一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工程支架及

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109180175 A(43)申请公布日 2019.01.11

(21)申请号 201811249687.7(22)申请日 2018.10.25

(71)申请人 河北大洲智造科技有限公司

地址 071000 河北省保定市北二环路5699

号大学科技园8号楼202室(72)发明人 杨景周　杨景浩　杨东娜　张可　

张大琛　段薛鹏　(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569

代理人 刘奇(51)Int.Cl.

C04B 35/447(2006.01)C04B 35/622(2006.01)C04B 35/626(2006.01)C04B 35/638(2006.01)B33Y 10/00(2015.01)

权利要求书1页 说明书5页

B33Y 70/00(2015.01)A61L 27/10(2006.01)A61L 27/12(2006.01)A61L 27/02(2006.01)A61L 27/50(2006.01)A61L 27/56(2006.01)

(54)发明名称

一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制

骨组织工程支架及其应用备方法、

(57)摘要

本发明提供了一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工程支架及其应用，涉及陶瓷材料技术领域。本发明提供的生物陶瓷料浆包括以下重量百分比含量的组分：锂造石纳米粉体0.1～10％，β-磷酸三钙粉体40～70％，光敏树脂20～50％，光引发剂0.1～2％，分散剂0.5～2％，所述各组分的重量百分比之和为100％。

CN 109180175 ACN 109180175 A

权　利　要　求　书

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1.一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆，包括以下重量百分比含量的组分：锂造石纳米粉体0.1～10％，β-磷酸三钙粉体40～70％，光敏树脂20～50％，光引发剂0.1～2％，分散剂0.5～2％，所述各组分的重量百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的生物陶瓷料浆，其特征在于，所述锂造石纳米粉体的粒径为20～200nm；所述β-磷酸三钙粉体的粒径为0.2～20μm。

3.根据权利要求1所述的生物陶瓷料浆，其特征在于，所述β-磷酸三钙粉体由微米粉体与纳米粉体组成；所述微米粉体与纳米粉体的质量比为4:1。

4.根据权利要求1所述的生物陶瓷料浆，其特征在于，所述光敏树脂包括述环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或聚醚丙烯酸酯中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的生物陶瓷料浆，其特征在于，所述光引发剂包括2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮或苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的生物陶瓷料浆，其特征在于，所述分散剂包括三聚磷酸钠、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵或dolapixCE64中的一种或多种。

7.权利要求1～6任一项所述生物陶瓷料浆的制备方法，包括以下步骤：将锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体湿法球磨混合12～36h后干燥，得到固体相；将光敏树脂、光引发剂和分散剂，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到液体相；将所述固体相添加到所述液体相中，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到生物陶瓷浆料。

8.一种骨组织工程支架，由权利要求1～6任一项所述的生物陶瓷料浆或权利要求7所述制备方法制得的生物陶瓷料浆通过光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结制备得到。

9.根据权利要求8所述的骨组织工程支架，其特征在于，所述光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结条件：光源为紫外光，波长为315～400nm，光固化层厚为20～150μm，曝光强度为50～200mJ/cm2，曝光时间为1～10s；所述高温脱脂的温度为400～700℃，高温脱脂的时间为24～72h；所述高温烧结的温度为1150～1350℃，高温烧结的为时间2～6h。

10.权利要求8所述骨组织工程支架在骨骼缺损再生修复领域中的应用。

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一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工

程支架及其应用

技术领域

[0001]本发明涉及陶瓷材料领域，尤其涉及一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工程支架及其应用。背景技术

[0002]生物陶瓷具有良好的生物相容性和降解性能，是一种应用前景广泛的骨缺损修复材料。

[0003]在外科临床工作中，由于骨缺损或者组织填允需要而要求植骨的情况十分多见，但自体骨的来源有限，体积、形态的塑造均受到很大限制，且会对供区组织的连续性造成破坏，并有引起并发症的风险；同种异体骨可能引起免疫排斥反应，少数甚至可引发传染性疾病，且供体数量也十分有限，所以两者的临床应用受到很大限制。因此，生物陶瓷骨支架的制备和临床应用成为研究热点。

[0004]3D打印技术也称为增材制造，具有突出的优点，无需像传统减材制造和等材制造一样进行机械加工或模具加工，就能直接从计算机三维图形数据中生成任何形状的骨支架，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。陶瓷材料成型加工难的问题限制了其在工业领域和医疗健康领域的应用。3D打印可以成型任何复杂形状的陶瓷制品，为制备解剖学形态匹配和精细孔道结构的生物陶瓷骨组织工程支架提供了新的技术途径。

