羥基磷灰石生物陶瓷支架的增材制造

來源： TCU115
第一作者和單位：馮成威 北京理工大學先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所
通訊作者和單位：何汝杰 北京理工大學先進結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40145-020-0375-8

1.研究背景
近幾十年來，生物陶瓷受到了廣泛的關(guān)注。其中，羥基磷灰石（HA）因其良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于骨組織工程和骨缺損修復中。由于HA優(yōu)異的骨傳導性使其成為骨的人工替代材料，它也可實現(xiàn)骨細胞在其表面粘附、增殖、礦化；也可以用于細胞浸潤、血管生成、營養(yǎng)物質(zhì)運輸和代謝廢物清除。近年來，多孔HA生物陶瓷支架的制備已采用多種傳統(tǒng)制造技術(shù)，如聚合物海綿法、冷凍干燥、凝膠鑄造等。然而，傳統(tǒng)的制造工藝無法準確控制多孔生物陶瓷支架的孔隙率；并且這些傳統(tǒng)的技術(shù)無法實現(xiàn)復雜形狀的骨支架。因此，有必要開發(fā)一種先進的生物陶瓷支架制造技術(shù)。

增材制造（AM）是通過一層一層添加陶瓷材料來完成的，大大減少了原材料的浪費，無需加工就可以實現(xiàn)復雜形狀的陶瓷。此外，AM的獨特優(yōu)勢是能夠通過計算機建模精確控制生物陶瓷支架的形狀和孔隙結(jié)構(gòu)。迄今為止，已經(jīng)報道了許多用于制備HA生物陶瓷的增材制造技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔融（SLM）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、3D打印（3DP）、3D凝膠打�。�3DGP）、墨水直寫（DIW）、數(shù)字光處理（DLP）和立體光刻（SLA）�；�于光固化技術(shù)的AM具有制造成本低、精度高、周期短等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于生物陶瓷零件的制造。它通常包括SLA和DLP。SLA適用于所有的陶瓷粉末，它的紫外（UV）光束是逐層掃描的，因此成型速度較慢。DLP的紫外線通過儲槽下方的投影設(shè)備投射到透明儲槽底部，通過控制成型臺與儲罐底部的距離來保持固定層的厚度，固化后形成陶瓷體。然后利用UV光將每個成型段的形狀精確地塑造到印刷表面，因此精度更高，成型速度更快。DLP在制造形狀復雜、精度高的大型零件方面具有很大的優(yōu)勢。利用DLP方法還成功制備了磷酸鈣、氧化鋯等生物陶瓷。然而，影響DLP的因素，包括分散、工藝參數(shù)、固含量和燒結(jié)溫度，還沒有清晰完整的分析。   

本研究采用DLP技術(shù)制備了HA生物陶瓷支架。系統(tǒng)研究了HA生物陶瓷支架制備的關(guān)鍵問題，包括分散性、制備工藝、燒結(jié)、力學性能和生物相容性。相信本研究可以為基于DLP技術(shù)制備出的生物陶瓷支架在骨組織工程和骨缺損修復方面提供一個全面的視角。

2. 全文速覽

本文采用數(shù)字光處理（DLP）的3D打印制造技術(shù)，制備了羥基磷灰石（HA）生物陶瓷支架。文章中詳細討論了HA生物陶瓷支架的關(guān)鍵問題，包括分散、DLP技術(shù)、燒結(jié)制度、機械性能和生物相容性。研究得出最佳分散劑用量、固含量和燒結(jié)溫度分別為2 wt%、50 vol%和1250 ℃。通過研究HA生物陶瓷支架的力學性能和生物相容性，發(fā)現(xiàn)采用DLP技術(shù)制備的多孔HA生物陶瓷支架具有優(yōu)異的機械性能和降解性能，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?br />
3. 實驗過程

3.1 原材料
本研究采用DLP增材制造技術(shù)制備HA生物陶瓷支架。HA粉末（國藥集團化學試劑有限公司）由微米級顆粒和微米級顆粒表面的部分納米級顆粒組成，如圖1。微米級HA顆粒的平均粒徑約為8 μm，而納米級HA顆粒的平均粒徑僅為100 ~ 200 nm。采用1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、2-甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）和三甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA，國藥集團化學試劑有限公司）作為樹脂單體。HDDA-HEMA-TMPTA復合樹脂體系的體積比為6：3：1。采用自由基光引發(fā)劑二苯（2,4,6-三甲基苯甲酰）氧化膦（TPO，國藥集團化學試劑有限公司）作為光引發(fā)劑。分散劑選用Solsperse 17000（中國廣州乾安化工有限公司）。

