彈性陶瓷墨水直寫打印制造剛?cè)峒鎮(zhèn)浣Y(jié)構(gòu)

供稿人：冷俊卿、連芩、李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

增材制造以其特有優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中彰顯出巨大潛力。以材料表面活性鍍層為代表的生物2D增彩技術(shù)，以及以金屬、聚合物、生物陶瓷等為原材料制造組織工程支架或假體的生物3D增材技術(shù)接連問世，為個(gè)性化定制治療開辟了諸多可能。但受限于材料，上述技術(shù)制造的植入物往往只能替代質(zhì)地單一且均勻的區(qū)域，而很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織或器官的一體化成型。

香港城市大學(xué)的Guo Liu等人通過將10%二氧化鋯納米顆�；烊刖鄱�甲基硅氧烷中，制備出了納米復(fù)合材料油墨，可使用墨水直寫技術(shù)打印出具有彈性的陶瓷前體，將形成的結(jié)構(gòu)在150℃下后固化30分鐘，通過在氬氣（Ar）流動(dòng)下將陶瓷前驅(qū)體加熱到1300℃ 1 h可轉(zhuǎn)化為陶瓷。

這種陶瓷可通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)34-547 MPa的抗壓強(qiáng)度和200％的拉伸應(yīng)變（圖1）。根據(jù)相關(guān)報(bào)告，肌腱/韌帶和關(guān)節(jié)軟骨的極限拉伸應(yīng)變分別為10％–15％和60％–120％，而皮質(zhì)骨組織和牙齒組織的抗壓強(qiáng)度分別為88–164MPa和295MPa。所有這些參數(shù)均在該材料的機(jī)械性能范圍內(nèi)，表明該生物陶瓷可同時(shí)適用于軟組織與硬組織。此外，且陶瓷前體也可充當(dāng)粘合劑，將同源的柔性與剛性陶瓷相連，構(gòu)成兼具軟硬組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)假體（圖2）。 同時(shí)，由于陶瓷前體具備良好彈性，通過鐵絲約束（圖1C）、施加預(yù)應(yīng)力（圖1 D,E）等方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的陶瓷材料4D打印，為更加復(fù)雜的組織與器官制造提供了更多可能。

圖1陶瓷4D打印系統(tǒng)（a）DIW變形熱處理方法。（b）陶瓷前體的印刷微晶格和兩種相應(yīng)的EDC（從左到右）。（c）印刷的陶瓷前體可以拉伸至200％應(yīng)變。（d）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-可擴(kuò)展性的協(xié)同作用。比例尺，1厘米。NC：納米復(fù)合材料。

圖2 具有4D打印混合陶瓷前體/陶瓷材料的代表性生物植入物的開發(fā)。印刷的硬質(zhì)陶瓷制成的（a）牙冠，（b）鎖定板，（c）髖臼杯和（d）骨板。 印刷的軟陶瓷前體制成的（e）外耳，（f）氣管，（g）半月板和（h）韌帶。（i）可印刷的“陶瓷油墨”膠粘劑，用于將印刷的剛性和軟質(zhì)生物植入物融合在一起。 （j）太極的印陰/陽符號(hào)，帶有白色/黑色混合陶瓷前體/陶瓷材料，顯示出人體中軟/硬的混合生物結(jié)構(gòu)。 （k）未（左）拋光或（右）拋光的印刷陶瓷晶格結(jié)構(gòu)的比較。比例尺，1厘米。

參考文獻(xiàn)：
Guo Liu et al. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures[J]. Science Advances, 2018, 4(8) : eaat0641.
Guo Liu et al. Development of Bioimplants with 2D, 3D, and 4D Additive Manufacturing Materials[J]. Engineering, 2020,