TW201201870A - Modeling method and forming method of bio-ceramic bone scaffold - Google Patents
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Description
201201870 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種建構關於一生醫陶瓷骨骼支架(bio-ceramic bone scaffold) 之一立體模 型圖形 (three-dimensional mould graph)之建模方法(modeling method),以及根據該立體 模型圖形將該生醫陶竞骨路支架之成型方法（f〇rming method)。並且特別地，本發明係關於與真實的骨骼支架相同 具有内部多連通孔結構(inter-connective porous structure)之生 ^ 醫陶瓷骨骼支架其建模方法以及成型方法。 【先前技術】 快速原型(Rapid Prototyping, RP)成型技術使用堆疊加工 技術’能夠依照電腦辅助所建構的立體幾何圖形，自動製造 出二維實體物件的技術。快速原型成型技術可克服工具機加 工無法完成的幾何形狀死角，做到自動化實體自由形狀製造 (Solid Freeform Fabrication, SFF)，而且成型的原型沒有形狀 的限制。 鲁 快速原型成型設備所使用的成型工具分為兩大系統：雷 射系統以及喷嘴系統。一般利用喷嘴系統的快速原型成型設 備會有加工速度慢、材料容易阻塞，等缺點。舉例說明，屬 於噴嘴系統之炫解沉積法(Fusecj Deposition Modeling，FDM)裝 置能將，條狀的原料加熱成半熔化的狀態，再經由喷嘴擠出 材料堆疊成型，其製程所需的時間較長、效率差。同樣屬於 噴嘴系統之多喷嘴模型堆疊(Multi_Jet M〇dding，MJM)裝置利 用多喷嘴把黏結劑(binder)喷覆於粉末狀的材料上，黏結劑能 巧顆粒狀粉末餘起來，但是麟齡§阻塞。由於雷射 “月b里可凋整的範圍較大，一般而言，只要是粉末狀的原 3 201201870 料’快速原型成型設備都可以利用雷射光將其加以燒結或熔 結成型。 到目前為止，使用生醫材料與雷射光為加熱工具來製作 生醫組織工程支架的疊層加工技術可分為三大類：（1)立體微 影成像法(Stereolithography Apparatus, SLA):將生醫材料與紫 外光感光樹酯(UV resin)混合，經由紫外光雷射(uv Laser)掃 描固化後成型，（2)選擇性雷射燒結(seiective Laser Sintering， S^S):使用雷射光為熱源對粉末狀態的生醫材料進行選擇性 掃描，讓粉末顆粒之間產生燒結作用成型；以及(3)融熔沉積 製造(Fused Deposition Molding，FDM):利用嘖喈扣；^ 罂好μ 擠出依照歡路徑堆疊，可以製作出具有孔隙的1構/材料 在上述技術中，SLA採用紫外光感光樹酯做為黏結劑， 在做燒結後處理去除感光樹酯時會產生有害人體的氣體。 SLS使用雷射絲生醫材料進行燒結或直接麟形成工 件’因此’獅所受的雷射能量密雜大，容易 形。FDM雜能夠製作出交錯型式的網狀結構，= 狀的組織結構其上下層之間的接觸面積很小，強 内部===大織， 路支架之崎多賴聽_立雜_1=何建構關於骨 【發明内容】 陶:二體= 201201870 在於提供—種根據該立體模型 圖形將該生醫陶究骨路支架之成型方法 ^ 往快速成齡觀上關題。 