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

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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

引用格式：

Huifeng Shao, Zhiheng Nian, Zhuoluo Jing, Tao Zhang, Jiahua Zhu, Xiang Li, Youping Gong, Yong He. Additive Manufacturing of Hydroxyapatite Bioceramic Scaffolds with Projection Based 3D Printing. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, Volume 1, Issue 2, 2022.

下载链接：

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100021

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

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

试验方法

系统研究了不同固含量陶瓷浆料的流变特性，针对50wt%固含量的羟基磷灰石浆料，进行可打印性验证；分析了打印精度的影响因素，对固化层厚与曝光量之间的关系进行研究；进行复杂模型的打印测试，验证设备的造型能力和打印精度；研究了胚体脱脂烧结工艺，测量不同烧结温度下胚体的收缩率；对陶瓷骨支架进行力学性能测试；利用MC3T3-E1前成骨细胞与支架共同培养，从细胞粘附、活死表征、细胞增殖及成骨化等维度评价支架的生物性能。

图3 打印工艺分析

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

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。

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

贺永，国家优秀青年科学基金获得者，现任浙江大学机械工程学院教授，博士生导师，流体动力与机电系统国家重点实验室副主任，Bio-Design Manufacturing 期刊副主编、Biofabrication、Engineered Regeneration及Applied Sciences期刊编委。从事增材制造（3D打印）、生物制造等方面的研究工作，主持国家优青、联合基金重点等国家自然科学基金4项，重点研发计划、国家支撑计划、国家数控重大专项课题及省部级课题多项，基金委创新群体项目“运动系统组织工程与再生研究”核心成员，出版生物3D打印专著2本，专著章节5章，授权发明专利50余件（其中9件已转化到企业形成产品），在包括《Advanced Functional Materials》、《Materials Horizons》、《Small》、《Biofabrication》等期刊发表SCI论文100余篇，H因子44，论文被引6000次。担任机械工程学会生物制造分会常务委员、国家医用增材制造标准委员会设备组牵头人、创建EFL品牌（Engineering for Life），致力于医工交叉研究及成果转化。

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

[1] Xie M J, Shi Y, He Y, et al. In situ 3D bioprinting with bioconcrete bioink, Nature Communications, 2022, 13, 3597.

[2] Yu K, Zhang X, He Y, et al. Printability during projection-based 3D bioprinting. Bioactive Materials, 2022, 11: 254-267.

[3] Jin Z, He C, He Y et al. Balancing the customization and standardization exploration and layout surrounding the regulation of the growing field of 3D-printed medical devices in China, Bio-Design and Manufacturing, 2022, 5: 58-606.

[4]Jin Z, Li Y, He Y, et al. 3D Printing of Physical Organ Models: Recent Developments and Challenges. Advanced Science, 2021, 8(17): 2101394.

[5] Sun Y, Yu K, He Y, et al. Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection-based 3D bioprinting. Biofabrication, 2021,13: 035032.

[6] Li Y, Lv S, He Y, et al. Peripheral Nerve Regeneration with 3D Printed Bionic Scaffolds Loading Neural Crest Stem Cell Derived Schwann Cell Progenitors, Advanced Functional Materials, 2021, 31(16): 2010215.

来源：机械工程学报

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来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-03-19