基于3D打印和電解的凝膠鑄造多孔鉭支架

供稿人:田澤水,、高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來(lái)，鉭以其高強(qiáng)度,、延展性、耐腐蝕性和良好的生物相容性,，作為一種新型材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，尤其是骨科和牙科領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。此外,，多孔鉭具有低彈性模量,、高表面摩擦性能和良好的骨整合性能。

多孔鉭的制備多種多樣,。傳統(tǒng)的方法如空間保持器法,、化學(xué)氣相沉積法、先進(jìn)的增材制造技術(shù)如激光工程凈成型工藝（LENS）,、選擇性激光熔煉（SLM）等,。該技術(shù)會(huì)在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生封閉的氣孔和有機(jī)殘留物。通過(guò)化學(xué)氣相沉積法很難獲得受控結(jié)構(gòu),。此外,，增材制造技術(shù)以球形鉭粉為起始原料，球形鉭粉的制備難于其他金屬粉末,。由于鉭的高熔點(diǎn)和對(duì)氧的親和性,，對(duì)增材制造設(shè)備的能量束和掃描穩(wěn)定性要求很高,，這限制了多孔鉭支架的增材制造。

西安交通大學(xué)和上海大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種使用凝膠注模以制備基于3D打印的多孔前體Ta2O5的方法,，然后使用電解還原法制備鉭金屬支架,。該方法提供了一種直接從金屬氧化物前驅(qū)體制造近網(wǎng)狀金屬零件的方法。制備出的支架顯示出梯度孔隙結(jié)構(gòu),�,；���3D打印的凝膠鑄型形成一級(jí)宏觀孔隙，這種受控的互連孔隙為新生的血管形成和生長(zhǎng)提供了空間和隧道,。電解還原法制備第二級(jí)微孔,，促進(jìn)細(xì)胞在體外的增殖、生長(zhǎng)和遷移,。

研究人員以平均直徑為2μm的球形鉭粉為起始材料,，加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑,、催化劑,、分散劑等，經(jīng)過(guò)光固化工藝（SLA）,、凝結(jié),、燒結(jié)等一系列工藝制得多孔前體Ta2O5。而后將前體由多孔鎳箔包裹,、鐵鉻鋁合金絲固定作為陰極,，石磨棒為陽(yáng)極，用熔融CaCl2為電解質(zhì)進(jìn)行電解,。最后陰極處得到多孔鉭支架,。

圖1：Ta2O5前體(a)和Ta支架(b)的照片，在1200 C (C),、1300 C (d),、1500 C (e)燒結(jié)的Ta2O5前體的SEM圖像，以及還原的Ta支架(f),。

圖2：燒結(jié)后的Ta2O5前體和還原后的Ta支架的XRD圖譜(a),、Ta支架的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)。

圖3：培養(yǎng)1天(a),、4天(b)和7天(c)后的Ta支架細(xì)胞存活率,。

圖1所示為多孔互連結(jié)構(gòu)。圖2a所示的XRD圖譜證實(shí)了在燒結(jié)過(guò)程中支架剩余成份僅為Ta2O5以及電解后轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘巽g,。鉭支架的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2b,。圖3則顯示1、4,、7天后鉭支架上的細(xì)胞活力,。

此項(xiàng)研究為高熔點(diǎn)金屬可控多孔結(jié)構(gòu)的制作開(kāi)辟了一條新途徑,。制作得到的鉭支架具有接近松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度，有利于細(xì)胞的體外繁殖,，為鉭金屬在骨修復(fù)重建領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景,。

參考文獻(xiàn)：
1.G.Zhao,S.Li et al. Porous tantalum scaffold fabricated by gel casting based on 3D printing and electrolysis[J]. Materials Letters,2019,239;5-8.