一種利用激光選區(qū)燒結合成磷酸鈣制備骨支架的方法
【專利摘要】針對直接采用磷酸鈣粉末燒結的陶瓷存在力學性能差、傳統(tǒng)方法制備的陶瓷內部多孔連通性差等問題，本發(fā)明提出了一種利用羥基磷灰石與45S5生物玻璃為原料，采用激光選區(qū)燒結產(chǎn)生的高溫化學合成磷酸鈣，同時形成多孔結構與復雜外形的磷酸鈣生物陶瓷骨支架的制備方法，且所合成的磷酸鈣比直接利用磷酸鈣粉末制備的骨支架具有更高的力學性能；從而達到人體承重部位的使用要求。
【專利說明】一種利用激光選區(qū)燒結合成磷酸鈣制備骨支架的方法 所屬【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用激光燒結合成磷酸鈣陶瓷制備人工骨支架的方法，特別是涉 及一種采用羥基磷灰石、45S5生物玻璃混合粉末在激光選區(qū)燒結時化學合成磷酸鈣的同時 制備高性能生物陶瓷多孔骨支架的方法。

【背景技術】
[0002] 目前通常采用自體移植、異體移植或異種移植來修復骨缺失和骨不連，但這些方 法都存在一定的缺陷，如自體移植存在骨源有限并對供骨部位造成損傷，給患者增加額外 的痛苦；同種異體或異種移植有傳播疾病及免疫排斥的風險。人工骨支架制備技術的發(fā)展 有希望較好地解決修復骨缺損這一難題。
[0003] 多孔磷酸鈣（TCP)生物陶瓷具有良好的理化性能、生物相容性和生物可降解性 能，當其植入人體后，能在體內降解逐漸被吸收；它的多孔型結構有利于組織長入，能攜帶 骨誘導物質促進新生骨的生成，加速骨的愈合。因此，多孔磷酸鈣生物陶瓷人工骨是一種理 想的骨缺損修復材料。
[0004] 而關于陶瓷多孔結構的制備，目前采用的添加造孔劑工藝、發(fā)泡工藝和有機泡沫 浸漬工藝。雖然都能夠用于制備多孔磷酸鈣生物陶瓷，但是，它們都存在著一定的不足：如 添加造孔劑工藝難以制取高氣孔率制品且氣孔分布均勻性差；發(fā)泡工藝很難控制氣孔的分 布，且強度不高；有機泡沫浸漬工藝的強度非常低。正是由于目前制備的多孔磷酸鈣生物陶 瓷力學性能與孔連通性差，使得它只能用于不承重部位骨缺損的修復。
[0005] 通過前期的研究工作發(fā)現(xiàn)，利用羥基磷灰石（HA)與45S5生物玻璃混合在高溫下 化學合成的磷酸鈣具有比直接利用磷酸鈣粉末燒結制備的陶瓷具有更高的力學性能。而激 光選區(qū)燒結技術能夠成型具有與人骨支架結構相一致的多孔骨支架。因此利用這一化學合 成磷酸鈣的方法與激光選區(qū)快速成型相結合形成的制備工藝，有望制得力學性能優(yōu)良的多 孔磷酸鈣生物陶瓷人工骨支架。