圖1 HA粉末的SEM圖。

3.2 HA樹脂漿料的分散

首先，根據(jù)不同的固含量（40 vol%，45 vol%，50 vol%）對HA顆粒和HDDA-HEMA-TMPTA單體進行稱重，然后以400 rpm的速度用氧化鋯球作為介質(zhì)球磨6 h。之后，在料漿中加入TPO光引發(fā)劑和Solsperse 17000分散劑，繼續(xù)球磨2 h。TPO的用量為樹脂重量的1.5 wt%，Solsperse 17000的用量根據(jù)HA粉末質(zhì)量分別設(shè)置為1 wt%、2 wt%和3 wt%。最后得到了不同固含量下分散的HA樹脂漿料用于DLP的制備。

3.3 HA生物陶瓷支架的DLP

使用DLP技術(shù)打印HA樹脂漿料，如圖2所示。首先，將三維模型導入打印機。DLP每層厚度設(shè)置為25 μm。將漿料倒入罐中，用刀片均勻地涂在玻璃板上。之后，將漿料暴露在紫外光下（波長：405 nm；強度：8000 μW/cm2；第一層曝光時間：35 s；每層曝光時間：8 s），交聯(lián)形成單層。然后向上移動將漿料重新涂覆在玻璃板上，繼續(xù)到下一層凝固。經(jīng)過這些循環(huán)，得到了HA生物陶瓷支架。   

圖2（a）DLP設(shè)備和（b, c）DLP技術(shù)打印出的HA生物陶瓷支架。

3.4 HA生物陶瓷支架的燒結(jié)

在N2氣氛下對HA支架進行熱解，首先將樣品以1 ℃/min的升溫速率加熱至330 ℃，保溫60 min，然后以0.2 ℃/min的升溫速率加熱至650 ℃，保溫120 min。去除粘結(jié)劑后，繼續(xù)以0.5 ℃/min的升溫速率加熱至目標燒結(jié)溫度，保溫120 min。目標燒結(jié)溫度分別為1200℃、1250℃和1300℃。最后，以1 ℃/min的速度冷卻至室溫。

3.5 HA生物陶瓷支架的力學性能及生物相容性

HA生物陶瓷的生坯和燒結(jié)后的抗彎強度測量是用3 mm × 4 mm × 36 mm（寬×高×長）的條狀樣品通過機械試驗機（Instron Legend 2367 testing system, USA）進行三點彎曲試驗測量。在5 mm × 12.5 mm（直徑×高）圓柱體上，以0.05 mm/min的十字頭速度在室溫下測定了HA生物陶瓷的生坯和燒結(jié)后的抗壓強度；在室溫下以0.05 mm/min的十字頭速度測量復合形狀支架的壓縮強度。最少測試五個樣本以獲得平均值。

在Tris-HCl溶液中進行了HA生物陶瓷支架的體外測試。首先，將HA支架在37 ℃的Tris-HCl溶液中浸泡。在浸泡1、2、3、4周后，用pH計測量pH值。然后用去離子水和無水乙醇清洗HA支架，在60 ℃烘箱干燥1天，稱重。根據(jù)浸泡前后的質(zhì)量計算HA支架的失重情況。

3.6 其他表征測試

HA樹脂漿料粘度的測定是在中國平軒科學儀器有限公司的實驗中進行的。采用旋轉(zhuǎn)流變儀（MCR301, Anton Paar GmbH, Germany）測定HA樹脂漿料的流變性能。通過熱重和差熱分析（TG-DTA 6200, Seiko, Japan）確定粘結(jié)劑的去除行為，加熱速率為2 ℃/min，加熱溫度為800 ℃。用阿基米德法測定了去離子水中的相對密度。采用X射線衍射（XRD, Bruker D8 Advance, Germany）對不同溫度下熱解后的陶瓷的晶相進行了表征。利用掃描電子顯微鏡（SEM, JSM-7500F, JEOL, Japan）觀察微觀結(jié)構(gòu)。   

