一种双响应4D打印异质陶瓷支架及其制备方法

一种双响应4d打印异质陶瓷支架及其制备方法
技术领域
1.本发明属于骨肿瘤医疗设备相关技术领域，更具体地，涉及一种双响应4d打印异质陶瓷支架及其制备方法。


背景技术：

2.骨肿瘤作为一种恶性肿瘤在临床上极为常见，其治疗重点和难点为重建病灶切除后的骨缺损和消除残余肿瘤细胞。然而传统的骨肿瘤治疗方法在去除了部分骨肿瘤组织后，移植的异体骨支架/骨组织并没有杀死肿瘤细胞的效果且促进骨细胞生长效率较低。此外，化疗和放疗的后续治疗方式也会对患者造成极大的副作用。因此，设计和制备新型生物材料构件，实现灭杀骨肿瘤细胞和促进骨修复一体化是非常迫切和重要的。
3.随着增材制造技术的发展，多孔结构的可制造性逐步增强。作为一种理想的骨填充支撑，多孔结构的支架为宿主细胞增殖与成骨粉化提供必需的力学、生物学和电学微环境。近年来，能够抑制肿瘤细胞生长的支架已逐渐出现，例如专利cn112972776a中的具有光热效应的多级孔骨修复支架，在近红外光的照射下能够使支架周围升温，达到灭杀肿瘤细胞的效果；专利cn113121256a中的4d打印压电陶瓷支架，通过体外超声刺激产生活性氧来诱导肿瘤细胞凋亡或者坏死。然而，这些单一组分支架功能简单、手段单一、效率较低。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双响应4d打印异质陶瓷支架及其制备方法，其通过交替打印压电层和磁热层，得到层间复合结构的支架将原本单一组分的支架离散化，使得治疗效果更加均匀和有效。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双响应4d打印异质陶瓷支架的制备方法，包括下列步骤：
6.(1)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到压电陶瓷浆料；将具有磁热效应的粒子与生物陶瓷材料、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到磁热陶瓷浆料；
7.(2)基于待制备支架的三维多孔模型，采用增材制造技术分别利用所述压电陶瓷浆料和磁热陶瓷浆料，交替打印压电层和磁热层，得到异质陶瓷支架素坯，
8.(3)将所述异质陶瓷支架素坯依次进行排胶、烧结、极化和磁化后得到所述异质陶瓷支架。
9.优选地，所述步骤(2)中，交替打印压电层和磁热层包括：根据待制备支架中目标待利用磁热效应加热区域，确定目标磁热层的位置和厚度，同时，根据待制备支架中目标待利用超声辐照作用产生电势区域，确定目标压电层的位置和厚度后，交替打印压电层和磁热层。
10.优选地，所述具有磁热效应的粒子包括磁性纳米锆铁粒子、磁性纳米铁氧粒子、磁性磷酸钙、金纳米颗粒中的一种或多种。
11.优选地，所述具有磁热效应的粒子占所述磁热陶瓷浆料的质量百分比为5wt％～30wt％。
12.优选地，所述生物陶瓷材料包括羟基磷灰石、磷酸三钙、生物玻璃、氧化锆、氧化铝中的一种或多种。
13.优选地，所述生物陶瓷材料占所述磁热陶瓷浆料的质量百分比为55wt％～80wt％。
14.优选地，所述三维多孔模型的多孔结构包括梯度多孔结构、均匀多孔结构、无规则多孔结构中的一种或者多种；所述三维多孔模型的孔隙率为50-85％，孔径尺寸为200-1000μm，孔隙连通率为40-90％。
15.优选地，所述排胶为以0.3-1℃/min的速率升温至500-800℃保温3-8小时，所述烧结为在1100-1600℃温度下烧结4-6小时。
16.优选地，所述极化为在压电陶瓷高压极化仪2-4kv/mm直流电压、25-120℃下极化3-30min、所述磁化为在充磁设备上用1600-1900v电压磁化。
17.按照本发明的另一个方面，提供了一种双响应4d打印异质陶瓷支架，其压电层在超声作用下产生变形，诱导支架响应电势，其磁热层在外源性交变磁场作用下，磁热粒子产生磁热效应，输出热能。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
19.(1)本发明提供的双响应4d打印异质陶瓷支架，其压电层在超声作用下产生变形，诱导支架响应电势，能够促进骨骼生长和愈合，并诱导肿瘤细胞凋亡；其磁热层在外源性交变磁场作用下，磁热粒子产生磁热效应，输出热能从而高效灭杀肿瘤细胞。二者有机结合，使得支架功能更加全面，增强了支架的治疗效果和实用价值。该双响应4d打印异质陶瓷支架既可以单一的磁热响应，也可以单一的超声响应；还可以同时进行磁热响应与超声响应。并且，本发明采用4d交替打印压电层和磁热层，得到层间复合结构的支架将原本单一组分的支架离散化，使得治疗效果更加均匀和有效，减小了内耗。