避免上逑以 根據本發明之-較佳具體實施例的建模方法， =係用以建構關於-生醫較骨路支架之—立體模 ^ 特別地’與真實的錄支架相同，該生 ^ 首先係輸入 域尺寸。接者，該建财法餘據該生 該立體尺寸，建構一线。接著，該賴方法= 具有内部連通孔結構的立體模型單位元素圖形。接 耆I該建模方法係於該空間内，複製該至少—立體模型 】素，形’並鏈結該等且相鄰的立體模型單位元素圖形。最 =该建模方法係重複複製該立體模型單位元素圖形並鍵社 f等且相鄰的立體模型單位元素圖形之步驟，直至該等複^ 2體模型單位元素_填滿該空間。填滿該㈣之該等複 立體模型單位元素_即構成關於 之該立體模細形。 骑又永
N 據本發明之—較佳具體實施例的成型方法，該成型方 據該立體模型圖形將該生醫陶兗骨絡支架成型-二、康鋒认究骨路支？之一陶竟生^(eeramic green body)係由iN 二々的陶瓷固態薄層(⑽mic solid film)所構成，其中n為 立。该成型方法首先係輸人該立體模型圖形，並將言亥 柰&圖形剖切成Ν層二維戴面圖案，該Ν層二維截面圖 :二〇·應該N層陶細態薄層中之一層喊固態薄層。接 μ成型方法係將一生物相容陶瓷粉末(bi〇_c〇mpa仙^ B ：l^C/_^Γ)與一陶究溶膠(Ceramic so1)依一比例均勻混合 料於_!成一ί料(SlUri7。接著，該成型方法係塗佈第一層漿 、工作台上。接著，該成型方法係根據對應該第一層陶 201201870 ίί從m f層漿料於第_漿料上，/係 應該第，層陶紙態薄型方f係根據對 庫了 熱使該陶:光溶膠產生該化學凝膠反 成該第，層陶兗固態薄層。接著，該成;;法J f複塗佈第Z層漿料之步驟以及以該雷射 艰、 驟’直至完成該N層陶組態薄層為止。，ii 得附ΐΤ N層陶究固態薄層之前漿料，以ί 。最後’該成型方法係烘乾該陶竞生述，並對 進仃該陶瓷生坯燒結即完成該生醫陶瓷骨骼支架。 0巧ΐ前技術相較，根據本發明之建模方法可以自動、有 構關於生醫喊骨路支架之立體模型圖形，並且^ 才^、有不同的支架結構、孔洞形狀、尺寸大小、密度與孔隙 t立，模麵形，以觀真實的㈣支架結構，以利細胞 =耆、成長。根據本發明之成型方法利於均勻鋪設出厚度較 溥的漿料層，並且可避免於後續清洗過程中產生有宝物質且 ，用較小能量即能引發的化學凝膠反應，減少對材^的熱衝 擊。根據本發明之成型方法所製作的生醫陶瓷骨骼 且 足夠的機械強度β 、 關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明 附圖式得到進一步的瞭解。 【實施方式】 201201870 請參閱圖一’圖一係繪示根據本發明之一佳具體實施 之建模方法1的流程圖。根據本發明之建模方法丨係用以 構關於-生醫陶究骨路支架之—立體模型圖形。特別地，斑 真實的骨路支架相同’該生醫喊修支架具有内部多連^ 孔結構。 如圖一所示，根據本發明之建模方法丨首先係執 S10，輸入該生醫陶瓷骨骼支架之一立體尺寸。 乂鄉 同樣示於圖…接著’根據本發明之建模方法i係 步驟S12 ’根據該生醫陶究骨路支架之該立體尺寸，一 空間。 舟 同樣示於圖-’接著’根據本發明之建模方法丨係 步驟S14，設計至少-具有内部連通孔結構的立體^ 元素圖形。 早位 請參閱圖二A，具有内部連通孔結構的立體 素圖形的範例如圖二A中標示2Ga〜2Qi之圖形。早位几 同樣示關…接著，根據本發明 步驟S16，於該空間内’複製該至少一立體模型單位 形，並賴鱗且鱗社_辟位元疋素圖 同樣示於圖- ’接著，根據本發 步驟S18，判斷鱗複製的立體模 素執行 建模方法1係重複執行步驟S16， 月之 方 若步驟S18的判斷結果為奴者，根據本發明之建模 7 201201870 ^ 1係執行步驟S19，結束複製該立體模型單位元素圖形。 