基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型及制法与应用

摘要

本发明属于生物医学工程技术领域，公开了基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型及制法与应用。本发明的基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，该模型为陶瓷原始粉体经3D打印制得的磷酸钙陶瓷，包括若干个具有不同材料参数、或/和孔结构参数的筛选单元。本发明的制备方法包括：模型设计；配置光固化陶瓷3D打印浆料；3D打印，得到陶瓷坯体；将陶瓷坯体脱脂烧结，得到基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型。本发明还提供了该高通量筛选模型在筛选骨诱导材料中的应用。本发明设计并得到了多结构、多组分特征为一体的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，实现了高效率、低成本的磷酸钙陶瓷高通量制备和生物学评价，在生物医学材料领域具有较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型及制法与应用。

背景技术

磷酸钙生物陶瓷的化学成分与人体骨的无机成分接近，不仅具有较好的生物相容性，而且大量的研究证实其具有良好的骨诱导性，进而诱发良好的骨再生修复能力，因而在临床中得到了较为广泛的应用。通常而言，生物材料的骨诱导性是指植入动物的皮下或肌肉后产生的异位诱导成骨。因此，通过材料自身的优化设计，充分调动机体的自我修复能力，诱导并加快病变缺损部位的愈合再生，实现受损组织和器官的永久康复，具有良好的应用前景。

在传统的多孔磷酸钙陶瓷骨诱导性能研究中，通常使用的是尝试法或试错法，在揭示材料制备工艺、微观结构与材料性能规律，以及对材料物相成分、晶粒尺寸、孔结构和孔隙率等参数的调控与骨诱导性能优化等方面，往往要消耗大量的时间，且成本较高。自“材料基因组”提出以来，以材料数据库、高通量计算和高通量实验为核心三要素的“材料基因工程”得到了迅速的发展，有力推动了材料研发从传统试错法向理性设计下的高效实验新模式转变，极大加速了新材料的研发与上市应用。因此借助材料的高通量设计及制备，将影响材料性能的各种参数集成于一体，能够极大地减少材料的研发周期，提高研发效率。

3D打印技术由于具有较高的精度，能够打印复杂结构，制备过程较为简单，近些年来在磷酸钙陶瓷骨修复材料制备领域，特别是在骨缺损个性化修复方面展现出了较大的优势。虽然3D打印磷酸钙陶瓷展现出了一定的骨修复能力，但其骨诱导性能有待进一步提高。因此，迫切需要对影响3D打印磷酸钙陶瓷骨诱导性的材料学参数进行筛选和优化，以进一步提升其骨修复效果。传统的材料骨诱导性能评价或筛选方法是将不同组别的材料灭菌后，通过体外细胞培养技术和动物异位植入等生物学评价对材料骨诱导性能进行评估。不仅在体外细胞培养中要消耗大量的耗材和时间，操作过程繁杂，而且在进行体内骨诱导性能评价时，大量的材料需要更植入较多数量的动物进行实验。这不仅增加了实验工作强度，消耗大量实验耗材和动物，而且动物个体间的差异增加了实验结果的不确定性，影响骨诱导评价结果的可靠性。

因此，如何解决磷酸钙陶瓷的高通量制备，实现磷酸钙陶瓷骨诱导性能的高通量评价，能够在研发成本上和研发周期上实现“双减半”，进一步提升材料的骨诱导性和骨修复能力，满足临床对骨缺损再生修复材料的要求，是目前3D打印骨诱导磷酸钙陶瓷亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，其能实现3D打印磷酸钙陶瓷的高通量制备，并应用于材料骨诱导性能的高通量评价，筛选并优化磷酸钙陶瓷的骨诱导参数，解决3D打印磷酸钙陶瓷诱导性能不佳的问题。

本发明的目的之二在于，提供该基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的制备方法。

本发明的目的之三在于，提供该基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供的一种基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，该模型为经3D打印制得的多孔磷酸钙陶瓷，包括若干个具有不同材料参数、或/和孔结构参数的筛选单元。

