓷支架；
7)将(6)所得到的支架浸泡于模拟体液，12周后支架在模拟体液中的失重率为7％。
通过对比可以看到，本发明通过添加镁得到的磷酸钙镁支架提高了支架在模拟体液中的降解率。