[0005]光固化3D打印是一项新型的陶瓷材料成型工艺，但需要专用陶瓷料浆才能实现光固化3D打印，然而，目前没有专门应用于光固化3D打印的生物陶瓷料浆来制备骨组织工程支架。

发明内容

[0006]鉴于此，本发明的目的在于提供一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工程支架及其应用。本发明提供的生物陶瓷料浆可以用于 3D打印，制备得到的骨组织工程支架具有力学性能优良，孔隙率高，孔道结构精细可控的特性，可用于修复缺损的骨骼。

[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：[0008]本发明提供了一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆，包括以下重量百分比含量的组分：锂造石纳米粉体0.1～10％，β-磷酸三钙粉体40～70％，光敏树脂 20～50％，光引发剂0.1～2％，分散剂0.5～2％，所述各组分的重量百分比之和为100％。[0009]优选地，所述锂造石纳米粉体的粒径为20～200nm。[0010]优选地，所述β-磷酸三钙粉体的粒径为0.2～20μm。[0011]优选地，所述β-磷酸三钙粉体由微米粉体与纳米粉体组成。[0012]优选地，所述微米粉体与纳米粉体的质量比为4:1。

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优选地，所述光敏树脂包括述环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或聚

醚丙烯酸酯中的一种或多种。[0014]优选地，所述光引发剂包括2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮或苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种。[0015]优选地，所述分散剂包括三聚磷酸钠、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵或dolapixCE64中的一种或多种。

[0016]本发明还提供了上述技术方案所述生物陶瓷料浆的制备方法，包括以下步骤：[0017]将锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体湿法球磨混合12～36h后干燥，得到固体相；[0018]将光敏树脂、光引发剂和分散剂，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到液体相；

[0019]将所述固体相添加到所述液体相中，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到生物陶瓷浆料。

[0020]本申请还提供了一种骨组织工程支架，所述骨组织工程支架由生物陶瓷料浆通过光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结制备得到。[0021]优选地，所述光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结条件：光源为紫外光，波长为315～400nm，光固化层厚20～150μm，曝光强度50～200mJ/cm2，曝光时间1～10s。脱脂温度400～700℃，脱脂时间24～72h；烧结温度1150～1350℃，烧结时间2～6h。

[0022]本发明还提供了上述技术方案所述骨组织工程支架在骨骼缺损再生修复领域中的应用。

[0023]本发明提供了一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆，包括以下重量百分比含量的组分：锂造石纳米粉体0.1～10％，β-磷酸三钙粉体40～70％，光敏树脂 20～50％，光引发剂0.1～2％，分散剂0.5～2％，所述各组分的重量百分比之和为100％。本发明的固相主体材料为锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体，能够均匀分散于光敏树脂中，形成稳定的混悬液；光敏树脂为液相材料，光引发剂和分散剂，能够在紫外光照射下固化将生物陶瓷粉体牢固地粘结到一起。制备得到的生物陶瓷浆料流动性好，均匀稳定，可在常规条件下保存；经过光固化3D打印制备得到的骨组织工程支架具有具有力学性能优良，孔隙率高，孔道结构精细可控的特性，当骨组织工程支架应用于修复缺损骨骼中，可承载生物应力，能够被人体吸收，促进骨骼再生。具体实施方式

[0024]本发明提供了一种光固化3D打印用生物陶瓷料浆，包括以下重量百分比的组分：锂造石纳米粉体0.1～10％，β-磷酸三钙粉体40～70％，光敏树脂 20～50％，光引发剂0.1～2％，分散剂0.5～2％，所述各组分的重量百分比之和为100％。

[0025]本发明提供的生物陶瓷料浆包括重量百分比为0.1～10％的锂造石纳米粉体，优选为0.1～5％，更优选为0.1～2％。在本发明中，所述锂造石纳米粉体的粒径优选为20～200nm，更优选为20～100nm。本发明对所述锂造石纳米粉体的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述锂造石纳米粉体能够提高料浆粘度，增强悬浮稳定性。

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本发明提供的生物陶瓷料浆包括重量百分比为40～70％的β-磷酸三钙粉体，优选

