激光制備人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷燒結(jié)性能的方法
【專利摘要】一種激光制備人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷燒結(jié)性能的方法，屬于骨組織工程領(lǐng)域。針對在利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備多孔雙相磷酸鈣陶瓷(BCP)人工骨時，燒結(jié)件存在致密度低，力學性能不足的缺點，本發(fā)明提供了一種添加質(zhì)量分數(shù)為0.1～1％左旋聚乳酸(PLLA)提高BCP燒結(jié)性能的方法。其優(yōu)點在于：利用PLLA低溫熔融引入瞬態(tài)液相，能夠促進BCP顆粒的重排與致密化，從而提高BCP的燒結(jié)性能；在合理的工藝參數(shù)下，PLLA能夠充分氧化直至完全消失，避免了其在人工骨中的殘留，最終制備出完全由BCP構(gòu)成的高性能多孔人工骨。本發(fā)明涉及一種添加少量高分子材料提高磷酸鈣生物陶瓷激光燒結(jié)性能的方法，該方法具有操作工藝簡單、產(chǎn)品性能良好、適用范圍廣泛的特點。
【專利說明】激光制備人工骨中加少量聚乳酸提高陶瓷燒結(jié)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于骨組織工程領(lǐng)域，特別是在利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備多孔陶瓷人工骨時，提供了一種添加少量左旋聚乳酸(PLLA)提高雙相磷酸鈣陶瓷(BCP)燒結(jié)性能的方法。在燒結(jié)過程中，PLLA會經(jīng)歷熔融、碳化、氧化三個過程。利用PLLA低溫熔融引入瞬態(tài)液相促進BCP顆粒的重排與致密化，提高BCP的燒結(jié)性能。并通過選擇合理的工藝參數(shù)，使PLLA充分氧化直至完全消失，能夠避免其在人工骨中的殘留。最終制備出完全由BCP構(gòu)成的高性能多孔人工骨。
【背景技術(shù)】
[0002]磷酸鈣生物陶瓷具有良好的生物相容性，能與細胞表現(xiàn)出良好的親和性，被認為是當今最有潛力的骨替代材料。磷酸鈣生物陶瓷主要包括羥基磷灰石(Hydroxylaptite,HAP)和β-磷酸三鈣(β-Triealcium Phosphate, β -TCP)等。HAP具有良好的生物活性，能與人體骨形成牢固的骨鍵合，但其在體內(nèi)不易發(fā)生降解；β-TCP則為可降解生物陶瓷，在骨內(nèi)種植后能逐漸被降解和吸收，有利于新骨的長入。因此，為了獲得同時具備良好生物活性和生物降解性能的磷酸鈣生物陶瓷作為人工骨材料，制備一種由HAP和β -TCP構(gòu)成的雙相磷酸鈣陶瓷(Biphasic Calcium Phosphate,BCP)已成為骨組織工程領(lǐng)域的研究熱點。BCP的設(shè)計兼顧了穩(wěn)定相HAP和可降解相β -TCP的優(yōu)點，其目的是通過選擇合適的HAP/β-TCP比例，使得BCP人工骨在體內(nèi)不僅能與自然骨形成牢固的骨性結(jié)合，還能隨著新骨的長入逐漸被降解，從而為 新骨的生長提供豐富的鈣和磷。
[0003]理想的人工骨不僅要具有良好的生物學性能，還應(yīng)具有與植入部位相一致的外形和孔隙分布，并能夠?qū)崿F(xiàn)“個體化定制”。選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)是一種采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀零件的快速成型技術(shù)。利用快速成型技術(shù)制備三維多孔人工骨突出的特點是:(I)可以制造出任意復雜外形的三維實體，不需要特殊的模具、工具或人工干涉；(2)微孔的數(shù)量、大小、分布及形狀可控，并保證孔隙之間的完全貫通；(3)可根據(jù)骨缺損部位形狀的不同，迅速制備出具有個體特征的三維多孔支架。因此，SLS技術(shù)為實現(xiàn)BCP人工骨的三維多孔結(jié)構(gòu)提供了一條有效的解決途徑。
[0004]燒結(jié)過程可分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩種類型。固相燒結(jié)依靠原子擴散傳質(zhì)來形成連接，擴散速度慢，燒結(jié)時間長；液相燒結(jié)則是依靠液相的流動來實現(xiàn)傳質(zhì)，速度快、燒結(jié)時間短。HAP和β-TCP的熔點均高于燒結(jié)溫度，其燒結(jié)過程中不會出現(xiàn)液相，屬于固相燒結(jié)，需要足夠的燒結(jié)時間來實現(xiàn)致密化。而在SLS系統(tǒng)中，激光束對任何粉末顆粒的作用時間都非常短，一般為幾毫秒到幾十毫秒。因此，在SLS直接燒結(jié)BCP (HAP/β-TCP)陶瓷粉末制備人工骨過程中，在極短的激光作用時間內(nèi)，粉末顆粒往往來不及充分重排和致密化，燒結(jié)難以徹底完成，從而導致BCP人工骨存在致密度低、力學性能不足的缺點。
