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(xué)先進(jìn)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(xué)先進(jìn)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(fù)中,。由于HA優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性使其成為骨的人工替代材料,，它也可實(shí)現(xiàn)骨細(xì)胞在其表面粘附、增殖,、礦化,；也可以用于細(xì)胞浸潤(rùn)、血管生成,、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)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(wú)法準(zhǔn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的骨支架,。因此,，有必要開發(fā)一種先進(jìn)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(fèi),，無(wú)需加工就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的陶瓷。此外,，AM的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是能夠通過計(jì)算機(jī)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(bào)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�,。�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(diǎn),，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(chǔ)槽下方的投影設(shè)備投射到透明儲(chǔ)槽底部，通過控制成型臺(tái)與儲(chǔ)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(gè)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(fù)雜,、精度高的大型零件方面具有很大的優(yōu)勢(shì),。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(xué)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(fù)方面提供一個(gè)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(xì)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(jī)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(xué)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(jī)械性能和降解性能，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?br />
3. 實(shí)驗(yàn)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）由微米級(jí)顆粒和微米級(jí)顆粒表面的部分納米級(jí)顆粒組成,，如圖1。微米級(jí)HA顆粒的平均粒徑約為8 μm，而納米級(jí)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）作為樹脂單體,。HDDA-HEMA-TMPTA復(fù)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）作為光引發(fā)劑,。分散劑選用Solsperse 17000（中國(guó)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(duì)HA顆粒和HDDA-HEMA-TMPTA單體進(jìn)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(dǎo)入打印機(jī),。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(zhǎng)：405 nm,；強(qiáng)度：8000 μW/cm2；第一層曝光時(shí)間：35 s,；每層曝光時(shí)間：8 s）,，交聯(lián)形成單層。然后向上移動(dòng)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(duì)HA支架進(jìn)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(biāo)燒結(jié)溫度,，保溫120 min。目標(biāo)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(xué)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(qiáng)度測(cè)量是用3 mm × 4 mm × 36 mm（寬×高×長(zhǎng)）的條狀樣品通過機(jī)械試驗(yàn)機(jī)（Instron Legend 2367 testing system, USA）進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)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(cè)定了HA生物陶瓷的生坯和燒結(jié)后的抗壓強(qiáng)度,；在室溫下以0.05 mm/min的十字頭速度測(cè)量復(fù)合形狀支架的壓縮強(qiáng)度,。最少測(cè)試五個(gè)樣本以獲得平均值。

在Tris-HCl溶液中進(jìn)行了HA生物陶瓷支架的體外測(cè)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(jì)測(cè)量pH值,。然后用去離子水和無(wú)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(jì)算HA支架的失重情況。

3.6 其他表征測(cè)試

HA樹脂漿料粘度的測(cè)定是在中國(guó)平軒科學(xué)儀器有限公司的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的,。采用旋轉(zhuǎn)流變儀（MCR301, Anton Paar GmbH, Germany）測(cè)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(cè)定了去離子水中的相對(duì)密度。采用X射線衍射（XRD, Bruker D8 Advance, Germany）對(duì)不同溫度下熱解后的陶瓷的晶相進(jìn)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(dāng)Solsperse 17000分散劑用量為1 wt%時(shí),，粘度均高于分散劑用量為2 wt%和3 wt%時(shí)的粘度,，其原因是分散劑用量很小時(shí)，HA生物陶瓷顆粒未被分散劑有效改性,。由于布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的陶瓷顆粒發(fā)生碰撞,，導(dǎo)致未吸附分散劑的陶瓷顆粒粘附團(tuán)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(jī)保護(hù)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(dá)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(huì)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(dǎo)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(dāng)分散劑用量為1 wt%時(shí)漿料的粘度小于分散劑用量為2 wt%時(shí)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(zhǎng)相互纏繞在一起,，形成了一個(gè)混合聚合物網(wǎng)絡(luò)，因此導(dǎo)致了更高的粘度,。剪切離心力進(jìn)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(jìn)一步研究固含量對(duì)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(huì)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(duì)密度和力學(xué)性能，認(rèn)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?yàn)椋?0 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(dǎo)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(duì)強(qiáng)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(jìn)一步探討,。   

圖3 （a）固含量45 vol%時(shí)分散劑用量對(duì)HA樹脂漿液粘度的影響和（b）分散劑用量2 wt%時(shí)固含量對(duì)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(qiáng)度（彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度）,。詳細(xì)討論了Solsperse 17000分散劑用量和固含量對(duì)生坯強(qiáng)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(dāng)固含量為45 vol%時(shí),，分散劑用量對(duì)生坯強(qiáng)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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì),。分散劑用量為2 wt%時(shí),，生坯的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高值，分別為27.8 MPa和161.9 MPa,。生坯強(qiáng)度高,，便于進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)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(duì)HA生物陶瓷生坯（固含量：45 vol%）抗彎強(qiáng)度（a）和抗壓強(qiáng)度（b）的影響。

