增材制造能快速簡便地制造生物活性玻璃陶瓷

來源： 新材贏家


生物活性玻璃是一種新興技術(shù)，具有組織工程，特別是骨替代所需的許多特性。不幸的是，生物活性玻璃受其固有脆性的限制。將生物活性玻璃晶化成玻璃陶瓷可以改善生物活性玻璃的機械性能，但是會降低或延遲生物活性，從而阻礙新骨的生長。幸運的是，研究人員已經(jīng)找到了一種方法，可以在不喪失生物活性的情況下，成功地形成部分或完全結(jié)晶的生物活性玻璃陶瓷。

3D打印支架的形態(tài)：A）3D打印后的生坯 B）1000℃熱處理后的玻璃陶瓷樣品。

圖片來源：Elsayed等、美國陶瓷學(xué)會雜志 / Wiley

生物活性玻璃陶瓷是專為成功地將玻璃的生物活性與玻璃陶瓷的強度結(jié)合起來而設(shè)計的。初始玻璃配方接近“金標準”Bioglass®45S5，并且受控的雙階段熱處理可以使玻璃內(nèi)部結(jié)晶。

生物活性玻璃陶瓷除了具有與生物活性玻璃相當(dāng)?shù)纳�物相容性和抗菌性能外，還確保了其易加工性和可加工性。生物活性玻璃既不能制成復(fù)雜的形狀，也不能以低成本的方式發(fā)泡，因此在商業(yè)上只能局限于粉末狀、顆粒狀或小塊狀。相比之下，制造商可以將生物活性玻璃陶瓷制造成不同的幾何形狀，但是要通過昂貴的后處理。

這項由意大利帕多瓦大學(xué)、埃及國家研究中心、巴西圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員進行的研究旨在探索低成本制造具有復(fù)雜幾何形狀和泡沫的生物活性玻璃陶瓷。

在他們的研究中，包括美國陶瓷學(xué)會研究員EdgarD. Zanotto和Paolo Colombo在內(nèi)的研究人員使用聚合物衍生陶瓷(PDCs)，通過3D打印和直接發(fā)泡獲得了具有生物活性的玻璃陶瓷支架。PDCs具有降低原材料和加工成本以及減少揮發(fā)性有機化合物排放的潛力。此外，PDCs的單步燒制縮短了循環(huán)時間并提高了再現(xiàn)性。

3D打印支架的結(jié)構(gòu)：A）燒制前(預(yù)陶瓷)頂視圖; B）燒制后（陶瓷）頂視圖; C）燒制后線的尺寸和間距的細節(jié); D）燒制后邊緣視圖。圖片來源：Elsayed等、美國陶瓷學(xué)會雜志 / Wiley

從廉價的商業(yè)有機硅樹脂、碳酸鈣和碳酸鈉以及磷酸氫二鈉開始，研究人員生產(chǎn)出類似于生物活性玻璃陶瓷的成分。然后他們使用3D打印和直接發(fā)泡技術(shù)來制造復(fù)雜的玻璃陶瓷支架和成型泡沫。

他們燒制的試驗部件具有高孔隙率（60％至75％），支架的抗壓強度在7MPa左右，泡沫塑料的抗壓強度在1.5 - 6MPa之間。正如研究人員在他們的結(jié)論中所指出的，“我們證明了含有合適氧化物前驅(qū)體填料的預(yù)陶瓷聚合物可以被用于直接合成生物活性玻璃陶瓷，以一種快速而簡單的方法，幾乎具有相同的晶體相。”