[0005]基于液相燒結(jié)機理可知，通過混合于陶瓷顆粒中的添加劑，在燒結(jié)時熔融形成液相，產(chǎn)生粘性流動，來促進陶瓷顆粒的重排與致密化，強化陶瓷顆粒的燒結(jié)，是提高陶瓷燒結(jié)件致密度和力學性能的一種有效途徑。在磷酸鈣生物陶瓷的液相燒結(jié)中，可選用的添加劑應(yīng)對其具有良好的潤濕性和一定的溶解性，主要包括左旋聚乳酸(Poly-lactic-acid，PLLA),聚己內(nèi)酯(Poly-caprolactone, PCL)，聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate, PMMA)等生物高分子材料。然而，生物高分子材料的降解產(chǎn)物呈酸性，在人體內(nèi)易于引起無菌性炎癥反應(yīng)。因此，在利用添加劑提高磷酸鈣生物陶瓷燒結(jié)性能的同時，應(yīng)避免其在人工骨中的殘留。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種在利用SLS技術(shù)制備多孔BCP人工骨時，通過添加少量PLLA提高BCP燒結(jié)性能的方法。在燒結(jié)過程中，PLLA會經(jīng)歷熔融、碳化、氧化三個過程。利用PLLA低溫熔融引入瞬態(tài)液相，能夠促進BCP顆粒的重排與致密化，從而提高BCP的燒結(jié)性能。通過選擇合理的工藝參數(shù)，使PLLA充分氧化直至完全消失，能夠避免PLLA在人工骨中的殘留。最終制備出完全由BCP構(gòu)成的高性能多孔人工骨。
[0007]本發(fā)明的制備工藝主要分為混粉、燒結(jié)成型兩個步驟。具體工藝為:
[0008]1、混粉:利用機械混合法將HAP和β -TCP粉末混合均勻，制得BCP粉末。然后，在BCP粉末中添加少量PLLA，利用機械混合法混合均勻，制得PLLA質(zhì)量分數(shù)為0.1~I %的BCP/PLLA混合粉末。其中，PLLA為無定形顆粒，平均粒徑為I~5 μ m，相對分子質(zhì)量為10000，粘度為0.51~1.0dl/g，玻璃化溫度為60~65°C，熔點為175~185°C。HAP為長針狀顆粒，長為150nm，寬為20nm，純度≤99.5% ; β-TCP顆粒粒徑為200nm，純度≤99% ；
[0009]2、燒結(jié)成型:將BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)，按缺損骨截面的輪廓要求和一定燒結(jié)距離間隔，控制激光有選擇地燒結(jié)BCP/PLLA混合粉末。燒結(jié)一層后，工作臺下降一個層厚度，再進行下一層的鋪料和燒結(jié)，這樣層層疊加，最終制得多孔BCP人工骨。其中，光斑直徑經(jīng)光學系統(tǒng)調(diào)整后可達50 μ m,鋪粉厚度為0.2mm。
[0010]本發(fā)明優(yōu)點在于:
[0011]USLS技術(shù)是逐點燒結(jié)成型的，利用SLS技術(shù)能夠制備任意復雜外形的，孔徑和孔隙分布可控的多孔結(jié)構(gòu)人工骨。
[0012]2、在燒結(jié)過程中，利用PLLA低溫熔融引入瞬態(tài)液相，有利于促進BCP顆粒的重排與致密化，提高BCP的燒結(jié)性能，從而改善BCP人工骨的力學性能。
[0013]3、通過選擇合理的工藝參數(shù)，PLLA能夠充分氧化直至完全消失，避免了 PLLA在BCP人工骨中的殘留。
[0014]4、涉及一種添加少量高分子材料提高磷酸鈣生物陶瓷激光燒結(jié)性能的方法，該方法制備工藝穩(wěn)定、操作過程簡單、產(chǎn)品性能良好、適用范圍廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為人工骨支架選擇性激光燒結(jié)工作原理。
[0016]圖2為未添加PLLA的BCP人工骨的微觀組織(經(jīng)腐蝕)。
[0017]圖3為添加PLLA質(zhì)量分數(shù)為I %的BCP人工骨的微觀組織(經(jīng)腐蝕)。
[0018]圖4為添加PLLA質(zhì)量分數(shù)為I %的BCP/PLLA混合粉末的FT-1R圖譜。