优选地，所述筛选单元的数量大于等于2个。

本发明的部分实施方案中，所述模型为经光固化3D打印制得。

所述模型的外形结构为圆柱体、正方体或长方体。

本发明的部分实施方案中，所述材料参数包括物相成分、晶粒尺寸；

或/和所述孔结构参数包括孔的几何结构、孔径尺寸、孔隙率、孔的分布方式；

优选地，所述物相成分包括羟基磷灰石、磷酸三钙及其不同比例混合；

优选地，所述晶粒尺寸为100nm～5μm；

优选地，所述孔径尺寸为100～1000μm；

优选地，孔隙率为10％～90％；

优选地，单个筛选单元上孔的分布方式包括扇形分布、同心圆环状分布、阵列分布中的至少一种；

本发明模型的陶瓷骨架上有丰富的微孔，微孔尺寸为<10μm。

本发明中通过3D打印浆料配方的调整，可以实现陶瓷骨架上的微孔尺寸大小的调整。本发明的若干个具有不同材料参数、或/和孔结构参数的筛选单元可以随机分布，也可以根据筛选目的按一定规律分布。

优选地，仅孔隙率不同的筛选单元同一纵向分布；

更优选地，同一纵向分布的筛选单元的孔隙率分布呈梯度增加或梯度减小或随机分布形式。

本发明的一个实施例中，所述模型采用同一种材料制成，该模型包括4种孔几何结构，每种几何结构包括6种孔隙率。相同孔几何结构的不同孔隙率的筛选单元同一纵向、按孔隙率大小依次分布。

本发明的一个实施例中，所述模型各筛选单元的材料参数不同，该模型包括4种孔几何结构，每种几何结构包括6种不同物相组成。相同孔几何结构的不同物相组成的筛选单元同一纵向分布。

本发明的一个实施例中，所述模型采用同一种材料制成，该模型包括4种孔几何结构，每种几何结构包括6种不同孔径尺寸。相同孔几何结构的不同孔径尺寸的筛选单元同一纵向分布。

本发明利用计算机辅助设计、以及光固化3D打印技术在高精度和复杂结构陶瓷制备方面的优势，设计多结构特征组合的模型，利用多通道光固化3D打印设备和不同配方陶瓷浆料，制备多结构、多组分特征为一体的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，能够实现高效率、低成本的磷酸钙陶瓷高通量制备和生物学评价。

本发明提供的一种基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.模型设计：根据筛选条件的需要，利用计算机模型设计软件设计出包含所需筛选参数的高通量筛选数字模型；

步骤2.配置光固化陶瓷3D打印浆料：将包括有磷酸钙陶瓷原始粉体与光敏树脂的原料混合，配制出光固化陶瓷3D打印浆料；优选地，所述原料还包括有碳粉；

步骤3.3D打印：将步骤1设计的模型数据导入光固化3D打印机中，并将步骤2配置的浆料加入光固化3D打印机的料盒中，光固化3D打印成型，得到陶瓷坯体，去除支撑，并进行表面清洗；

步骤4.脱脂烧结：将步骤3制备的陶瓷坯体进行脱脂烧结，得到高通量骨诱导陶瓷筛选模型。

本发明的部分实施方案中，所述光敏树脂为水性或油性的丙烯酸类树脂。

本发明的部分实施方案中，所述步骤2中的磷酸钙陶瓷原始粉体平均粒径为0.2μm～20μm；或/和光固化陶瓷3D打印浆料中磷酸钙陶瓷原始粉体的含量30wt％～80wt％。

