一种生物陶瓷坯体的制造方法技术领域
本发明涉及生物陶瓷材料生产领域，具体涉及一种生物陶瓷坯体的制造方法。
背景技术
随着数字化设计制造技术以及生物陶瓷材料的发展，骨骼修复体的应用日趋广
泛。人体骨骼形状复杂，牙齿更具有薄片特征和尖锐特征等不规则的形状。采用传统的计算
机数控加工骨骼修复体，加工设备的研制成本极高，铣削过程中伴随大量的材料浪费，不符
合绿色制造的要求。人体骨骼由松质骨和密质骨组成。松质骨呈疏松的海绵状，由骨小梁相
互连接形成，孔隙率为30％-90％；密质骨相对密实，孔隙率为5％-30％。人体骨骼既有1～
10μm的微孔又有100～800μm的大孔，属于多级孔隙结构。为提高骨骼修复体的生物兼容性，
促进人体组织的长入，修复体应具有多级孔隙结构。
制备多孔陶瓷的传统工艺有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、挤压成型
法、颗粒堆积法等。这些常用的方法可以制备出孔隙率较高、孔径均匀分布的多孔陶瓷，但
要制备出类似于天然骨结构的多级孔隙结构还有一定困难。
冷冻干燥法的原理是将浆料中的溶剂冷冻，然后在低压条件下将溶剂冰升华除
去，其余材料留在原位，最终形成与冰晶结构完全相同的多孔微结构。由于冰晶的生长呈树
枝状，存在较大的树枝以及较小的分支，干燥后形成的生坯具有多级孔隙结构。采用冷冻干
燥技术加工多级孔隙结构，传统的方法是冷冻浇注。冷冻浇注法加工三维零件时，需要事先
加工好相应的模具，浆料注入模具中进行冷冻干燥，脱模后，得到目标坯体。骨骼修复体的
形状极其复杂，个体之间存在较大的差异，采用冷冻浇注法加工骨骼修复体，需为每个患者
定做复杂模具，且模具为一次性使用，成本极高。冷冻干燥过程耗时长，其中以干燥过程耗
时最长，且干燥时间随物料厚度的增加而成倍增加。
3D打印技术是高新加工技术的重要分支，加工过程无需刀具、模具和夹具，相对于
传统的减法制造，在加工复杂形状产品时具有明显优势，且大大减少了加工过程中的材料
浪费。应用3D打印技术加工人体骨骼修复体，具有效率高、成本低、浪费少的优点。
生物陶瓷坯体的3D打印方法，按照材料状态的不同分为基于粉体和基于浆料两
种。基于粉体的3D打印方法，采用粘结剂将生物陶瓷颗粒粘连在一起使其成形，这种方法难
以控制坯体的孔隙结构。基于浆料的3D打印方法，主要通过蒸发溶剂的方法使浆料固化成
形，溶剂蒸发的过程存在气液界面，由于张力的作用，使孔隙结构不可控。基于浆料的3D打
印方法还包括立体光固化成型法(SLA)，这种方法设备和材料成本较高。
专利号CN104108131A公布了一种陶瓷材料的3D打印成型方法按照打印程序将浆
料喷射而出，通过冷冻使坯体定型，最后采用冷冻干燥或普通干燥的方式对坯体进行干燥
处理。这种技术受其喷射工艺的限制，浆料固含量的适用范围窄。
发明内容
本发明的目的就是提供一种生物陶瓷坯体的制造方法，其可有效解决上述问题，
生物陶瓷坯体的生产效率高、成本低、操作简便。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种生物陶瓷坯体的制造方法，包括如下操作步骤：
S1：建立目标坯体的三维模型，对三维模型进行分层处理，获取每层轮廓路径数
据；配制具有冷冻干燥特性的浆料；
S2：在低温环境下，通过刮片在打印平台上铺设一层浆料，采用冷冻板使铺设的浆
料快速凝固；采用激光扫描设备依据步骤S1中获取的轮廓路径数据对该层凝固的浆料进行
选择性的辐照，去除轮廓处浆料中的粘结剂，然后调节打印平台的高度降低一层；
S3：重复步骤S2，通过层层累积，制得被凝固浆料包围的凝固态坯体；去除凝固态
坯体外部的凝固浆料，然后将凝固态坯体置于冷冻干燥机中干燥处理后即可得到目标坯
体。
具体的方案为，步骤S2中低温环境是指温度<-0℃的环境，优选<-20℃的环境；步
骤S3中激光扫描设备为X-Y双坐标激光扫描设备，辐照时激光波长为10.6μm，激光功率为1