藉此，填滿該空間之該等複製的立體模型單位元素圖形即構 成關於該生醫陶瓷骨骼支架之該立體模型圖形。 ,明參閱圖二B，關於該生醫陶瓷骨路支架之立體模型圖 形之局部圖形的範例如圖二B中標示2a〜2g之圖形。特別 地，圖二B中之關於該生醫陶瓷骨骼支架之該立體模型圖形 局部圖形(2a〜2g)皆具有内部連通孔結構。 請參閱圖三以及圖四A至四C ’圖三係繪示根據本發明 之一較佳具體實施例之成型方法3的流程圖。根據本發明之 成型方法3用以根據本發明之建模方法所建構之立體模型圖 形將該生醫陶瓷骨骼支架成型。特別地，該生醫陶瓷骨骼支 架之一陶瓷生坯係由N層連續的陶瓷固態薄層所構成，其中 N為一自然數。圖四A至四C係繪示運用可實施本發明之成 型設備4來成型該生醫陶瓷骨骼支架之陶瓷生坯的成型示意 圖。
如圖三所示，根據本發明之成型方法3首先係執行步驟 S30，輸入該立體模型圖形，並將該立體模型圖形剖切成N 層二維截面圖案’其中該N層二維截面圖案依序對應該n層 陶瓷固態薄層中之一層陶瓷固態薄層。 曰 同樣示於圖三’接著，根據本發明之成型方法1係執行 步驟S31，製備一生物相容陶瓷粉末以及一陶瓷溶膠。 於一具體實施例中，該生物相容陶瓷粉末可以是氳氧基 磷灰石(Hydroxyapatite，HA)、三鈣磷酸鹽、氫氧基磷灰石二 甲殼素、鱗灰石(Apatite)、金雲母(Fluoro-Phlogopite)、石夕灰石 (Wollastonite)、氧化i呂、Κ20、Na20、CaO、P205、Si〇2、
MgO，等粉末’或上述材料的混合組合之粉末。生物相容陶 201201870 瓷粉末的粒徑可視成型工件的尺寸而定，例如至 45μπι ° 於一具體實施例中，該陶瓷溶膠可以是氧化矽溶膠、氧 化鈦溶膠、氧化紹溶膠、氧化結溶膠，等陶究溶膠，或上 陶瓷溶膠的混合組合。 接著，根據本發明之成型方法3係執行步驟S32，將該 生物相容陶瓷粉末與該陶瓷溶膠依一比例均勻混合，且 成一漿料。 免干
θ於一具體實施例中，生物相容陶瓷粉末與該陶瓷溶膠之 重量百分比為 60wt%:40wt% 〜30\^%:7〇^%。 於-具體實施射，該祕之祕為3G〜5_%生物相容 陶究粉末、10〜15wt〇/〇溶劑、35〜55wt%陶究溶膠以及2〜5wt% 懸洋劑。該溶劑為水，懸浮劑為六偏雜鈉[啊灿]、 j鱗酸邮a她G)或微粒雲母。料料的 1200 cp 至 3000 cP。 在抽接如圖二及圖四A所示’根據本發明之成型方法3 ，執仃步驟S34 ’以-塗層裝置42塗佈第一層襞料於一 :41^°^工胃作台44具有—平面，且被致動沿垂直該平面 軸之，做升降。根據本發明， 裝漿料sl的漏斗422以及可使漿 44上的顺424_城滾筒) 該漏斗422擠送適當的漿料SL，至該工作纟44上。） =將之漿料SL，塗佈成均勻的薄層漿料sl，。每:層5 ^涂=可控制在約G.lmm。但本發明不以此為限，所需 亦即塗層厚度係可變者。例如，“大 201201870 時，塗層厚度則變小 裝料為限。 。並且本發明亦不以水平或等厚度塗佈 接著，如圖三及圖四B所示，根據本發明之成型方法3 係執行步驟S36，根據對應該第一層陶瓷固態薄層SL"之第一 層二維截面圖案，以一固態薄膜形成裝置46所發射之一雷射 光束照射該第-層聚料SL，之部分紐SL，，其中該第一層毁 =SL·被該雷射光束照射之部分漿料SL，被加熱使該陶瓷 產•生一化學凝膠反應，進而形成該第一層陶瓷固態薄層 SL’’(圖四B中深色部分）。