【發(fā)明內容】

[0006] 針對直接采用磷酸鈣粉末燒結的陶瓷存在力學性能差、傳統(tǒng)方法制備的陶瓷內部 多孔連通性差等問題，本發(fā)明提出了一種利用羥基磷灰石與45S5生物玻璃為原料，采用激 光選區(qū)燒結合成制備高性能多孔磷酸鈣生物陶瓷骨支架的方法，從而達到人體承重部位的 使用要求。
[0007] 本發(fā)明中米用輕基磷灰石、45S5生物玻璃混合粉末在激光選區(qū)燒結時化學合成磷 酸鈣的同時制備高性能生物陶瓷多孔骨支架的方法，主要包括如下步驟：
[0008] (1)材料混合：利用電子天平按比例稱量一定量的羥基磷灰石粉末（粒度40納 米）和45S5生物玻璃粉末（粒度20微米），利用機械混合法研磨60min后獲得均勻混合的 初始粉末，其中45S5生物玻璃質量分數(shù)為15wt%。
[0009] (2)激光燒結：將制得的混合粉末置放在激光選區(qū)燒結平臺上，激光根據(jù)骨支架 二維截面有選擇的燒結粉末，通過控制激光功率、光斑大小、掃描速度、鋪粉厚度、掃描間距 等工藝參數(shù)。使羥基磷灰石粉末和45S5生物玻璃在激光照射下反應生成磷酸鈣，通過層層 疊加最終獲得三維多孔的磷酸鈣人工骨支架。
[0010] ⑶清粉處理：燒結完成后，將骨支架從激光選區(qū)燒結平臺上取出，利用酒精沖洗 和氣槍沖刷等方法去除末燒結的多余粉末，最終得到具有多孔結構的磷酸鈣人工骨支架。 [0011] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：
[0012] ①磷酸鈣的化學合成、其多孔結構的生成與復雜外形的形成是在激光選區(qū)燒結時 同時實現(xiàn)；
[0013] ②利用羥基磷灰石粉末和45S5生物玻璃化學合成的磷酸鈣比直接利用磷酸鈣粉 末燒結的骨支架具有更高的力學性能；
[0014] ③45S5生物玻璃的熔點在1060°C左右，低于磷酸鈣合成溫度，會在化學合成之前 發(fā)生熔融，為材料的致密提供表面張力，有利于燒結的進行。
[0015] ④涉及一種利用激光制備磷酸鈣多孔骨支架的方法，該方法具有制備工藝簡單、 操作方便、材料利用率高、產(chǎn)品性能良好、適用范圍廣泛的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1原始羥基磷灰石粉末
[0017] 圖2原始45S5生物玻璃
[0018] 圖3制備的多孔支架的XRD圖譜（主要成分為β -TCP)
[0019] 圖4多孔骨支架的壓縮性能測試（a)直接燒結β -TCP制備的陶瓷支架（b)HA添 加15wt% 45S5玻璃所制備的磷酸鈣陶瓷支架 具體實施例
[0020] 下面結合一個實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步描述，但本發(fā)明之內容并 不局限于此。
[0021] 1)采用納米羥基磷灰石粉末和45S5生物玻璃為原料，其中納米羥基磷灰石（南 京埃普瑞納米材料有限公司）采用溶膠-凝膠法制備，長針狀，寬約20nm，長約150nm，平 均粒徑< 40nm，元素含量：Ca1Q(P04)6(0H)2彡99. 5%，重金屬< 8ppm，砷< lppm，干燥失重 0.59 %，灼燒失重2. 59 %，白度96, pH值7. 41，鹽酸不溶。物0.02 %。45S5生物玻璃的成 分重量比是：Si0245%、Na20 24. 5%、Ca0 24. 5%、P2056%，平均粒度為20微米。利用機械 混合法混合均勻，制得45S5生物玻璃質量分數(shù)為15 %的混合粉末。
[0022] 2)利用激光選區(qū)燒結機，在優(yōu)化組合工藝參數(shù)條件下：激光功率18W、掃描速度 1000mm/min、光斑直徑00. 5mm，掃描間距1mm和鋪粉厚度0. 125mm。按照骨支架界面輪廓信 息，對所制得的粉末進行選區(qū)燒結，完成一層后再進行下一層燒結，最終制備出具有互連多 孔的陶瓷人工骨支架。
[0023] 3)對所制得的陶瓷支架利用XRD進行化學組成表征，如圖3所示。結果表明支架 成分為磷酸三鈣（TCP)。表明羥基磷灰石和45S5玻璃已反應生成了磷酸三鈣，成功制備了 多孔磷酸鈣骨支架。
[0024] 4)對所制得的支架的機械性能進行了測試，如圖4所示，其壓縮強度可達 8. 67±0. 61MPa，斷裂韌性可達1. 36±0. 22MPa · m1/2,相比直接用磷酸三鈣粉末燒結制備骨 支架的 3. 12±0· 36MPa 和 1. 09±0· 17MPa · m1/2 分別提高了 170%和 24%。
【權利要求】
1. 一種利用激光燒結合成磷酸鈣陶瓷制備人工骨支架的方法，采用羥基磷灰石、45S5 生物玻璃混合粉末在激光選區(qū)燒結時化學合成磷酸鈣，同時提高骨支架的機械性能，最終 達到制備高性能生物陶瓷多孔骨支架的目的。 1) 燒結生物陶瓷粉末之前，在羥基磷灰石（HA)中添加一定比例的具有生物活性45S5 生物玻璃粉末。 2) 在激光燒結過程中，通過激光作用于材料所產(chǎn)生的高溫使羥基磷灰石（HA)與45S5 生物玻璃發(fā)生反應生成具有良好生物降解性和機械性能磷酸鈣（TCP)多孔骨支架。
2. 按照權利要求1中所述的方法，其特征在于：磷酸鈣的化學合成、骨支架多孔結構的 生成與復雜外形的形成是在激光選區(qū)燒結時同時實現(xiàn)。
3. 按照權利要求1中所述的方法，其特征在于：羥基磷灰石（HA)的含量為85wt%， 45S5生物玻璃的含量為15wt%。
4. 按照權利要求1中所述的方法，其特征在于：利用激光選區(qū)技術制備的骨支架具有 與客戶定制的外形，貫穿的內部多孔結構。
5. 按照權利要求1中所述的方法，其特征在于：所添加45S5生物玻璃在燒結中熔融能 為材料的致密化提供表面張力，有利于燒結的進行。
6. 按照權利要求1中所述的方法，其特征在于：利用羥基磷灰石（HA)粉末和45S5生物 玻璃化學合成的磷酸鈣比直接利用磷酸鈣粉末燒結具有更高的力學性能。且由于45S5生 物玻璃存在有利于骨形成所需的Si等元素，進一步能提高所制備的骨支架的生物學性能。
【文檔編號】C04B35/622GK104119072SQ201310144150
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月24日 優(yōu)先權日:2013年4月24日
【發(fā)明者】帥詞俊, 彭淑平, 李鵬健 申請人:中南大學