在確定最佳分散劑用量為2 wt%后,，進(jìn)一步探討固含量對(duì)HA樹脂漿料生坯的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度相應(yīng)降低,。這一現(xiàn)象與圖3所示的固含量對(duì)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度提高。但隨著固含量的進(jìn)一步增加,，生坯的均勻性變差,，壓縮強(qiáng)度反而下降。當(dāng)固含量為45 vol%時(shí),，其抗壓強(qiáng)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(duì)HA生物陶瓷生坯（分散劑用量為2 wt%）的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(dǎo)致粘結(jié)劑去除行為更加復(fù)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(fù)合樹脂單體組成的樹脂體系,，TG曲線也只有一個(gè)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(xué)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(diǎn)小分子的揮發(fā),。當(dāng)溫度升高到330 ℃時(shí),，樹脂失重速率呈指數(shù)級(jí)增加，導(dǎo)致DTA曲線出現(xiàn)明顯的放熱峰,。當(dāng)溫度達(dá)到480℃時(shí),，劇烈熱分解接近完成失重率高達(dá)96.26%。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí),，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(tuán)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(duì)密度,、平均收縮率,、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。首先設(shè)定燒結(jié)溫度為1200℃,，研究固含量對(duì)燒結(jié)HA生物陶瓷相對(duì)密度,、平均收縮率、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響,。圖8（a）顯示了固含量對(duì)HA生物陶瓷相對(duì)密度和平均收縮率的影響,。燒結(jié)溫度為1200℃時(shí)，40 vol%,、45 vol%和50 vol%固含量下HA生物陶瓷的相對(duì)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(duì)密度增大,，收縮率減小,；漿料中陶瓷顆粒的數(shù)量增多,，因此HA生物陶瓷的相對(duì)密度相應(yīng)增大，收縮率反而減小,。圖8（b）進(jìn)一步顯示了固含量對(duì)HA生物陶瓷支架的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別為7.5 MPa,10.0 MPa和12.9 MPa,，抗壓強(qiáng)度分別為9.3 MPa、12.0 MPa和12.5 MPa,。

HA生物陶瓷的抗壓強(qiáng)度隨著固含量的增加而增加,，這也與相對(duì)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(jìn)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(duì)密度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(duì)密度,、平均收縮率、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度   

圖8 固含量對(duì)（a）相對(duì)密度和平均收縮率以及（b）抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(shí)，燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)生物陶瓷的相對(duì)密度,、收縮率,、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。如圖10（a）所示,，相對(duì)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(duì)密度結(jié)果吻合良好,。隨著燒結(jié)溫度的升高，抗彎強(qiáng)度先升高后降低,，而抗壓強(qiáng)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(jìn)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(duì)相組成和相變的影響,。除了目標(biāo)燒結(jié)溫度外，還對(duì)原料和800℃燒結(jié)的HA生物陶瓷進(jìn)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(duì)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(xué)計(jì)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(xué)計(jì)量（Ca/P < 10/6） HA粉體,。然而,，在XRD圖譜中未檢測(cè)到微量非化學(xué)計(jì)量的HA相。對(duì)于800℃燒結(jié)的HA生物陶瓷,，發(fā)現(xiàn)β-TCP峰相對(duì)較弱,，表明發(fā)生了從HA到TCP的相變。這是由于熱誘導(dǎo)相變由非化學(xué)計(jì)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(jìn)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(qiáng)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(xué)計(jì)量性HA生物陶瓷可能發(fā)生脫水分解反應(yīng),。

實(shí)際上，非化學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)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(dǎo)性能,。羥基磷灰石生物陶瓷無(wú)論是化學(xué)計(jì)量還是非化學(xué)計(jì)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(bào)道，雙相磷酸鈣具有良好的機(jī)械,、生物相容性和骨誘導(dǎo)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(qiáng)度分別為12.9 MPa,、18.3 MPa和12.1 MPa,。抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高先升高后降低,。這是因?yàn)闊�結(jié)溫度從1200℃升高到1250℃時(shí),，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(huì)導(dǎo)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(dǎo)致抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),。值得注意的是，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別為12.5 MPa,、16.9 MPa和18.1 MPa,。抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而升高,，這是因?yàn)橄鄬?duì)密度相應(yīng)增大,。同時(shí)考慮彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，本研究選擇的最佳燒結(jié)溫度為1250℃,。

圖10 燒結(jié)溫度對(duì)（a）相對(duì)密度和收縮率以及（b）彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)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(cè)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(jì)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(jìn)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(xué)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(cè)量HA生物陶瓷支架的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度,。由于HA生物陶瓷的相對(duì)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(cè)量并計(jì)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(shì)與材料的相對(duì)密度結(jié)果和設(shè)計(jì)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(qiáng)度-壓縮應(yīng)變曲線,。采用斷裂時(shí)的最大載荷計(jì)算每種條件下的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分別為1.45,、1.76和1.92 MPa（表3）,。該抗壓強(qiáng)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(qiáng)度值與人的松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)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(jī)制有4個(gè)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(dá)到第一個(gè)峰值,；（Ⅱ）膨脹：支架腰部部分膨脹,，壓縮荷載緩慢下降，然后負(fù)荷再次增加,；（Ⅲ）剪切：荷載達(dá)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(fù)荷下降。HA生物陶瓷支架表現(xiàn)出與骨組織相似的強(qiáng)度和負(fù)荷條件下的行為,，可用于實(shí)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(qiáng)度

圖 14 1250℃燒結(jié)HA生物陶瓷支架的壓縮強(qiáng)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(jī)制。

通過測(cè)試不同浸泡時(shí)間下Tris-HCl溶液pH值的變化來評(píng)價(jià)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(cè)溶液pH值的變化,。隨著浸泡時(shí)間的增加，溶液的pH值也相應(yīng)增加,。浸泡三周后pH值可達(dá)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(shí)PO43-與H+的螯合作用,。圖16還給出了不同浸泡時(shí)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(dá)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(shí)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(dá)到平衡狀態(tài),。隨著降解和離子交換過程的進(jìn)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(dāng)?shù)慕到馑俾士梢员３侄嗫譎A生物陶瓷支架的初始力學(xué)性能,，并為骨細(xì)胞的生長(zhǎng)提供足夠的時(shí)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(duì)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(xué)性能和生物相容性進(jìn)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(xué)性能,、生物相容性、抗壓強(qiáng)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(duì)其制備和生物相容性進(jìn)行更詳細(xì)的研究,，特別是體內(nèi)和體外試驗(yàn),。

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