为45～65％，更优选为50～60％。在本发明中，所述β-磷酸三钙粉体的粒径优选为0.2～20μm，更优选为0.2～5μm。本发明对所述β-磷酸三钙粉体的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明中，所述β-磷酸三钙粉体作为生物陶瓷固相主体，可均匀分散到液相中。

[0027]本发明提供的生物陶瓷料浆包括重量百分比为20～50％的光敏树脂，优选为25～45％，更优选为30～40％。在本发明中，所述光敏树脂优选包括环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯或聚醚丙烯酸酯中的一种或多种。本发明对所述光敏树脂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述光敏树脂能够在光引发剂作用下通过紫外光照射固化将生物陶瓷粉体固相粘结在一起。

[0028]本发明提供的生物陶瓷料浆包括重量百分比为0.1～2％的光引发剂，优选为0.2～1.5％，更优选为0.3～0.1％。在本发明中，所述光引发剂优选包括2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮或苯甲酰甲酸甲酯中的一种或多种。本发明对所述光引发剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述光引发剂能够在紫外光照射下激发光敏树脂固化。

[0029]本发明提供的生物陶瓷料浆包括重量百分比为0.5～2％的分散剂，优选为 0.5～1.5％，更优选为0.5～1％。在本发明中，所述分散剂优选包括三聚磷酸钠、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸铵或dolapixCE64中的一种或多种。本发明对所述光分散剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述分散剂能够提高生物陶瓷固相在料浆中的悬浮稳定性。

[0030]本发明还提供了上述技术方案所述生物陶瓷料浆的制备方法，包括以下步骤：[0031]将锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体湿法球磨混合12～36h后干燥，得到固体相；[0032]将光敏树脂、光引发剂和分散剂，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到液体相；

[0033]将所述固体相添加到所述液体相中，磁力、机械力或微波混合10～60min，得到生物陶瓷浆料。

[0034]本发明将锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体混合后干燥，得到固体相。[0035]在本发明中，所述锂造石纳米粉体和β-磷酸三钙粉体的混合介质优选为无水乙醇；所述混合方式优选为湿法球磨；所述湿法球磨的时间优选为12～24h, 更优选为18～24h。

[0036]在本发明中，所述干燥温度优选为50～65℃；所述干燥的时间优选为 50～60℃。本发明对所述干燥方式没有特殊的限制，采用本领域的常规干燥方式即可。[0037]本发明将光敏树脂、光引发剂和分散剂混合，得到液体相。[0038]在本发明中，所述光敏树脂、光引发剂和分散剂的混合方式优选为磁力搅拌或机械搅拌；所述搅拌的时间优选为30～50min，更优选为35～50min。[0039]得到所述固体相和液体相后，本发明将所述固体相添加到所述液体相中，得到生物陶瓷浆料。

[0040]本发明将所述固体相添加到所述液体相中后优选进行磁力搅拌或机械搅拌；所述

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搅拌时间优选为20～60min，更优选为45～60min。

[0041]本申请还提供了上述技术方案所述生物陶瓷浆料通过光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结制备得到的一种骨组织工程支架。[0042]在本发明中，所述光固化3D打印的光源优选为紫外光；波长优选为 315～400nm；光固化层厚优选为20～100μm，更优选为30～60μm，曝光强度优选为50～150mJ/cm2，更优选为80～120mJ/cm2，曝光时间优选为1～5s，更优选为2～4s；所述高温脱脂的温度优选为450～600℃，更优选为500～550℃，时间优选为42～48h，更优选为30～36h；所述高温烧结温度优选为1200～1300℃，时间优选为2～4h。

[0043]本发明还提供了上述技术方案所述骨组织工程支架在骨骼缺损再生修复领域中的应用。

[0044]下面结合实施例对本发明提供的光固化3D打印用生物陶瓷料浆及其制备方法、骨组织工程支架及其应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0045]实施例1