也就是說，随轉脫水而形成i J分子結#(例如：Si_asi、AK)_A1)，再進—步發展為網狀 =子結構，當其成長觸及生物相容陶瓷粉末時，即將生物相 谷陶瓷粕末緊祗包覆並黏結在一起。而相鄰層間亦以該陶究 :谷膠產生化學凝膠反應而黏結在一起。於化學凝膠反應完成 後，即形成立體的陶瓷生坯。由於未使用有機黏結劑，因此 在去除餘料和後續的燒結製程中不會產生有害氣體。由於使 該，f* ^膠產生化學凝膠反應所需能量遠小於燒結陶瓷粉末 所需能量，因此可大幅降低陶瓷工件收縮及變形的影響。 如圖四B所示，該固態薄膜形成裝置46包含一雷射光 ，產生裝置462、一導光機構464以及一聚焦鏡460。該雷射 光束產生裝置462用以產生一雷射光束，例如，c〇2雷射、 Nd:YAG雷射、He-Cd雷射、Ar雷射或UV雷射。於一具體 實施例中，該雷射光束產生裝置462可以加裝溫度感測器， 當溫度感測器偵測到用來冷卻該雷射光束產生裝置462之冷 卻水溫度超過25。(：時，該雷射光束產生裝置462即停止雷射 光的激發。 與先前技術利用振鏡式掃描讓雷射光束聚焦在每一層漿 料SL'方法不同’該導光機構464與該聚焦鏡466根據對應每 201201870 -層陶細_層SL”之截_案被致動平行如圖四 之X-Y平面移動。該導光機構464帛以導 ^ 聚焦鏡466。該聚焦鏡466用以聚焦該雷射光 『sy 具體實施例中，雷射光束的掃描速“ 85mm/s、掃描間距為〇.lmm，雷射功率為1〇w。於一且ς 施例中，於該聚焦鏡466處可以加裝一噴氣管。喷^ ^ 導入低壓空氣並經由其喷嘴快速喷出， 漿料濺散附著於聚焦鏡片上，影響雷 同樣示於圖四Β，根據本發明之導光機構464包含多個 固疋的反射鏡以及能被致動平行如圖四Β所示之χ_γ =反射鏡。例如’圖四Β中標示464a及_標號代表固 疋的反射鏡’標示464e標號代表能被致動沿平 ， ί 1 轴反射鏡，標示_號代=跟隨^ _能沿平拥四B _之Y軸之-軸移動的 射鏡。邊聚焦鏡466則伴隨該反射鏡464d 一起移動。 装實施例中，根據本發明之固態薄膜形成裝置46 ί ^η掃描的工作範圍為麵Χ 250 _，最高速度 ，3000 mm/min以上’且其χ-γ軸重複精度設計為± 002 地，與糊振鏡式掃鄕11縣錢賴先前技術 .本發明之固態薄膜形成裝置46，其設計即可改ϋ先 則技術其工作範圍小與雷射光絲錢衫足的缺點。° 孫抽，ί ’ *圖二及圖四C所^ ’根據本發明之成型方法3 ^執行步驟S38，致動該工作台44沿平行圖四c中ζ轴之一 距離(一個薄層的厚度），使得在後續塗佈完新的一 j ’不必重行調整該111態賊形成裝置46的聚焦基 。v驟S38中，並且執行戶(/+1)的運算。此外需強調的 201201870 是，於實際應用中，每一層陶瓷固態薄層不以相同厚度為必 要。 接著，如圖三所示，根據本發明之成型方法3係執行步 驟S40，以該塗層裝置42塗佈第/層漿料於第(w)層漿料 上，/係範圍從2至N中之一整數指標。隨後，根據本發明 之成型方法3係執行步驟S42，根據對應該第層陶究固態薄 層SL之第/層二維截面圖案，以該固態薄膜形成裝置所 發射之雷射光束照射該第/層漿料SL’之部分漿料SL，。同樣 地，該第/·層祕SL，觀雷射絲照射之部分祕SL，被加 熱使該，究溶膠產生該化學凝膠反應，進而形成該第層陶 1 :實務上’經由。雇技術，可將電腦與將該 線，依據料二賴面®案控繼_薄膜形 造。、 對母一層聚料SL’加熱，並進-步達成自動化製 掃 === ==係 —距離(一個_厚度)，接續執行步驟ί。