～100W，激光扫描速度为10～100mm/s。干燥处理的环境为低压环境。
浆料的配制是实现本发明的关键，浆料组份包括5～90重量份的生物陶瓷粉体、1
～30重量份的粘接剂、其余为溶剂。另外，可选择性添加分散剂、抗冻剂等添加剂。
溶剂可采用水、莰烯，优选选用水。
粘接剂采用水溶性的有机粘接剂，可选用羧甲基纤维素、聚乙烯醇、丙烯酸、环氧
树脂、聚氨酯中的一种或几种。
生物陶瓷粉体可为生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，优选选用氧化铝陶瓷、氧化锆陶
瓷、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷中的一种或几种。
上述提供的技术方案相对于现有技术，具有如下优点：
1、利用冷冻干燥可使浆料中固体颗粒原位固定的特性，可获得多级孔隙结构，原
料制备工艺简单，材料应用范围广泛，只要能配制成均匀浆料即可，拓展了3D打印技术的应
用领域；
2、采用逐层铺料的方式，无需设计物料喷出或挤出装置，扩大了浆料固含量的适
用范围，降低了成本；
3、采用逐层冷冻的方式，下层为上层提供固体支撑，减少悬臂结构的变形，无需为
悬臂结构设计支撑。
总之，本发明提供的技术方案，可获得多级孔隙结构，具有原料制备工艺简单、材
料应用范围广泛、加工过程无需模具、无需设计支撑、加工效率高、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说
明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明
具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
采用如下操作制备生物陶瓷坯体：
1)采用Pro/E、UG等设计软件或三维扫描仪建立目标坯体的STL格式模型；
2)采用计算机软件对所建三维模型进行沿高度方向的分层处理，每层的厚度为
0.1～1mm；建立各层的轮廓路径数据；
3)配制浆料：称取100g氧化铝粉(分析纯，过325目)；称取10g聚乙烯醇；量取蒸馏
水100ml。将上述原料加入刚玉球磨罐中进行高速球磨2h；
4)将球磨后的浆料置于真空除泡机中除泡10min；
5)在温度可控的环境中加入激光扫描设备和铺料装置，激光扫描设备由X-Y双坐
标工作台和CO2激光器组成。将除泡后的浆料加入料筒，料筒中保持对浆料搅动，避免浆料
沉降；保持环境温度在-20℃以下。将一层浆料通过刮片铺设在打印平台上，厚度与计算机
分层处理时的层厚相同；采用内部循环液氮的铝制冷冻板自上而下覆盖浆料30s，使浆料快
速、充分冷冻；
6)移开冷冻板，开启激光器，激光功率为1～100W，激光扫描速度为10～100mm/s，
X-Y双坐标工作台根据步骤2)中建立的轮廓路径数据控制激光对该层凝固浆料选择性辐
照，去除轮廓区域粘结剂；
7)关闭激光器；
8)重复步骤5)到步骤7)，直到打印完成，制得被凝固浆料包围的凝固状态坯体；
9)去除外部凝固浆料，得到凝固状态的目标坯体；
10)在冷冻干燥机对凝固状态的目标坯体进行干燥，得到目标坯体。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，步骤3)中采用的陶瓷粉体为氧化钇掺杂稳定的氧
化锆陶瓷粉末，粘结剂为羧甲基纤维素。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是，步骤5)采用内部循环液氮的铜制冷冻板自上而下
覆盖浆料10s，得到孔隙结构更细小的坯体。
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，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干
同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。