浙大贺永教授团队丨基于投影式3D打印的生物陶瓷支架的增材制造
基于投影式3D打印的羟基磷灰石生物陶瓷支架的增材制造
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100021
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研究背景及目的
投影式光固化3D打印能够制造几何形状复杂、精度高的零件，适合制造复杂的生物陶瓷支架。然而，常规的投影式3D打印只能使用低粘度的陶瓷浆料，烧结后会导致零件严重收缩，不适合用于高精度的生物陶瓷支架制备。
图1 陶瓷结构
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论文亮点
本文开发了一款适用于生物陶瓷多孔支架制造的投影式3D打印设备，克服了常规投影式3D打印设备无法打印高粘度浆料的缺陷，所开发的设备具备体积小巧、造价低廉、节约昂贵生物耗材等优点，能够制造出精度高达微米级、结构复杂、孔径孔形可控、孔道结构完全贯通、孔隙率可控的具有良好生物活性的陶瓷多孔支架。
图2 生物陶瓷支架的投影式光固化3D打印设备
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试验方法
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结果
测得不同固含量浆料的流变特性，拟合出固化层厚与曝光量自然对数之间的线性关系，确定了一组较优的打印参数：固含量为50wt%，光强为2000 μW/cm2，固化时间为5 s，层厚为50μm。确定了最佳的胚体脱脂烧结温度曲线，得到了胚体的收缩率（X、Y方向31.47%，Z方向28.42%），实现了复杂结构的陶瓷件制造。经过1100oC烧结的羟基磷灰石支架具有6.18 MPa的抗压强度和0.38 GPa的杨氏模量，可达到人体松质骨的强度水平，同时经过高温脱脂烧结后的羟基磷灰石陶瓷支架不具备生物毒性，粘附在支架表面的细胞存活性较高，支架具有一定的生物活性和骨诱导性，可促进前成骨细胞的增殖和成骨细胞分化。
图4 羟基磷灰石支架的骨诱导特性
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结论
本文开发了一款能够用于生物陶瓷多孔支架制造的投影式3D打印设备，能够制造精度高达微米级、结构复杂、孔径孔形可控、孔道结构完全贯通、孔隙率可控的陶瓷支架，制造的羟基磷灰石支架的力学强度可达人体松质骨的强度水平。体外细胞培养实验表明羟基磷灰石支架不具备毒性，由于其自身的材料特性和结构特性，还能够促进细胞粘附、增殖和分化。
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前景与应用
本文开发的投影式3D打印设备具备体积小巧、造价低廉、节约昂贵生物耗材等优点，能够用于高粘度浆料的光固化成型，且制造的生物陶瓷支架精度高、结构可控、无毒性，有望用于骨缺损修复用的陶瓷支架的制造。
团队带头人介绍
团队研究方向
团队致力于3D打印（增材制造）、生物制造（组织工程）、医疗器械装备、陶瓷增材制造等方面的研究工作。
近年团队发表文章
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来源：机械工程学报