4. 圖文解讀

固含量保持在45 vol%不變，Solsperse 17000分散劑的用量分別為1 wt%、2 wt%和3 wt%。如圖3（a）所示，HA樹脂漿液均表現(xiàn)出剪切稀化特征。當Solsperse 17000分散劑用量為1 wt%時，粘度均高于分散劑用量為2 wt%和3 wt%時的粘度，其原因是分散劑用量很小時，HA生物陶瓷顆粒未被分散劑有效改性。由于布朗運動產(chǎn)生的陶瓷顆粒發(fā)生碰撞，導致未吸附分散劑的陶瓷顆粒粘附團聚，因此HA樹脂漿料的穩(wěn)定性較差。分散劑用量增加，有利于增加HA顆粒表面的覆蓋度。分散劑在漿料中容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在HA顆粒表面形成一層有機保護膜，防止顆粒相互碰撞。因此，獲得了穩(wěn)定且分散良好的HA樹脂漿料。但HA顆粒表面的吸附達到飽和，分散劑用量過高，多余的分散劑分子和游離分散劑分子會在顆粒間的框架內(nèi)。容易引起絮凝，使體系穩(wěn)定性降低，從而導致HA樹脂漿料粘度增加。分散劑在HA顆粒表面的吸收狀態(tài)如圖3（a）所示。因此，當分散劑用量為1 wt%時漿料的粘度小于分散劑用量為2 wt%時的粘度。添加3 wt%分散劑的漿料粘度與2 wt%的漿料粘度基本相同。由于分散劑用量過大（3 wt%），聚合物鏈過長相互纏繞在一起，形成了一個混合聚合物網(wǎng)絡(luò)，因此導致了更高的粘度。剪切離心力進一步增大，較大的剪切離心力使陶瓷顆粒與分散劑聚合物之間的錨固鍵斷裂，陶瓷顆粒表現(xiàn)出疏水性和剪切變薄行為。因此，綜合考慮分散劑的粘度和流變性能，分散劑的最佳用量為2 wt%。

在分散劑用量選擇為2 wt%后，進一步研究固含量對HA樹脂漿料粘度的影響，如圖3（b）所示。在粘結(jié)劑去除和燒結(jié)過程中，低固含量會引起大的收縮變形、不可避免的裂紋和缺陷。因此，為了獲得最高的相對密度和力學性能，認為有必要盡可能地獲得具有最高固含量和最佳流變行為的HA樹脂漿料。在本研究中，HA樹脂漿料的固含量分別設(shè)置為40 vol%，45 vol%，50 vol%。從圖3（b）中，可以明顯發(fā)現(xiàn)HA樹脂漿料的粘度順序為：40 vol% < 45 vol% < 50 vol%。隨著固含量的增加，漿料中陶瓷顆粒數(shù)量增多，樹脂用量減少。因此，HA樹脂漿料之間的內(nèi)摩擦增大，最終導致粘度變大。結(jié)果表明，固含量為40 vol%的漿料粘度較低，是后續(xù)制備的最佳漿料。因此，考慮其對強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，如何選擇HA樹脂漿料的最佳固含量還有待進一步探討。   

圖3 （a）固含量45 vol%時分散劑用量對HA樹脂漿液粘度的影響和（b）分散劑用量2 wt%時固含量對HA樹脂漿液粘度的影響。

圖4（a）為HA生物陶瓷支架3D模型，圖4（b）為HA生物陶瓷支架。研究了采用DLP技術(shù)制備的HA生物陶瓷的生坯強度（彎曲強度和壓縮強度）。詳細討論了Solsperse 17000分散劑用量和固含量對生坯強度的影響。

圖4 HA生物陶瓷支架照片：（a）3D模型，（b）HA生物陶瓷支架，（c）燒結(jié)后的支架；（d） （c）的放大照片。

當固含量為45 vol%時，分散劑用量對生坯強度的影響如圖5所示。結(jié)果表明，隨著分散劑用量的增加用DLP技術(shù)制備的HA生物陶瓷生坯的抗折強度和抗壓強度均呈先增大后減小的趨勢。分散劑用量為2 wt%時，生坯的抗彎強度和抗壓強度均達到最高值，分別為27.8 MPa和161.9 MPa。生坯強度高，便于進行后續(xù)的運輸和燒結(jié)。因此，HA樹脂漿的最佳分散劑用量為2 wt%。