所述磷酸钙陶瓷原始粉体包括羟基磷灰石、磷酸三钙中的至少一种。

本发明的部分实施方案中，步骤3中光固化3D打印成型时，坯体固化所用紫外光波长范围为200～420nm。

本发明的部分实施方案中，所述步骤4中脱脂烧结时，先于200～600℃烧结，以脱除陶瓷坯体有机物；而后升温至800～1200℃烧结。

本发明的部分实施方案中，所述步骤4中，先以0.2℃/min～5℃/min速率升温至200℃～300℃，保温1～4小时后，再以0.2℃/min～5℃/min速率升温至400℃～600℃，保温1～4小时后，以0.2℃/min～10℃/min的速率升温至800～1200℃，保温2～4小时。

本发明提供的基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型在筛选骨诱导材料中的应用。

本发明的基于3D打印的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型植入大动物(犬、猪、猴)的背部肌肉内，结合micro-CT和组织学分析，可实现其骨诱导性的高通量实验评价，筛选具备最优骨诱导性的材料组分和结构特征。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学，构思巧妙，利用计算机辅助设计，将影响骨诱导性能的材料学参数和结构参数集成于一个模型当中，实现了磷酸钙陶瓷的高通量设计；并结合光固化3D打印技术，将高通量筛选数字模型转化为实体，制备得到多结构、多组分特征为一体的磷酸钙陶瓷坯体，经脱脂烧结制备得到最终含多个结构和组分特征的组合式磷酸钙陶瓷，实现了骨诱导磷酸钙陶瓷的高通量制备。

本发明将制备的高通量磷酸钙陶瓷进行动物肌内植入，应用于材料骨诱导性能的高通量评价，实现了磷酸钙陶瓷骨诱导性能参数的高通量筛选；减少和避免了人为因素及动物个体间的差异对筛选结果的影响，得到的筛选结果可靠性较高。同时，整个筛选过程减少了人力、物力的消耗，节省成本，缩减了评价周期，提高了筛选效率。

本发明突破传统磷酸钙陶瓷单个制备和评价效率低、成本高的不足，基于光固化3D打印技术实现多结构多组成特征磷酸钙陶瓷的一体化制备，并通过后续少量动物实验、micro-CT和组织学分析，实现高效率、低成本的磷酸钙陶瓷高通量制备和生物学评价，在生物医学材料领域具有较好的应用前景。

附图说明

附图1为本发明实施例1的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型结构示意图；

附图2为本发明实施例1的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的宏观形貌图，其中A为侧视图，B为俯视图。

附图3为本发明实施例1的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的XRD图；

附图4为本发明实施例1的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的微观形貌图。

附图5为本发明实施例1中磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的的体内骨诱导性评估实验图。

具体实施方式

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例。

本发明实施例中所述的计算机模型设计软件为Solidworks，也可以采用Rhino，Pro/Engineer，Unigraphics NX(UG)，MaterialiseMagics及其他市售的计算机模型设计软件。

实施例1

本实施例公开了制备不同孔几何结构和孔隙率的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，并考察了不同孔几何结构和孔隙率对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响。本发明的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的制备方法，包括以下步骤：

(1)模型设计：

通过计算机模型设计软件设计磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，本实施例的模型采用同一种材料制成，考虑材料烧结后的收缩，并为保证筛选实验的进行，设计模型尺寸为直径17mm，高度为34mm。该模型包括4种孔几何结构，每种几何结构包括6种孔隙率，相同几何结构的不同孔隙率的筛选单元同一纵向、按孔隙率大小依次分布，如附图1所示：1所示纵列的筛选单元均为框孔结构，2所示纵列的筛选单元均为金刚石结构，3所示纵列的筛选单元均为金刚石多面体结构，4所示纵列的筛选单元均为三角结构。每一纵列又分为6种孔隙率：5所示为75％孔隙率的筛选单元、6所示为70％孔隙率的筛选单元，7所示为65％孔隙率的筛选单元，8所示为60％孔隙率的筛选单元，9所示为55％孔隙率的筛选单元，10所示为50％孔隙率的筛选单元。本实施例中各筛选单元的孔径均为450μm。

