一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，涉及3D打印技术领域，该方法包括：制备支撑材料，将制备完成的支撑材料置于模具中；将目标材料制备成用于挤出式打印的目标浆料；将含有支撑材料的模具放置于打印平台，并将所述目标浆料放入打印装置的料筒中；按照目标设计模型，通过打印装置的喷头在所述支撑材料中挤出所述目标浆料，得到打印模型；对所述打印模型进行冷冻固化，得到目标模型；对所述目标模型进行后处理，得到微观多孔结构材料。本发明专利技术将3D打印与冷冻固化成型相结合，通过调节目标浆料的成分组成和成分浓度，制备出不同孔径和孔隙率的微观多孔结构材料。料。料。

A preparation method of micro porous structure materials prepared by freeze curing 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及3D打印
，尤其涉及一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着我国医疗技术水平的进步及人们生活水平的提高，使得发展研究能够修复或替代因骨肌系统常见疾病包括骨关节退行性变、脊柱创伤及退行性变、四肢创伤、骨缺损、骨质疏松及骨肿瘤等导致的人体缺损的自然骨的骨科植入器械具有重要意义。数字光处理（DLP，Digital Light Processing）、激光选区熔化（SLM，Selective Laser Melting）、激光选区烧结（SLS，Selective Laser Sintering）、墨水直写（DIW，Direct Ink Writing）等3D打印方法由于具有高的灵活性、可制备复杂结构件、相较于减材制造节省原材料、可进行个性化定制等优点，可以羟基磷灰石、磷酸钙、Ti 等生物医用材料为原料，根据不同患者病变组织的差异进行个性化定制打印，以此满足不同患者病变组织的修复和替换等要求，充分发挥材料性能。
[0003]值得注意的是，对于骨科植入物，通常需要打印组织具有良好孔隙率与力学性能。合适的孔径、孔隙率等参数可使材料的模量、密度和强度等与自然骨组织相匹配，且多孔结构有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，因此3D打印具有多孔结构的骨科植入物材料成为近年来研究的热点。但受限于3D打印设备的机械结构，所打印结构件的精度有限，对于多孔材料其最小壁厚为0.5mm以上，孔径通常大于50μm，而天然密质骨内的最小孔径为10μm，所以利用3D打印方法能够进行个性化制备复杂结构的优点，制备出合适孔径、孔隙率的生物医用材料具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，旨在解决3D打印制备出的多孔结构材料孔径和孔隙率精度有限的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，该制备方法包括：制备支撑材料，将制备完成的支撑材料置于模具中；将目标材料制备成用于挤出式打印的目标浆料；将含有支撑材料的模具放置于打印平台，并将所述目标浆料放入打印装置的料筒中；按照目标设计模型，通过打印装置的喷头在所述支撑材料中挤出所述目标浆料，得到打印模型；对所述打印模型进行冷冻固化，得到目标模型；对所述目标模型进行后处理，得到微观多孔结构材料。
[0006]可选地，所述支撑材料的主要成分为硅油、润滑脂、羟丙基甲基纤维素、琼脂、卡波
姆、明胶和海藻酸钠中的一种或多种。
[0007]可选地，所述目标材料为陶瓷粉末、玻璃粉末、金属粉末和高分子粉末中的一种或多种，所述将目标材料制备成用于挤出式打印的目标浆料的步骤包括：将所述目标材料、添加剂和水混合，并进行机械搅拌，形成初始浆料；对所述初始浆料进行分散处理，得到水基的目标浆料。
[0008]可选地，所述对所述打印模型进行冷冻固化的方式为冷冻干燥或冷冻铸造。
[0009]可选地，所述陶瓷粉末为羟基磷灰石粉、磷酸钙粉、硅酸钙粉、硫酸钙粉、氧化钛粉、氧化锆粉、氧化铝粉、氮化硼粉、石墨纤维粉、珍珠粉、贝壳粉、动物骨粉和球状/纤维碳化硅粉中的一种或多种；所述金属粉末为钛合金/钛粉、钽粉、镍钛合金粉、钴合金粉、铝合金粉、镁合金粉、锆合金粉中的一种或多种；所述高分子粉末为聚醚醚酮粉、聚醚酮酮粉、聚乳酸粉、聚氨酯粉、聚碳酸酯粉、尼龙粉、聚醚酰亚胺粉和石蜡粉中的一种或多种。
[0010]可选地，所述添加剂包括有机粘结剂和分散剂，其中，所述有机粘结剂为聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇、海藻酸钠、蔗糖和瓜尔胶中的一种或多种，所述分散剂为聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、Darvan CN、十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或多种。
[0011]可选地，当所述冷冻固化的方式为冷冻干燥时，冷冻固化的工艺包括：将含有打印模型和支撑材料的模具置于冷阱温度低于
‑
20℃且真空度不超过30Pa的真空环境下，放置时间不低于6h，干燥完成后取出，得到具有不定向微观多孔结构的目标模型。
[0012]可选地，当所述冷冻固化的方式为冷冻铸造时，冷冻固化的工艺包括：将盛有支撑材料和打印模型的模具置于传热介质上，通过对所述传热介质降温，使所述模具从接触所述传热介质的一端开始冷冻，待冷冻固化完成后将所述模具或所述支撑材料放入冷冻干燥机中进行真空干燥，得到具有定向微观多孔结构的目标模型。
[0013]可选地，所述目标材料粉末的粒径为0.005μm
‑