圖5 分散劑用量對HA生物陶瓷生坯（固含量：45 vol%）抗彎強度（a）和抗壓強度（b）的影響。

在確定最佳分散劑用量為2 wt%后，進一步探討固含量對HA樹脂漿料生坯的抗彎強度和抗壓強度的影響，如圖6所示。在40 vol%、45 vol%和50 vol%漿料中，HA生物陶瓷生坯的抗彎強度分別為36.5、27.8和25.4 MPa，如圖6（a）所示。隨著固含量的增加，HA生坯的強度相應(yīng)降低。這一現(xiàn)象與圖3所示的固含量對HA樹脂漿料粘度影響的結(jié)果高度一致。研究發(fā)現(xiàn)，高固體含量的漿料具有較高的粘度。高粘度通常導致HA樹脂漿料分散較差，生坯組織不均勻。如圖6（b）所示，40 vol%、45 vol%和50 vol%漿料中生坯的抗壓強度分別為144.6 MPa、161.9 MPa和145.5 MPa。隨著固含量的增加，生坯的抗壓強度先增大后減小。隨著固含量的增加，生坯中耐壓固體顆粒增多，壓縮強度提高。但隨著固含量的進一步增加，生坯的均勻性變差，壓縮強度反而下降。當固含量為45 vol%時，其抗壓強度最高，為161.9 MPa。結(jié)果表明，HA樹脂漿料的固含量為45 vol%。   

圖6 固含量對HA生物陶瓷生坯（分散劑用量為2 wt%）的抗彎強度和抗壓強度的影響。

在陶瓷支架中，必須先燃燒掉生坯中的聚合物，包括樹脂和分散劑。與傳統(tǒng)的膠態(tài)處理技術(shù)相比，HA樹脂漿料中的聚合物更多，導致粘結(jié)劑去除行為更加復雜。通過室溫至800 ℃的DTA-TG分析，分析了HA生物陶瓷生坯的聚合物燒蝕行為，如圖7（a）所示。我們發(fā)現(xiàn)即使是由HEMA-HDDA-TMPTA復合樹脂單體組成的樹脂體系，TG曲線也只有一個主要的大失重峰。究其原因，應(yīng)該是這三種樹脂單體的化學成分幾乎相同，分子結(jié)構(gòu)相似。330 ℃之前，失重率很小，僅為2.59%，主要原因是體系中分子水、未交聯(lián)樹脂單體等低油點小分子的揮發(fā)。當溫度升高到330 ℃時，樹脂失重速率呈指數(shù)級增加，導致DTA曲線出現(xiàn)明顯的放熱峰。當溫度達到480℃時，劇烈熱分解接近完成失重率高達96.26%。當溫度進一步升高時，TG曲線變得平緩，重量損失變得很小。由于在330 ~ 480 ℃之間熱分解劇烈，重量損失大，應(yīng)在非常緩慢的加熱速率下，以避免缺陷和裂紋，這主要是由于粘結(jié)劑去除過程中大量氣體引起的較大內(nèi)應(yīng)力引起的。由于部分交聯(lián)度較高的大分子基團的熱分解，TG曲線在480 ~ 650 ℃之間出現(xiàn)了2%左右的失重，DTA曲線出現(xiàn)了放熱峰。之后TG曲線趨于水平，不再發(fā)生分解反應(yīng)。因此，采用DLP技術(shù)制備的HA生物陶瓷支架的燒結(jié)方案如圖7（b）所示。   

圖7（a）HA生物陶瓷支架的DTA-TG曲線和（b） HA生物陶瓷支架的燒結(jié)制度。

表1列出了相對密度、平均收縮率、抗彎強度和抗壓強度。首先設(shè)定燒結(jié)溫度為1200℃，研究固含量對燒結(jié)HA生物陶瓷相對密度、平均收縮率、抗彎強度和抗壓強度的影響。圖8（a）顯示了固含量對HA生物陶瓷相對密度和平均收縮率的影響。燒結(jié)溫度為1200℃時，40 vol%、45 vol%和50 vol%固含量下HA生物陶瓷的相對密度分別為63.5%、66.6%和68.3%，適用于醫(yī)療領(lǐng)域。在40 vol%，45 vol%和50 vol%固含量下，HA生物陶瓷的收縮率分別為18.7%，17.2%和14.8%。結(jié)果表明，隨著固含量的增加，相對密度增大，收縮率減�。粷{料中陶瓷顆粒的數(shù)量增多，因此HA生物陶瓷的相對密度相應(yīng)增大，收縮率反而減小。圖8（b）進一步顯示了固含量對HA生物陶瓷支架的抗彎強度和抗壓強度的影響。在40 vol%，45 vol%和50 vol%固含量下，HA生物陶瓷的抗彎強度分別為7.5 MPa,10.0 MPa和12.9 MPa，抗壓強度分別為9.3 MPa、12.0 MPa和12.5 MPa。

