[发明专利]一种基于3D打印的生物活性多孔羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷的制备方法

说明书

一种3D打印有生物活性的多孔羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷的制备方法，属于3D打印技术及生物陶瓷、医疗应用领域。DLP(数字光固化)3D打印技术具有成型速度快，打印模型精度高，成本低廉等优势。本发明是通过以下软件和装置实现的。使用Solidworks设计并优化三维模型，将模型导入Q3DP软件进行切片，按照特定的比例配制浆料并进行球磨，将浆料倒入到BESK打印机树脂槽中开始打印，打印完成后的坯体再放入中号炉中按照特定的参数进行脱脂和烧结，最终得到力学性能优异，具有压电性能、生物相容性好的多孔羟基磷灰石/钛酸钡复合生物陶瓷。

技术领域

本发明涉及3D打印技术及生物陶瓷、医疗应用领域，特别是使用了DLP(数字光固化)3D打印技术制备了符合人体需要的多孔羟基磷灰石/钛酸钡生物陶瓷。

背景技术

生物陶瓷在现阶段属于前端科学研究领域，与传统的金属植入体相比，生物陶瓷与人体的相容性更加优秀。同时，其杨氏模量与人体自然骨接近，远远小于传统的金属植入物，在植入人体后不会产生明显的应力屏蔽现象。传统的生物陶瓷主要是以羟基磷灰石、氧化锆、锆钛酸铅等材料为主，但是这些材料各自都有着一定的不足，比如羟基磷灰石的压电性能十分缺乏，氧化锆的磨损率非常高，锆钛酸铅材料中的铅元素对人体伤害极大。相较而言，羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷在生物活性和压电性能方面都要明显优于传统生物陶瓷，其作为植入体在人体中不会产生毒性副产物伤害人体。同时羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷优异的压电性能使得其作为骨植入物时能有效地将机械能转化为电能并将信号反馈给神经系统，从而加速植入体与天然骨的愈合，是一种具有广阔应用前景的生物压电陶瓷材料。但是，医用生物陶瓷有两项十分重要的指标要求，一是力学系能要优异，二是生物活性要好。解决这两个问题最好的方法就是将陶瓷设计为多孔结构，控制其孔隙率大小。然而，制造多孔结构陶瓷对于传统陶瓷工艺而言是十分困难的，因为其在坯体制备阶段需要依靠模具和工人的经验，这样得到的陶瓷坯体结构简单、精度较低。为了实现高精度的多孔陶瓷制备，本发明将传统陶瓷工艺与3D打印技术相结合，先使用DLP 3D打印技术制备多孔羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷坯体，再通过传统的烧结方法制备陶瓷成品。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DLP 3D打印技术制造多孔羟基磷灰石/钛酸钡复合陶瓷的方法。

本发明是通过以下材料及装置实现的：粒径尺寸≤10μm的钛酸钡粉末，粒径尺寸≤10μm的羟基磷灰石粉末，405nm波段光敏树脂，3D打印机，球磨机，烧结炉。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一、使用三维建模软件进行模型的绘制

设计多孔结构，通过改变支梁结构尺寸和壁厚大小调控孔隙率。将处理完的模型导入有限元分析软件ABAQUS中进行模拟，通过装配、添加载荷、设置约束、网格划分步骤，对模型进行力学模拟。

使用三维建模软件设计多孔结构，根据有限元分析软件的力学模拟结果对多孔结构进行调整。随着孔隙率的提高，模型机械性能会逐渐减弱，但生物活性表现更加优秀，一般孔隙率在60％-90％之间的多孔结构研究价值比较大，本发明中的多孔结构孔隙率在85％-90％。

二、配置打印所用浆料

先将15wt％的钛酸钡粉末和25wt％的羟基磷灰石粉末加入到光敏树脂中，用搅拌器以300r/min的速度搅拌10min，完成后在混合料中加入4wt％的蔗糖为粘结剂，5wt％的聚丙烯酰胺作为分散剂，3wt％聚乙烯吡络烷酮作为光引发剂，再次对新的混合料进行搅拌，转速设置为200r/min，时间设置为3min。搅拌完成后，转移到球磨机中进行球磨，球料比设置为10:1，转速设置为400r/min，时间设置为24h，球磨完成后将混合浆料储存在不见光的黑色容器中以备实验所需。

三、对BESK打印机进行基板安装、调平、光源检测、模型导入、打印工作。