20.(2)本发明先根据待制备支架中目标待利用磁热效应加热区域，确定目标磁热层的位置和厚度，同时，根据待制备支架中目标待利用超声辐照作用产生电势区域，确定目标压电层的位置和厚度后，然后再建立待制备支架的三维多孔模型。可以实现将不同部位的需求与支架每层的位置和厚度进行匹配，实现需求个性化定制。
21.(3)本发明提出了一种新型多功能支架，丰富了功能材料支架种类，增加了功能支架的应用潜力。
附图说明
22.图1是本发明提供的双响应4d打印异质陶瓷支架的制备方法示意图；
23.图2是本发明提供的双响应4d打印异质陶瓷支架的工作原理示意图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.本发明提供一种双响应4d打印异质陶瓷支架的制备方法，参见图1，其包括下列步骤：
26.(1)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到压电陶瓷浆料；将具有磁热效应的粒子与生物陶瓷材料、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到磁热陶瓷浆料。
27.(2)基于待制备支架的三维多孔模型，根据待制备支架中目标待利用磁热效应加热区域，确定目标磁热层的位置和厚度，同时，根据待制备支架中目标待利用超声辐照作用产生电势区域，确定目标压电层的位置和厚度后，采用增材制造技术分别利用所述压电陶瓷浆料和磁热陶瓷浆料，交替打印压电层和磁热层，得到异质陶瓷支架素坯，
28.(3)将所述异质陶瓷支架素坯依次进行排胶、烧结、极化和磁化后得到所述异质陶瓷支架。
29.参见图2，本发明提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支的工作原理为：压电层在超声作用下产生变形，诱导支架响应电势，能够促进骨骼生长和愈合，并诱导肿瘤细胞凋亡；其磁热层在外源性交变磁场作用下，磁热粒子产生磁热效应，输出热能从而高效灭杀肿瘤细胞。该双响应4d打印异质陶瓷支架既可以单一的磁热响应，也可以单一的超声响应；还可以同时进行磁热响应与超声响应。并且，本发明采用4d交替打印压电层和磁热层，得到层间复合结构的支架将原本单一组分的支架离散化，使得治疗效果更加均匀和有效，减小了内耗。
30.以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
31.以下实施例中光敏树脂为hdda，光引发剂为tpo、分散剂为41000、表面助剂为防沉剂8810和流平剂rad。
32.实施例1
33.本发明实施例1提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支架制备方法主要包括以下步骤：
34.(1)采用三维建模软件创建gyroid均匀多孔模型，其孔隙率为50％，孔径尺寸为200μm，孔隙连通率为90％。
35.(2)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到用于成形压电层的压电陶瓷浆料；
36.(3)将磁性纳米锆铁粒子与羟基磷灰石、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到用于成形磁热层的陶瓷浆料。其中，磁性纳米粒子占浆料的质量百分比为5wt％，羟基磷灰石占浆料质量百分比80wt％；
37.(4)将多孔模型导入支持多材料打印的立体光固化(sla)或数字光处理(dlp)增材制造设备中，光固化打印浆料获得素坯，素坯经排胶、烧结、极化和磁化后获得层间异质结构陶瓷支架。其中，排胶为以0.5℃/min的速率升温至600℃保温3小时，烧结为在1400℃温度下烧结5小时，极化为在压电陶瓷高压极化仪2kv/mm直流电压、70℃下极化5min，磁化为在充磁设备上用1600v电压磁化。
38.实施例2
39.本发明实施例2提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支架制备方法主要包括以下步骤：
40.(1)采用三维建模软件创建diamond均匀多孔模型，其孔隙率为55％，孔径尺寸为400μm，孔隙连通率为80％。
41.(2)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到用于成形压电层的压电陶瓷浆料；