及以S42 了降 法的觸結果騎定者，根據本發明之成型方 係執仃步驟S46 ,以一.峪 B及圖四C中)去除附菩於兮M、^置(未、，、曰不於圖四A、圖四 料SL，，以獲N層陶兗固態薄層SL”之殘留聚 之局例二之=所製造的陶細 201201870 於實際應用中，因為使用喊漿料本身做 躲贼具有_連通 根據本發明之成型方法3係執行步驟撕，洪乾 u瓷生坯，並對進行該陶瓷生坯燒結，即完成該生醫陶瓷 lii架:根據本發明之生醫陶堯骨骼支架為具有内 其可以依照不同的3D模型圖，製作出具有特定孔 尺寸大小的骨路支架。—般適合細胞附著、成長之 士4組織的孔隙尺寸為60〇iUm〜1(%m之間。實務上，根據 發明之成型方法所製造的多孔性生醫陶瓷骨骼支架可以製 #出具有孔隙度範圍$ 200〜800//m的孔隙，以利細胞附 者、成長。 於一具體實施例中，該生物相容陶瓷粉末係三鈣磷酸鹽 (列如’磷酸詞)或！>2〇5 ’於燒結製程中，該陶瓷生坯可以被 =熱至1200。(：以上，利用熔滲方式進行燒結。藉此，可以提 =該生醫陶瓷骨骼支架的機械性質，其抗彎強度可由3MPa 升至16MPa以上’同時增加生物活性(bi〇activ^y)。 λ綜上所述，本發明所建構關於生醫陶瓷骨骼支架之立體 模型圖形，具有不同的支架結構、孔洞形狀、尺寸大小、密 ^與孔隙度’以模擬真實的骨骼支架結構，以利細胞附著、 長。本發明採用的材料狀態為漿料狀態，具有一定的流動 ’兼具固態材料和液態材料的優點，可均勻混合陶瓷溶膠 …生物相容陶瓷粉末’並利於均勻鋪設出厚度較薄的漿料 13 201201870 ，描方式可改善先前技術其“ 述本藉發 施例來對本發明之$l加嫌制。相反地，其目的是 涵蓋^種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利^ 圍的範疇内。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應診= 據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可^ 變以及具相等性的安排。 、文 201201870 【圖式簡單說明】 程圖圖—錄據本發明之—較佳具體實施例之建模方法的流 圖形結獅域翻單位元素
之^職型圖形 程圄圖二係根據本發明之—較佳具體實施例之成型方法的流 在塗之趟賴來姻喊生链其 生本發明之成型方法所製造的喊生述之局部 【主要元件符號說明】 1 .建模枝 S1G〜S19 :方法步驟 2a〜2g .立體模型圖形之局部圖形 〇a 20i ·立體模型單位元素圖形 15 201201870 3:成型方法 S30〜S48 :方法步驟 4:成型設備 42 :塗層裝置 422 :漏斗 424 :刮板 44 :工作台 46 :固化薄層形成裝置 462 :雷射光束產生裝置 464 :導光機構 464a、464b、464c、464d :反射鏡 466 :聚焦鏡 5a〜5f:陶瓷生坯之局部生坯 SL :漿料 SL” ：陶瓷固態薄層 SL’ ：漿料層
Claims (1)
