西工大蘇海軍團(tuán)隊(duì)陶瓷頂刊：光固化3D打印生物活性陶瓷！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

骨組織具有天然再生能力，足以愈合小部位的損傷，如裂紋和某些類(lèi)型的骨折，但如果骨缺損尺寸超過(guò)2cm將無(wú)法自行愈合。相比生物惰性金屬/陶瓷、自體骨、異體骨，磷酸鈣生物活性陶瓷因具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、安全性以及低成本等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于骨科和牙科臨床治療中，如治療骨缺損、骨折、關(guān)節(jié)置換、種植牙、牙周治療和顱頜面重建等。然而，磷酸鈣生物活性陶瓷的力學(xué)性能僅限于非承重骨組織的修復(fù)，其誘導(dǎo)骨再生的效率還待進(jìn)一步提升。通過(guò)引入生物活性金屬離子（Fe3+、Mg2+、Sr2+等）提升生物活性陶瓷性能是研究者們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

近年來(lái)，光固化3D打印技術(shù)以優(yōu)異的成形精度在制備具有任意解剖外形和內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的骨科和牙科植入物領(lǐng)域中顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，利用光固化3D打印技術(shù)快速精確制備骨科、牙科植入物具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)利用光固化3D打印技術(shù)制備了Fe、MgO摻雜雙相磷酸鈣（BCP）生物活性陶瓷，探究了Fe、MgO摻雜對(duì)光固化成形BCP生物陶瓷力學(xué)性能、生物降解性以及細(xì)胞毒性的影響規(guī)律和機(jī)制。結(jié)果表明，1 wt% Fe摻雜使得光固化3D打印雙相磷酸鈣陶瓷的抗彎強(qiáng)度從91.61 MPa提升到122.60 MPa，1 wt% MgO摻雜提升了BCP陶瓷在模擬體液中的降解速率，促進(jìn)了表面活性相的生成，同時(shí)促進(jìn)了小鼠成骨前體（MC3T3-E1）細(xì)胞的增殖。相關(guān)工作以題為“Enhanced mechanical properties and biological responses of SLA 3D printed biphasic calcium phosphate bioceramics by doping bioactive metal elements”的研究論文發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society (43) 2023 4167-4178。

原文連接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.007

圖1 (a) BCP、(b) MgO-BCP、(c) Fe2O3-BCP、(d) Fe-BCP漿料照片，(e)漿料固化深度與照射能量的擬合曲線。

如圖1所示，MgO、Fe2O3、Fe的加入使BCP陶瓷漿料的固化能力發(fā)生了不同程度的改變。其中Fe2O3、Fe的加入使得BCP漿料的穿透深度（Dp）由326.94 μm下降到91.03 μm和190.26 μm。一方面因?yàn)镕e2O3和Fe的加入使BCP漿料變?yōu)樯钌珴{料，導(dǎo)致作用在光敏樹(shù)脂上的光能量變少，降低了固化深度。另一方面是因?yàn)镕e2O3、Fe具有高的折射率，F(xiàn)e2O3和Fe的加入進(jìn)一步導(dǎo)致陶瓷顆粒與樹(shù)脂之間的折射率差上升，進(jìn)而導(dǎo)致固化深度下降。MgO折射率（1.73-1.76）與BCP粉料折射率（~1.62）接近，因此MgO摻雜并未導(dǎo)致BCP漿料固化性能發(fā)生明顯下降。

圖2. 元素?fù)诫sBCP陶瓷顯微組織和晶粒尺寸分布。(a, a1) BCP，(b, b1) MgO-BCP、(c, c1) Fe2O3-BCP、(d, d1) Fe-BCP.

1 wt% MgO摻雜使得BCP陶瓷孔隙數(shù)量變多，阻礙了BCP陶瓷的致密化，但細(xì)化了BCP晶粒。0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜提高了BCP陶瓷在1250℃燒結(jié)后的致密度，含鐵新相位于BCP晶粒的三角晶界處，在一定程度上提升了基體的抗彎強(qiáng)度。

圖3. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP陶瓷的(a)抗彎強(qiáng)度和彈性模量、(b)硬度和斷裂韌性。

圖3為元素?fù)诫sBCP陶瓷的力學(xué)性能。相比未摻雜BCP陶瓷，1 wt% Fe粉末摻雜BCP陶瓷的抗彎強(qiáng)度上升到了122.60 MPa，彈性模量下降到8.27 GPa。此外，F(xiàn)e摻雜將BCP的硬度提升到4.53 GPa，但斷裂韌性下降到0.21 MPa∙m1/2。而1 wt% MgO摻雜將BCP的斷裂韌性由0.41 MPa∙m1/2提升到了0.60 MPa∙m1/2。

圖4. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP在模擬體液中(a) Ca、(b) P、(c) Mg、(d) Fe離子釋放曲線。

由圖4可以看出，MgO-BCP在浸泡前1周內(nèi)Ca離子的釋放速率明顯上升，這表明MgO摻雜提升了BCP在模擬體液中的降解速率，同時(shí)在浸泡1周后，Ca、P離子濃度下降明顯，說(shuō)明Ca、P重新結(jié)合形成新的磷灰石活性相附著在MgO-BCP表面。相較于Fe2O3-BCP，F(xiàn)e-BCP釋放的Fe3+濃度下降更快，這提示有更多的Fe3+附著于BCP表面作為生物活性相生成的位點(diǎn)。

圖5. 不同濃度生物陶瓷提取液對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞增殖行為影響。(a) 原始提取液，(b) 1/2稀釋提取液，(c) 1/4稀釋提取液。

圖5為元素?fù)诫sBCP陶瓷對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞增殖的影響規(guī)律。可以看出1 wt% MgO摻雜在不同時(shí)間點(diǎn)都促進(jìn)了MC3T3-E1的增殖，而0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜卻抑制了MC3T3-E1細(xì)胞的增殖。將提取液稀釋1/2和1/4后，F(xiàn)e2O3-BCP和Fe-BCP對(duì)細(xì)胞增殖的影響與其它組無(wú)明顯差異。這提示合適濃度Fe3+對(duì)細(xì)胞的增殖不會(huì)產(chǎn)生明顯抑制。

該研究綜合分析了MgO、Fe2O3、Fe摻雜對(duì)光固化3D打印BCP陶瓷的組織結(jié)構(gòu)、性能和生物相容性的影響研究，為利用光固化3D打印技術(shù)制備高性能元素?fù)诫s磷酸鈣生物活性陶瓷提供技術(shù)基礎(chǔ)。


通訊作者簡(jiǎn)介
蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，中國(guó)有色金屬創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先計(jì)劃獲得者，入選國(guó)家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事先進(jìn)定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復(fù)合陶瓷及結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料等。主持包括國(guó)家自然基金重點(diǎn)、優(yōu)青等6項(xiàng)國(guó)家基金在內(nèi)的30余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)重要科研項(xiàng)目，發(fā)表SCI論文160余篇。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利50項(xiàng)以及1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高�？茖W(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果特等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)和陜西青年科技獎(jiǎng)各1項(xiàng)。