增材制造能快速簡(jiǎn)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(jī)械性能，但是會(huì)降低或延遲生物活性，從而阻礙新骨的生長(zhǎng)。幸運(yùn)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(guó)陶瓷學(xué)會(huì)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(qiáng)度結(jié)合起來而設(shè)計(jì)的。初始玻璃配方接近“金標(biāo)準(zhǔn)”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锵嗳菪院涂咕阅芡?，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(xiàng)由意大利帕多瓦大學(xué)、埃及國(guó)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(jìn)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(guó)陶瓷學(xué)會(huì)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(jī)化合物排放的潛力。此外，PDCs的單步燒制縮短了循環(huán)時(shí)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(xì)節(jié); D）燒制后邊緣視圖。圖片來源：Elsayed等、美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)雜志 / Wiley

從廉價(jià)的商業(yè)有機(jī)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(yàn)部件具有高孔隙率（60％至75％），支架的抗壓強(qiáng)度在7MPa左右，泡沫塑料的抗壓強(qiáng)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(jiǎn)單的方法，幾乎具有相同的晶體相。”