HA生物陶瓷的抗壓強度隨著固含量的增加而增加，這也與相對密度隨固含量的增加而增大有關(guān)。這些結(jié)果可以通過微觀組織觀察進一步確定。圖9為不同固含量的生物陶瓷的SEM圖。隨著固含量的增加，固體陶瓷顆粒增多，孔隙減少。因此，相對密度、抗彎強度和抗壓強度增加，收縮率相應(yīng)降低。為了使HA生物陶瓷能應(yīng)用于臨床，其強度必須滿足外科手術(shù)的要求；因此，HA樹脂漿料的最佳固含量為50 vol%。

       

表1 燒結(jié)后HA生物陶瓷的相對密度、平均收縮率、彎曲強度和壓縮強度   

圖8 固含量對（a）相對密度和平均收縮率以及（b）抗彎強度和抗壓強度（燒結(jié)溫度：1200℃）的影響。   

圖9 1200 ℃燒結(jié)HA生物陶瓷的SEM圖：（a） 40 vol%， （b） 45 vol%， （c）50 vol%，（d）（c）的高放大倍數(shù)。

圖10為固含量為50 vol%時，燒結(jié)溫度對燒結(jié)生物陶瓷的相對密度、收縮率、抗彎強度和抗壓強度的影響。如圖10（a）所示，相對密度和收縮率隨著燒結(jié)溫度的升高而增加。這是由于隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷顆粒更加聚集，陶瓷的密度增大。圖11為不同溫度燒結(jié)HA生物陶瓷的SEM圖。結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷孔隙數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)更致密。顯微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果與圖10所示的相對密度結(jié)果吻合良好。隨著燒結(jié)溫度的升高，抗彎強度先升高后降低，而抗壓強度始終升高（圖10（b））。通過XRD分析燒結(jié)過程中的相變化，可以進一步探討產(chǎn)生這些結(jié)果的具體原因。

討論了燒結(jié)溫度對相組成和相變的影響。除了目標燒結(jié)溫度外，還對原料和800℃燒結(jié)的HA生物陶瓷進行了研究。圖12為HA粉末和不同燒結(jié)溫度（800、1200、1250、1300℃）下HA生物陶瓷的XRD譜圖。對于原料粉末，只有從XRD圖譜上觀察到HA的特征峰。通常，純化學計量（Ca原子和P原子的摩爾比，Ca/P = 10/6）HA粉體的合成是非常困難和具有挑戰(zhàn)性的，總存在少量不可避免的非化學計量（Ca/P < 10/6） HA粉體。然而，在XRD圖譜中未檢測到微量非化學計量的HA相。對于800℃燒結(jié)的HA生物陶瓷，發(fā)現(xiàn)β-TCP峰相對較弱，表明發(fā)生了從HA到TCP的相變。這是由于熱誘導相變由非化學計量（Ca/P < 10/6） HA相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?TCP相，從而產(chǎn)生了圖7（a）所示的放熱峰。   

隨著加熱溫度的進一步升高（1200、1250和1300℃），β-TCP相的峰形狀變得更加清晰，吸收峰強度也變得更高。這一現(xiàn)象表明，隨著溫度的升高，β-TCP的相變量逐漸增多。在較高的溫度下，化學計量性HA生物陶瓷可能發(fā)生脫水分解反應(yīng)。

實際上，非化學計量HA生物陶瓷，通常被稱為缺鈣羥基磷灰石（CDHA），也是一種與化學計量HA生物陶瓷非常相似的陶瓷，具有優(yōu)異的生物相容性和成骨誘導性能。羥基磷灰石生物陶瓷無論是化學計量還是非化學計量，都是一種合適的生物骨材料。此外，HA與β-TCP的混合物一直被稱為雙相磷酸鈣生物陶瓷。據(jù)報道，雙相磷酸鈣具有良好的機械、生物相容性和骨誘導性能的組合。