500μm；在对目标模型进行后处理时，根据所述目标材料的类型确定后处理工艺，其中，当目标材料为陶瓷粉末或金属粉末时，后处理工艺为脱脂后烧结，当目标材料为高分子粉末时，后处理工艺为直接烧结。
[0014]可选地，当所述目标材料为陶瓷粉末时，所述有机粘结剂的添加量为所述陶瓷粉末质量的0.1%
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25%，所述分散剂的添加量为所述陶瓷粉末质量的0.05%
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15%；当所述目标材料为玻璃粉末时，所述有机粘结剂的添加量为所述玻璃粉末质量的0.1%
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25%，所述分散剂的添加量为所述玻璃粉末质量的0.05%
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15%；当所述目标材料为金属粉末时，所述有机粘结剂的添加量为所述金属粉末质量的20%
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80%，所述分散剂的添加量为所述金属粉末质量的1%
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20%；当所述目标材料为高分子粉末时，所述有机粘结剂的添加量为所述高分子粉末质量的0%
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5%，所述分散剂的添加量为所述高分子粉末质量的0.05%
‑
2%。
[0015]本专利技术将3D打印与冷冻固化成型相结合，通过调节目标浆料中的成分组成和成分浓度，可以使得冷冻固化后的目标模型具有不同的孔径和孔隙率，实现多孔结构材料孔径和孔隙率的调节，且制备得到的多孔材料具有微观连通结构，有利于细胞增值分化，孔隙的排列可以是定向或者不定向的，满足多孔材料的不同使用需求，打印后冷冻成型不影响打印件层与层之间的结合，对打印件尺寸也无限制，同时也可利用五轴或六轴打印机打印无分层结构打印件，提高材料力学性能，基于平面切层路径或曲面路径打印出复杂形状和无各向异性（或各向异性）的打印件，目标浆料的原材料种类多、固相含量范围大、对浆料流变性等要求低。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例涉及的3D打印场景示意图；图2为本专利技术实施例涉及的打印模型冷冻干燥的场景示意图；图3为本专利技术实施例涉及的打印模型冷冻铸造的场景示意图；图4为本专利技术实施例涉及的具有定向多孔结构的目标模型示意图。
[0017]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：制备支撑材料，将制备完成的支撑材料置于模具中；将目标材料制备成用于挤出式打印的目标浆料；将含有支撑材料的模具放置于打印平台，并将所述目标浆料放入打印装置的料筒中；按照目标设计模型，通过打印装置的喷头在所述支撑材料中挤出所述目标浆料，得到打印模型；对所述打印模型进行冷冻固化，得到目标模型；对所述目标模型进行后处理，得到微观多孔结构材料。2.如权利要求1所述的冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述支撑材料的主要成分为硅油、润滑脂、羟丙基甲基纤维素、琼脂、卡波姆、明胶和海藻酸钠中的一种或多种。3.如权利要求1所述的冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述目标材料为陶瓷粉末、玻璃粉末、金属粉末和高分子粉末中的一种或多种，所述将目标材料制备成用于挤出式打印的目标浆料的步骤包括：将所述目标材料、添加剂和水混合，并进行机械搅拌，形成初始浆料；对所述初始浆料进行分散处理，得到水基的目标浆料。4.如权利要求1所述的冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述对所述打印模型进行冷冻固化的方式为冷冻干燥或冷冻铸造。5.如权利要求3所述的冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末为羟基磷灰石粉、磷酸钙粉、硅酸钙粉、硫酸钙粉、氧化钛粉、氧化锆粉、氧化铝粉、氮化硼粉、石墨纤维粉、珍珠粉、贝壳粉、动物骨粉和球状/纤维碳化硅粉中的一种或多种；所述金属粉末为钛合金/钛粉、钽粉、镍钛合金粉、钴合金粉、铝合金粉、镁合金粉、锆合金粉中的一种或多种；所述高分子粉末为聚醚醚酮粉、聚醚酮酮粉、聚乳酸粉、聚氨酯粉、聚碳酸酯粉、尼龙粉、聚醚酰亚胺粉和石蜡粉中的一种或多种。6.如权利要求3所述的冷冻固化3D打印制备微观多孔结构材料的制备方法，其特征在于，所述添加剂包括有机粘结剂和分散剂，其中，所述有机粘结剂为聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇、海藻酸钠、蔗糖和瓜尔胶中的一种或多种，所述分散剂为聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、Darvan CN、十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或多种。7.如权利要求4所述的冷冻固化3D打印制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：王法衡，伍言龙，刘亚雄，张清贤，覃利娜，石振明，马广才，李家振，杨蒙蒙，陈旭，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：