[0019]圖5為添加PLLA質(zhì)量分數(shù)為I %的BCP人工骨的FT-1R圖譜?！揪唧w實施方式】
[0020]下面結(jié)合一個實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。
[0021]一種在激光制備多孔陶瓷人工骨中添加少量PLLA提高BCP燒結(jié)性能的方法，將HAP和β -TCP粉末，按質(zhì)量比為1: 1，利用機械混合法，制得混合均勻的BCP粉末。然后，將少量PLLA添加至BCP粉末，利用機械混合法，制得PLLA質(zhì)量分數(shù)為I %的BCP/PLLA混合粉末。將所得BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)，燒結(jié)制備多孔BCP人工骨。其中，光斑直徑為2mm，鋪粉厚度為0.2mm，激光功率為10W，掃描速度為100mm/min。經(jīng)與未添加PLLA所得BCP人工骨對比，發(fā)現(xiàn)當在BCP粉末中添加質(zhì)量分數(shù)為I %的PLLA時，所得BCP人工骨微觀組織更加致密，晶粒分布更加均勻；顯微硬度由403.6±13.008HV提高至490.3+10.67IHV ;斷裂韌性由 1.32±0.103MPam1/2 增加至 1.72±0.105MPam1/2。這表明添加質(zhì)量分數(shù)為I %的PLLA能夠明顯提高BCP的燒結(jié)性能。傅里葉紅外衍射(FT-1R)測試結(jié)果顯示，在BCP/PLLA混合粉末燒結(jié)前后，C = O基團消失，說明在所得BCP人工骨中沒有PLLA的殘留。最終制備出完全由BCP 構(gòu)成的高性能多孔人工骨。
【權(quán)利要求】
1.一種在利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制備多孔陶瓷人工骨時，添加少量左旋聚乳酸(PLLA)提高雙相磷酸鈣陶瓷(BCP)燒結(jié)性能的方法，其制備工藝為: A、混粉:稱取羥基磷灰石(HAP)和β-磷酸三鈣(β-TCP)粉末，利用機械混合法將兩者混合均勻，制得BCP粉末，然后，將少量PLLA添加至BCP粉末，利用機械混合法，制得PLLA質(zhì)量分數(shù)為0.1~1%的BCP/PLLA混合粉末； B、燒結(jié)成型:將BCP/PLLA混合粉末置于自行研制的SLS系統(tǒng)，按缺損骨截面的輪廓要求和一定燒結(jié)距離間隔，控制激光有選擇地燒結(jié)BCP/PLLA混合粉末,燒結(jié)一層后,工作臺下降一個層厚度，再進行下一層的鋪粉和燒結(jié)，這樣層層疊加，制得多孔BCP人工骨，光斑直徑經(jīng)光學系統(tǒng)調(diào)整后可達50 μ m,鋪粉厚度為0.2mm。
2.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:HAP為長針狀顆粒，長為150nm，寬為20nm,純度≥99.5% ；β -TCP顆粒粒徑為200nm，純度≥99% ；PLLA為無定形顆粒，平均粒徑為1~5 μ m，相對分子質(zhì)量為10000，粘度為0.51~1.0dl/g,玻璃化溫度為60~65°C，熔點為175~1850℃。
3.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:利用SLS技術(shù)能夠制備任意復雜外形的，孔徑和孔隙分布可控的多孔結(jié)構(gòu)人工骨。
4.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:利用PLLA低溫熔融引入瞬態(tài)液相，能夠促進BCP顆粒的重排與致密化，從而提高BCP的燒結(jié)性能，制備的多孔BCP人工骨致密程度高、組織均勻、力學性能明顯提高。
5.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:通過選擇合理的工藝參數(shù)，PLLA能夠充分氧化直至完全消失，避免了其在人工骨中的殘留，最終制備出完全由BCP構(gòu)成的高性能多孔人工骨。
6.按照權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于:涉及一種添加少量高分子材料提高磷酸鈣生物陶瓷激光燒結(jié)性能的方法，該方法制備工藝穩(wěn)定、操作過程簡單、產(chǎn)品性能良好、適用范圍廣泛。
【文檔編號】C04B35/447GK103467104SQ201210185006
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7日
【發(fā)明者】帥詞俊, 彭淑平, 劉景琳, 聶毅, 胡煥隆, 高成德 申請人:中南大學