如圖10（b）所示，在1200℃、1250℃和1300℃燒結(jié)的HA生物陶瓷的抗彎強度分別為12.9 MPa、18.3 MPa和12.1 MPa�？箯潖姸入S燒結(jié)溫度的升高先升高后降低。這是因為燒結(jié)溫度從1200℃升高到1250℃時，致密化更加明顯；然而，相變反應(yīng)也變得更明顯（圖12）。通常，由于HA相與β-TCP相的熱膨脹系數(shù)不匹配，相變會導致不可避免的裂紋。圖13顯示了1300℃燒結(jié)HA生物陶瓷中存在的典型裂紋，甚至粒子之間都有明顯的裂縫。這些裂縫導致抗彎強度呈下降趨勢。值得注意的是，抗壓強度受裂縫影響較小。在1200℃、1250℃和1300℃燒結(jié)的HA生物陶瓷抗壓強度分別為12.5 MPa、16.9 MPa和18.1 MPa�？箟簭姸入S著燒結(jié)溫度的升高而升高，這是因為相對密度相應(yīng)增大。同時考慮彎曲強度和壓縮強度，本研究選擇的最佳燒結(jié)溫度為1250℃。

圖10 燒結(jié)溫度對（a）相對密度和收縮率以及（b）彎曲強度和壓縮強度（固含量：50 vol%）的影響。   

圖11 HA生物陶瓷（固含量：50 vol%）的SEM圖像：（a）1200℃，（b）1250℃，（c）1300℃；（d）（c）的高放大倍數(shù)。

圖12 HA原粉和HA生物陶瓷的XRD譜圖

圖4（a）為HA生物陶瓷支架的3D模型。采用螺旋千分尺測量不同固含量下，采用DLP技術(shù)制備的HA生物陶瓷支架的定向尺寸（多孔支架結(jié)構(gòu)的高度、直徑和孔徑），如表2所示。支架的設(shè)計高度、直徑和孔徑分別為12.0 mm，10.0 mm和1.0 mm。HA生物陶瓷支架的高度、直徑和孔徑值與圖8和圖10的收縮率結(jié)果吻合較好。50 vol%固含量的漿料制備出的HA生物陶瓷支架表現(xiàn)出最佳的形狀保持能力，這進一步說明HA樹脂漿料的最佳固含量為50 vol%。此外，圖4（c）和圖4（d）為燒結(jié)HA生物陶瓷支架的光學顯微鏡圖片，可以觀察到HA生物陶瓷支架保持了較高的制造精度和質(zhì)量。

表2 HA生物陶瓷支架的方向尺寸   

圖13 1300 ℃燒結(jié)（固含量：50 vol%） HA生物陶瓷的SEM圖：（a, b）不同位置的裂紋。

在室溫下，以0.05 mm/min的十字頭速度測量HA生物陶瓷支架的抗壓強度。在本研究中，總孔隙率為HA生物陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)孔隙率和支架結(jié)構(gòu)的晶格孔隙率之和。表3列出了來自不同固含量的HA生物陶瓷支架的總孔隙率和抗壓強度。由于HA生物陶瓷的相對密度不同，在考慮材料孔隙率和結(jié)構(gòu)孔隙率的情況下，測量并計算了總孔隙率。在40 vol%， 45 vol%和50 vol%固含量的漿料中，HA生物陶瓷支架的總孔隙率分別為54.52%，52.41%和49.32%。變化趨勢與材料的相對密度結(jié)果和設(shè)計孔隙率非常吻合。圖14顯示了不同固含量漿料的HA生物陶瓷支架的壓縮強度-壓縮應(yīng)變曲線。采用斷裂時的最大載荷計算每種條件下的抗壓強度。因此，在40 vol%、45 vol%和50 vol%固含量的漿料中，HA生物陶瓷支架的抗壓強度分別為1.45、1.76和1.92 MPa（表3）。該抗壓強度范圍內(nèi)的多孔生物陶瓷支架適用于醫(yī)療應(yīng)用。此外，HA生物陶瓷支架的抗壓強度值與人的松質(zhì)骨的抗壓強度值（~1.9 MPa）相近，表明DLP制備的HA生物陶瓷支架具有良好的臨床應(yīng)用潛力。在壓縮過程中，出現(xiàn)了典型的壓縮破壞模式，包括脆性斷裂和破碎。圖15（a）顯示了HA生物陶瓷支架在壓縮載荷下的變形過程。生物陶瓷支架在壓縮作用下的破壞機制有4個典型階段，如圖15（b）所示：（Ⅰ）壓縮：在軸向壓縮荷載作用下，支架變得致密，壓縮荷載達到第一個峰值；（Ⅱ）膨脹：支架腰部部分膨脹，壓縮荷載緩慢下降，然后負荷再次增加；（Ⅲ）剪切：荷載達到最大值后，發(fā)生剪切脆性斷裂，腳手架被壓碎；（Ⅳ）倒塌：腳手架被壓成碎片，負荷下降。HA生物陶瓷支架表現(xiàn)出與骨組織相似的強度和負荷條件下的行為，可用于實際臨床應(yīng)用。   