- 201201870 七 1、 、申請專利範園： 一種建模方法，該建描古 支架之一立體模型_，關於—生醫陶兗骨路 通孔結構，該建模方法包J生诀陶瓷骨骼支架具有内部多連 ⑻輸入該生體尺寸； (br該生醫陶如支架之該立體尺寸，建構-空 ()形;十7 *有内部連通孔結構的立雜型單位元素圖 (d)於該空間内’複製該至少一立體 並鍵結該等且相鄰的立體模型單位元素圖形， 真滿J工間，其中填滿該空間之該等複製的立體掇：： =圖形即構成關於該生槪骨愁支=1: 2、^請專利範圍第丨項所述之建模方法 S::其素一圖形包含如圖二A所示之多個 3、 一種成型方法，該方法係用峰據如申請專利 項所述之立體模型圖形將該生醫陶究骨路支架成型，該生 陶瓷骨骼支架之一陶瓷生坯係由N層連續的陶瓷固離^ 構成，N為一自然數，該成型方法包含下列步驟： θ (a) 輸入該立體模型圖形，並將該立體模型圖形剖切成1^層 截面圖案，該N層二維截面圖案依序對應該N層陶^ 態薄層中之一層陶瓷固態薄層； (b) 將一生物相容陶瓷粉末與一陶瓷溶膠依一比例均勻混 17 201201870 合且攪拌成一漿料； (C)塗佈第一層漿料於一工作台上； (d) 根據對應該第一層陶瓷固態薄層之第一層二維截面圖 案，以一雷射光束照射該第一層漿料之部分漿料，其中 該第一層漿料被該雷射光束照射之部分漿料被加熱使該 陶瓷溶膠產生一化學凝膠反應進而形成該第一層陶瓷固 態薄層； (e) 塗佈第/層漿料於第(ζ·_1)層漿料上，丨係範圍從2至>1中之 一整數指標； (f) 根據對應該第ί層陶瓷固態薄層之第ζ•層二維截面圖案， 以該雷射光束照射該第/層漿料之部分漿料，其中該第^ 層漿料被該雷射光束照射之部分漿料被加熱使該陶瓷溶 膠產生該化學凝膠反應進而形成該第丨層陶瓷固態薄 層； ‘ (g) 重複步驟(e)以及步驟(f)，直至完成該]^層陶瓷固態薄層 為止； (h) 去除附著於該N層陶瓷固態薄層之殘留漿料，以獲得該 陶瓷生坯；以及 (i) 供乾该陶竟生达，並對進行該陶究生链燒結即完成該生 醫陶瓷骨骼支架。 4、，申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該生物相容陶 究泰末係選自由虱氧基麟灰石(Hydr〇Xyapatite，HA)、三辦磷 酸鹽、氫氧基磷灰石、甲殼素、磷灰石(Apatite)、金雲母 (Fluoro-Phlogopite)、矽灰石(Wollastonite)、氧化鋁、κ20、 Nae、CaO、P2〇5、Si〇2、MgO以及其混合組合之粉末所組 成之群組中之一。 201201870 5、 如申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該生物相容陶 瓷粉末係三鈣磷酸鹽或Ρζ〇5，於步驟①中，該陶瓷生坯被加 熱至1200°C以上利用熔滲方式進行燒結。 6、 如申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該陶瓷溶膠係 選自由氧化矽溶膠、氧化鈦溶膠、氧化鋁溶膠、氧化鍅溶膠 以及其混合組合之溶膠所組成之群組中之一。 7、 如申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該生物相容陶 竟粉末與該陶莞溶膠之重量百分比為60wt%:40wt%〜 30wt%:70wt% ° 8、 如申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該漿料之成份 為30〜50wt%生物相容陶瓷粉末、1〇〜i5wt%溶劑、35〜55wt% 陶瓷溶膠以及2〜5wt%懸浮劑。 9、 如申請專利範圍第8項所述之成型方法，其中該溶劑為水， 該懸浮劑為六偏磷酸鈉[(NaP03)6]、三聚磷酸鈉(Na5P301())或 微粒雲母。 1〇、如申請專利範圍第3項所述之成型方法，其中該生醫陶瓷骨 路支架具有孔隙度範圍為2〇〇〜800；cm的孔隙。
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