42.(3)将磁性纳米锆铁粒子与氧化锆、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到用于成形磁热层的陶瓷浆料。其中，磁性纳米粒子占浆料的质量百分比为15wt％，氧化锆占浆料质量百分比70wt％；
43.(4)将多孔模型导入支持多材料打印的立体光固化(sla)或数字光处理(dlp)增材制造设备中，根据待制备支架中目标待利用磁热效应加热区域，确定目标磁热层的位置和厚度，同时，根据待制备支架中目标待利用超声辐照作用产生电势区域，确定目标压电层的位置和厚度后，交替打印压电层和磁热层。本实施例采用从下至上2mm压电层、1mm磁热层、2mm压电层、1mm磁热层、2mm压电层的结构。光固化打印浆料获得素坯后，素坯经排胶、烧结、极化和磁化后获得层间异质结构陶瓷支架。
44.实施例3
45.本发明实施例3提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支架制备方法主要包括以下步骤：
46.(1)采用三维建模软件创建gyroid梯度多孔模型，其孔隙率为60％，孔径尺寸为600μm，孔隙连通率为70％。
47.(2)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到用于成形压电层的压电陶瓷浆料；
48.(3)将磁性纳米铁氧粒子与钛酸钡、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到用于成形磁热层的陶瓷浆料。其中，磁性高分子微球占浆料的质量百分比为20wt％，磷酸三钙占浆料质量百分比65wt％；
49.(4)将多孔模型导入支持多材料打印的立体光固化(sla)或数字光处理(dlp)增材制造设备中，光固化打印浆料获得素坯，素坯经排胶、烧结、极化和磁化后获得层间异质结构陶瓷支架。
50.实施例4
51.本发明实施例4提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支架制备方法主要包括以下步骤：
52.(1)采用三维建模软件创建diamond梯度多孔模型，其孔隙率为65％，孔径尺寸为800μm，孔隙连通率为60％。
53.(2)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到用于成形压电层的压电陶瓷浆料；
54.(3)将纳米金颗粒与钛酸锶、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到用于成形磁热层的陶瓷浆料。其中，磁性高分子微球占浆料的质量百分比为25wt％，磷酸三钙占浆料质量百分比65wt％；
55.(4)将多孔模型导入支持多材料打印的立体光固化(sla)或数字光处理(dlp)增材
制造设备中，光固化打印浆料获得素坯，素坯经排胶、烧结、极化和磁化后获得层间异质结构陶瓷支架。
56.实施例5
57.本发明实施例5提供的一种双响应4d打印异质陶瓷支架制备方法主要包括以下步骤：
58.(1)采用三维建模软件创建gyroid-diamond复合多孔模型，其孔隙率为85％，孔径尺寸为1000μm，孔隙连通率为40％。
59.(2)将生物压电陶瓷材料与光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂混合均匀，得到用于成形压电层的压电陶瓷浆料；
60.(3)将磁性磷酸钙与磷酸三钙、光敏树脂、光引发剂、分散剂、表面助剂均匀混合，得到用于成形磁热层的陶瓷浆料。其中，磁性磷酸钙占浆料的质量百分比为30wt％，生物玻璃占浆料质量百分比55wt％；
61.(4)将多孔模型导入支持多材料打印的立体光固化(sla)或数字光处理(dlp)增材制造设备中，光固化打印浆料获得素坯，素坯经排胶、烧结、极化和磁化后获得层间异质结构陶瓷支架。
62.通过上述实施例可知：
63.(1)异质陶瓷支架在在超声下均可产生微电势，在外源性交变磁场刺激下均可产生热量。其中，电场强度受压电陶瓷材料的种类及含量、烧结温度和极化条件的影响较大，热量受磁性材料含量、烧结温度和磁化条件的影响较大。
64.(2)由于磁热层会吸收部分电压，整个支架是否有电信号和磁热层与压电层的层厚比有关，磁热层太厚则会有局部无电压，通过合理的调整能够实现异质陶瓷支架整体有电信号。
65.(3)异质陶瓷支架在骨肿瘤治疗领域具有广阔应用前景。
66.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。