[发明专利]一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料

说明书

本发明公开了一种3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料，还公开了一种3D打印方法；所述3D打印喷头可以实现精确挤出精细的物料。所述3D打印喷头包括滚珠结构的接触式喷嘴，滚珠结构的接触式喷嘴优选用于打印实体的、无跨度的结构；所述3D打印喷头还包括非接触式喷嘴，非接触式喷嘴优选用于打印有跨度的结构。所述3D打印装置可以实现精确走位，打印较为精细和致密的结构。所述3D打印方法包括喷头、以及包含该喷头的3D打印装置和3D打印工艺的选择。所述3D打印工艺的选择包含喷嘴的理论推导和实验验证。

技术领域

本发明涉及3D打印装置及3D打印材料技术领域，特别涉及一种用于生物陶瓷浆料的3D打印喷头及包括该喷头的3D打印装置以及用于该3D打印装置的生物陶瓷浆料。

背景技术

由于疾病和意外事故所导致的骨缺失给患者的生理上带来很大的痛苦和生活上极大的不便。此时，就需要对骨缺失部位进行修复，而修复就需要植入体修复材料。人造植入体根据材料的不同可分为金属植入体，陶瓷植入体，高分子植入体及它们之间的复合材料植入体。金属材料具有良好的机械性能，耐腐蚀性和生物相容性，是惰性骨修复材料的首选。不锈钢，钴铬合金和钛合金是较为常见的金属植入体材料。但这些材料的模量较高，易发生应力遮挡效应而导致骨修复失败。另外金属材料是惰性材料，有一定的服役年限，后期的取出和再次植入会对患者造成二次痛苦。高分子材料有可降解类材料或惰性类材料，但是高分子材料的机械性能不够理想而不能满足人体植入体的需要，并且高分子材料不具有骨诱导性，不利于骨组织的再生。生物陶瓷材料，如羟基磷灰石，因其与人体骨成分一致而具有良好的生物相容性，骨传导性和骨诱导性。尤其是骨诱导性，将对于骨组织再生和重建有着重要和积极的促进作用。

但是，陶瓷材料的本征脆性决定了单一的陶瓷难以胜任骨修复植入体，而必须引入第二种或第三种骨修复材料。高分子材料，如聚己内酯已经被证明具有良好生物相容性，可降解性和较好的机械性能。因此，将具有骨诱导性的生物陶瓷材料和较好机械性能的高分子材料复合成为骨修复材料极佳的选择。为了促进骨组织的再生和重建，常常将骨修复材料做成支架材料。因为骨细胞如果能快速在支架内黏附，生长和分化，一方面能保证骨修复材料的成功制备，另一方面能加快骨组织的再生和重建。

传统的生物陶瓷材料的成型主要包括干压成型、半干压成型、可塑成型、注浆成型法、流延成型和等静压成型等。除了可塑成型和注浆成型外，其他成型工艺难以形成复杂的形状，例如镂空结构。

增材制造-3D打印技术的快速发展，使制备高精度的生物陶瓷材料制品成为可能。3D打印技术是通过首先建立模型，然后做切片和最后通过分层制造来实现打印的增材制造技术。其可以按照设计制备出形状复杂，尺寸可控和有序的空间结构，因此3D打印技术是制备支架材料最合适的技术。依据3D打印技术原理可将3D打印技术分为熔融沉积成型(FDM)、喷嘴挤压成型、立体光刻成型、粘结剂喷射成型、激光光固化成型、选择性激光烧结和熔融成型等。其中，激光光固化成型是利用激光固化陶瓷浆料中的光敏树脂，但目前光敏树脂生物相容性较差，利用光固化后往往还是通过后期烧结制备，这种方式会使生物陶瓷材料变脆。激光烧结和熔融成型中的激光具有较高的能量密度，与生物陶瓷材料作用时由于陶瓷材料的本征脆性会导致微裂纹的产生。喷墨打印喷出的粘结剂能够将陶瓷粉粘结起来，但这种方式制备的结构粗糙，致密度不高。熔融沉积成型也可以用来制备陶瓷复合材料，可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。但是在制备线材时难以使陶瓷粉均匀分散，同时该技术是将材料熔化，而喷嘴处温度降低容易发生堵塞。喷嘴挤压式基于熔融沉积制造，亦可实现陶瓷材料与高分子材料复合达到制备生物陶瓷的目的。该技术能够实现陶瓷粉体很好的分散，同时可以通过调节溶剂的含量来调节浆料粘度，进而获得最佳比例的浆料和3D打印效果。