(2)配置光固化陶瓷打印浆料：

配置固含量为50wt％的浆料：称取30g双相磷酸钙陶瓷原始粉体(质量比HA：β-TCP＝3：7，平均粒径为2.1μm)、30g的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)光敏树脂(含2％苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦)，0.15g碳粉，通过球磨混合4h，配置得到混合均匀的陶瓷光固化浆料。

(3)光固化3D打印：

将设计好的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型数据导入光固化3D打印机中，并将配置的陶瓷光固化浆料置于料盒当中，在405nm波长条件下实现浆料固化成型，每层打印厚度为50μm。待打印完成后，将坯体置于无水乙醇中超声清洗，得到高通量磷酸钙陶瓷坯体。

(4)脱脂烧结：

将陶瓷坯体置于马弗炉中，在空气气氛下，以2℃/min的升温速率升至250℃，保温2h，然后以1℃/min的升温速率升至600℃保温2h实现坯体内有机物的脱除；接着以5℃/min的升温速率升至1100℃；保温2h，然后随炉冷却至室温得到磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，其尺寸为直径12mm，高度为24mm。

该磷酸钙陶瓷高通量筛选模型外形如附图2所示，其物相成分如附图3所示，微观形貌如附图4所示。

本实施例制得的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的陶瓷骨架上有丰富的微孔，微孔尺寸<10μm。(5)将制备得到的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型植入比格犬的背部肌肉中，分别植入4周、8周和12周后取出，结果显示，各筛选单元中新骨发生率及新骨生成量不相同。故根据模型的各个筛选单元中新骨发生率及新骨生成量，评价材料的孔隙率及孔几何结构对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响，从而筛选出骨诱导效果较佳的孔隙率及孔几何结构。本实施例制得的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的体内骨诱导性评估实验，即材料在比格犬背部肌内植入实验过程如附图5所示。

实施例2

本实施例公开了制备不同物相成分及孔几何结构的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，并考察了不同物相成分及孔几何结构对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响。本发明的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的制备方法，包括以下步骤：

本实施例公开了本发明的基于3D打印高通量磷酸钙陶瓷筛选模型的制备方法，包括以下步骤：

(1)模型设计：

通过计算机模型设计软件设计磷酸钙陶瓷高通量模型，本实施例的模型各筛选单元的材料参数不同。考虑材料烧结后的收缩，并为保证筛选实验的进行，设计模型尺寸为直径17mm，高度为34mm。该模型包括4种孔几何结构，每种几何结构包括6种不同物相组成，相同孔几何结构的不同物相组成的筛选单元同一纵向分布。4种几何结构分别为框孔结构、金刚石结构、金刚石多面体结构和三角结构；物相组成由HA和β-TCP按不同的质量百分比组成，HA:β-TCP质量比分别为0:10、2:8、4:6、6:4、8:2、10:0。本实施例中各筛选单元的孔径和孔隙率均相同，其中孔径为450μm，孔隙率为65％。

(2)配置光固化陶瓷打印浆料：

配置固含量为50wt％的浆料。各称取30g的6种不同成分的磷酸钙陶瓷原始粉体(HA:β-TCP质量比分别为0:10、2:8、4:6、6:4、8:2、10:0，平均粒径均为2.5-5.0μm)和30g的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)光敏树脂(含2％苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦)，0.15g碳粉，通过球磨混合4h，配置得到混合均匀的陶瓷光固化浆料。

(3)光固化3D打印：

将配置的陶瓷光固化浆料置于料盒当中，在405nm波长条件下实现浆料固化成型，每层打印厚度为25μm。待打印完成后，将坯体置于无水乙醇中超声清洗，得到高通量磷酸钙陶瓷坯体。

(4)脱脂烧结：

将陶瓷坯体置于马弗炉中，在空气气氛下，以2℃/min的升温速率升至250℃，保温2h，然后以0.5℃/min的升温速率升至600℃保温2h实现坯体内有机物的脱除。接着以3℃/min的升温速率升至1100℃。保温2h，然后随炉冷却至室温得到磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，其尺寸为直径12mm，高度为24mm。