表3 1250℃燒結(jié)HA生物陶瓷支架的總孔隙率和抗壓強度

圖 14 1250℃燒結(jié)HA生物陶瓷支架的壓縮強度-應(yīng)變曲線

圖15 （a） HA生物陶瓷支架在壓縮荷載下的變形過程和（b）破壞機制。

通過測試不同浸泡時間下Tris-HCl溶液pH值的變化來評價HA生物陶瓷支架的體外行為。Tris-HCl溶液的pH值變化如圖所示16，Tris-HCl原液pH值為7.5。HA生物陶瓷支架在溶液中浸泡不同周后，檢測溶液pH值的變化。隨著浸泡時間的增加，溶液的pH值也相應(yīng)增加。浸泡三周后pH值可達8.2。但pH值在3 ~ 4周內(nèi)基本保持不變。原因是在Tris-HCl溶液中HA溶解時PO43-與H+的螯合作用。圖16還給出了不同浸泡時間下HA陶瓷支架的失重值。浸泡兩周后，陶瓷支架的重量損失值達到11.2%，浸泡兩周后，陶瓷支架的重量損失顯著增加。3 ~ 4周失重值基本保持不變（11.9% ~ 12.2%），與pH值結(jié)果吻合較好，浸泡4周后失重值為12.2%。已知多孔HA生物陶瓷具有一定的降解行為，且隨著浸泡時間的增加，多孔HA生物陶瓷支架的失重率增加。在Tris-HCl溶液中的腐蝕過程中，HA生物陶瓷表面的鈣、磷離子溶解并與溶液中的離子交換，達到平衡狀態(tài)。隨著降解和離子交換過程的進行，HA生物陶瓷內(nèi)部的離子逐漸參與反應(yīng)。多孔HA生物陶瓷支架降解速率先快后慢，最終趨于穩(wěn)定。眾所周知，適當?shù)慕到馑俾士梢员３侄嗫譎A生物陶瓷支架的初始力學性能，并為骨細胞的生長提供足夠的時間。因此，多孔HA生物陶瓷支架的減重表現(xiàn)出優(yōu)異的降解性能，在骨組織工程中具有良好的應(yīng)用潛力。   

圖16 Tris-HCl溶液pH值變化及HA陶瓷支架失重情況。

5. 結(jié)論
本研究采用基于DLP的增材制造技術(shù)制備了HA生物陶瓷支架。對HA樹脂漿料的分散、DLP制備工藝、HA生物陶瓷支架的燒結(jié)以及HA生物陶瓷支架的力學性能和生物相容性進行了研究和討論。以Solsperse 17000為分散劑，得到高分散性的HA樹脂漿料。最佳分散劑投加量為2 wt%，固含量為50 vol%，燒結(jié)溫度為1250℃。采用DLP技術(shù)制備的HA生物陶瓷支架保持了高制造精度和質(zhì)量。通過研究HA生物陶瓷支架的力學性能、生物相容性、抗壓強度和降解性能，得出HA生物陶瓷支架具有良好的骨組織工程應(yīng)用潛力。綜上所述，基于DLP的增材制造技術(shù)可用于制備HA生物陶瓷支架，并且在骨組織工程中具有良好的臨床潛力。值得注意的是，未來應(yīng)該對其制備和生物相容性進行更詳細的研究，特別是體內(nèi)和體外試驗。

6. 文章鏈接
Chengwei Feng ,Keqiang Zhang ,Rujie He ,Guojiao Ding ,Min Xia ,Xinxin Jin ,Chen Xie.Additive manufacturing of hydroxyapatite bioceramic scaffolds: Dispersion, digital light processing, sintering, mechanical properties, and biocompatibility[J].Journal of Advanced Ceramics, 2020, 9(3):14.
DOI:10.1007/s40145-020-0375-8.

原文鏈接：Additive manufacturing of hydroxyapatite bioceramicscaffolds Dispersion, digital light processing, sintering,mechanical properties, and biocompatibility.pdf