[0046]按照重量含量，将5％锂造石纳米粉体和53％β-磷酸三钙粉体在无水乙醇中湿法球磨18h，60℃下干燥24h，得到固体相；[0047]将40％光敏树脂、1％光引发剂和1％分散剂，磁力搅拌20min，得到液体相；[0048]将固体相添加到液体相中，机械力搅拌40min，得到生物陶瓷浆料；[0049]将得到的生物陶瓷浆料通过光固化3D打印、高温脱脂和高温烧结制备得到骨组织工程支架。光固化3D打印条件：光源为紫外光，波长为400nm，光固化层厚50μm，曝光强度100mJ/cm2，曝光时间2s；高温脱脂条件为：脱脂温度500℃，升温速率为5℃/min，脱脂时间30h，随炉冷却；高温烧结条件为：烧结温度1250℃，升温速率为10℃/min，烧结时间3h，随炉冷却，制备得到骨组织工程支架。[0050]经检测，该光固化3D打印生物陶瓷骨组织工程支架耐压强度达到 27MPa，高于松质骨的强度；孔隙率达到75％；孔道结构三维连通，孔径500μm；12个月内可再生修复缺损的骨骼。

[0051]实施例2

[0052]按照实施例1的方式，制备生物陶瓷浆料及骨组织工程支架。生物陶瓷浆料的重量百分比含量为：0.1％锂造石纳米粉体、58％β-磷酸三钙粉体、40％光敏树脂、1％光引发剂和0.9％分散剂。

[0053]光固化3D打印条件：光源为紫外光，波长为400nm，光固化层厚50μm，曝光强度100mJ/cm2，曝光时间2s；高温脱脂条件为：脱脂温度500℃，升温速率为5℃/min，脱脂时间30h，随炉冷却；高温烧结条件为：烧结温度1250℃，升温速率为10℃/min，烧结时间3h，随炉冷却，制备得到骨组织工程支架。[0054]经检测，制备得到的生物陶瓷骨组织工程支架耐压强度达到22MPa；孔隙率达到80％；孔道结构三维连通，孔径450μm；12个月内再生修复缺损的骨骼。[0055]实施例3

[0056]按照实施例1的方式，制备生物陶瓷浆料及骨组织工程支架。生物陶瓷浆料的重量百分比含量为：2.2％锂造石纳米粉体、60％β-磷酸三钙粉体、36.5％光敏树脂、0.8％光引

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发剂和0.5％分散剂。

[0057]光固化3D打印条件：光源为紫外光，波长为400nm，光固化层厚50μm，曝光强度100mJ/cm2，曝光时间2s；高温脱脂条件为：脱脂温度500℃，升温速率为5℃/min，脱脂时间30h，随炉冷却；高温烧结条件为：烧结温度1250℃，升温速率为10℃/min，烧结时间3h，随炉冷却，制备得到骨组织工程支架。[0058]经检测，制备得到的生物陶瓷骨组织工程支架耐压强度达到15MPa；孔隙率达到90％；孔道结构三维连通，孔径200μm；12个月内再生修复缺损的骨骼。[0059]实施例4

[0060]按照实施例1的方式，制备生物陶瓷浆料及骨组织工程支架。生物陶瓷浆料的重量百分比含量为：5％锂造石纳米粉体、60％β-磷酸三钙粉体、33％光敏树脂、1％光引发剂和1％分散剂。

[0061]光固化3D打印条件：光源为紫外光，波长为400nm，光固化层厚50μm，曝光强度100mJ/cm2，曝光时间2s；高温脱脂条件为：脱脂温度500℃，升温速率为5℃/min，脱脂时间30h，随炉冷却；高温烧结条件为：烧结温度1250℃，升温速率为10℃/min，烧结时间3h，随炉冷却，制备得到骨组织工程支架。[0062]经检测，制备得到的生物陶瓷骨组织工程支架耐压强度达到35MPa；孔隙率达到70％；孔道结构三维连通，孔径250μm；12个月内再生修复缺损的骨骼。[0063]实施例5

[0064]按照实施例1的方式，制备生物陶瓷浆料及骨组织工程支架。生物陶瓷浆料的重量百分比含量为：5％锂造石纳米粉体、56％β-磷酸三钙粉体、38％光敏树脂、0.5％光引发剂和0.5％分散剂。

[0065]光固化3D打印条件：光源为紫外光，波长为400nm，光固化层厚50μm，曝光强度100mJ/cm2，曝光时间2s；高温脱脂条件为：脱脂温度500℃，升温速率为5℃/min，脱脂时间30h，随炉冷却；高温烧结条件为：烧结温度1250℃，升温速率为10℃/min，烧结时间3h，随炉冷却，制备得到骨组织工程支架。[0066]经检测，制备得到的生物陶瓷骨组织工程支架耐压强度达到18MPa；孔隙率达到85％；孔道结构三维连通，孔径1000μm；12个月内再生修复缺损的骨骼。[0067]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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