本实施例制得的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的陶瓷骨架上有丰富的微孔，微孔尺寸<10μm。

(5)将制备得到的一体化磷酸钙陶瓷高通量筛选模型植入比格犬的背部肌肉中，分别植入4周、8周和12周后取出，结果显示，各筛选单元中新骨发生率及新骨生成量不相同。根据该模型各个筛选单元中新骨发生率及新骨生成量，评价材料的物相成分及孔几何结构对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响，从而筛选出骨诱导效果较佳的物相成分及孔几何结构。

实施例3

本实施例公开了制备不同孔几何结构及孔径的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，并考察了不同孔几何结构及孔径参数对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响。本发明的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的制备方法，包括以下步骤：

(1)模型设计：

通过计算机模型设计软件设计磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，本实施例的模型采用同一种材料制成，考虑材料烧结后的收缩，并为保证筛选实验的进行，设计模型尺寸为直径17mm，高度为34mm。该模型包括4种孔几何结构，每种孔几何结构包括6种不同孔径尺寸。相同孔几何结构的不同孔径尺寸的筛选单元同一纵向分布。4种孔几何结构分别为对框孔结构、金刚石结构、金刚石多面体结构和三角结构；6种孔径尺寸分别为300μm、450μm、600μm、750μm、900μm和1050μm。本实施例中各筛选单元的孔隙率均为65％。

(2)配置光固化陶瓷打印浆料：

配置固含量为50wt％的打印浆料。称取30g双相磷酸钙陶瓷原始粉体(质量比HA：β-TCP＝3：7，平均粒径为1.2μm)、30g的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)光敏树脂(含2％苯基双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)氧化膦)，0.3g碳粉，通过球磨混合4h，配置得到混合均匀的陶瓷光固化浆料。

(3)光固化3D打印：

将配置的陶瓷光固化浆料置于料盒当中，在405nm波长条件下实现浆料固化成型，每层打印厚度为50μm。待打印完成后，将坯体置于无水乙醇中超声清洗，得到高通量磷酸钙陶瓷坯体。

(4)脱脂烧结：

将陶瓷坯体置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率升至250℃，保温2h，然后以1℃/min的升温速率升至600℃保温2h，然后随炉冷却至室温。接着将脱脂后的坯体转移至常规马弗炉中，以2℃/min的升温速率下至1100℃，保温2h，然后随炉冷却至室温得到磷酸钙陶瓷高通量筛选模型，其尺寸为直径12mm，高度为24mm。

本实施例制得的磷酸钙陶瓷高通量筛选模型的陶瓷骨架上有丰富的微孔，微孔尺寸<10μm。

(5)将制备得到的一体化磷酸钙陶瓷高通量筛选模型植入比格犬的背部肌肉中，分别植入4周、8周和12周后取出，结果显示，各筛选单元中新骨发生率及新骨生成量不相同。根据该模型各个筛选单元中新骨发生率及新骨生成量，评价材料的孔几何结构及孔径尺寸对磷酸钙陶瓷骨诱导性能的影响，从而筛选出骨诱导效果较佳的孔几何结构及孔径尺寸参数。

实施例4

本实施例与实施例1相比，光固化陶瓷3D打印浆料中磷酸钙磷酸钙陶瓷原始粉体的含量为30wt％，其余条件均相同，制得磷酸钙陶瓷高通量筛选模型。

实施例5

本实施例与实施例1相比，光固化陶瓷3D打印浆料中磷酸钙磷酸钙陶瓷原始粉体的含量为80wt％，其余条件均相同，制得磷酸钙陶瓷高通量筛选模型。

本发明实施例中的光固化陶瓷3D打印浆料中磷酸钙磷酸钙陶瓷原始粉体的含量为30wt％～80wt％时，同样能制得磷酸钙陶瓷高通量筛选模型。

上述实施例仅为本发明较优实施例，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。