西工大蘇海軍團隊陶瓷頂刊：光固化3D打印生物活性陶瓷！

來源：材料科學與工程

骨組織具有天然再生能力，足以愈合小部位的損傷，如裂紋和某些類型的骨折，但如果骨缺損尺寸超過2cm將無法自行愈合。相比生物惰性金屬/陶瓷、自體骨、異體骨，磷酸鈣生物活性陶瓷因具有良好的生物相容性、骨傳導性、安全性以及低成本等優(yōu)勢被廣泛應用于骨科和牙科臨床治療中，如治療骨缺損、骨折、關節(jié)置換、種植牙、牙周治療和顱頜面重建等。然而，磷酸鈣生物活性陶瓷的力學性能僅限于非承重骨組織的修復，其誘導骨再生的效率還待進一步提升。通過引入生物活性金屬離子（Fe3+、Mg2+、Sr2+等）提升生物活性陶瓷性能是研究者們關注的一個熱點研究領域。

近年來，光固化3D打印技術以優(yōu)異的成形精度在制備具有任意解剖外形和內(nèi)部多孔結構的骨科和牙科植入物領域中顯示出巨大的優(yōu)勢。因此，利用光固化3D打印技術快速精確制備骨科、牙科植入物具有廣闊的應用前景和經(jīng)濟價值。

近日，西北工業(yè)大學蘇海軍教授團隊利用光固化3D打印技術制備了Fe、MgO摻雜雙相磷酸鈣（BCP）生物活性陶瓷，探究了Fe、MgO摻雜對光固化成形BCP生物陶瓷力學性能、生物降解性以及細胞毒性的影響規(guī)律和機制。結果表明，1 wt% Fe摻雜使得光固化3D打印雙相磷酸鈣陶瓷的抗彎強度從91.61 MPa提升到122.60 MPa，1 wt% MgO摻雜提升了BCP陶瓷在模擬體液中的降解速率，促進了表面活性相的生成，同時促進了小鼠成骨前體（MC3T3-E1）細胞的增殖。相關工作以題為“Enhanced mechanical properties and biological responses of SLA 3D printed biphasic calcium phosphate bioceramics by doping bioactive metal elements”的研究論文發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society (43) 2023 4167-4178。

原文連接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.007

圖1 (a) BCP、(b) MgO-BCP、(c) Fe2O3-BCP、(d) Fe-BCP漿料照片，(e)漿料固化深度與照射能量的擬合曲線。

如圖1所示，MgO、Fe2O3、Fe的加入使BCP陶瓷漿料的固化能力發(fā)生了不同程度的改變。其中Fe2O3、Fe的加入使得BCP漿料的穿透深度（Dp）由326.94 μm下降到91.03 μm和190.26 μm。一方面因為Fe2O3和Fe的加入使BCP漿料變?yōu)樯钌珴{料，導致作用在光敏樹脂上的光能量變少，降低了固化深度。另一方面是因為Fe2O3、Fe具有高的折射率，F(xiàn)e2O3和Fe的加入進一步導致陶瓷顆粒與樹脂之間的折射率差上升，進而導致固化深度下降。MgO折射率（1.73-1.76）與BCP粉料折射率（~1.62）接近，因此MgO摻雜并未導致BCP漿料固化性能發(fā)生明顯下降。

圖2. 元素摻雜BCP陶瓷顯微組織和晶粒尺寸分布。(a, a1) BCP，(b, b1) MgO-BCP、(c, c1) Fe2O3-BCP、(d, d1) Fe-BCP.

1 wt% MgO摻雜使得BCP陶瓷孔隙數(shù)量變多，阻礙了BCP陶瓷的致密化，但細化了BCP晶粒。0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜提高了BCP陶瓷在1250℃燒結后的致密度，含鐵新相位于BCP晶粒的三角晶界處，在一定程度上提升了基體的抗彎強度。

圖3. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP陶瓷的(a)抗彎強度和彈性模量、(b)硬度和斷裂韌性。

圖3為元素摻雜BCP陶瓷的力學性能。相比未摻雜BCP陶瓷，1 wt% Fe粉末摻雜BCP陶瓷的抗彎強度上升到了122.60 MPa，彈性模量下降到8.27 GPa。此外，F(xiàn)e摻雜將BCP的硬度提升到4.53 GPa，但斷裂韌性下降到0.21 MPa∙m1/2。而1 wt% MgO摻雜將BCP的斷裂韌性由0.41 MPa∙m1/2提升到了0.60 MPa∙m1/2。

圖4. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP在模擬體液中(a) Ca、(b) P、(c) Mg、(d) Fe離子釋放曲線。

由圖4可以看出，MgO-BCP在浸泡前1周內(nèi)Ca離子的釋放速率明顯上升，這表明MgO摻雜提升了BCP在模擬體液中的降解速率，同時在浸泡1周后，Ca、P離子濃度下降明顯，說明Ca、P重新結合形成新的磷灰石活性相附著在MgO-BCP表面。相較于Fe2O3-BCP，F(xiàn)e-BCP釋放的Fe3+濃度下降更快，這提示有更多的Fe3+附著于BCP表面作為生物活性相生成的位點。

圖5. 不同濃度生物陶瓷提取液對MC3T3-E1細胞增殖行為影響。(a) 原始提取液，(b) 1/2稀釋提取液，(c) 1/4稀釋提取液。

圖5為元素摻雜BCP陶瓷對MC3T3-E1細胞增殖的影響規(guī)律。可以看出1 wt% MgO摻雜在不同時間點都促進了MC3T3-E1的增殖，而0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜卻抑制了MC3T3-E1細胞的增殖。將提取液稀釋1/2和1/4后，F(xiàn)e2O3-BCP和Fe-BCP對細胞增殖的影響與其它組無明顯差異。這提示合適濃度Fe3+對細胞的增殖不會產(chǎn)生明顯抑制。

該研究綜合分析了MgO、Fe2O3、Fe摻雜對光固化3D打印BCP陶瓷的組織結構、性能和生物相容性的影響研究，為利用光固化3D打印技術制備高性能元素摻雜磷酸鈣生物活性陶瓷提供技術基礎。


通訊作者簡介
蘇海軍，西北工業(yè)大學材料學院教授、博士生導師。國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創(chuàng)新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創(chuàng)新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、超高溫復合陶瓷及結構功能一體化復合材料等。主持包括國家自然基金重點、優(yōu)青等6項國家基金在內(nèi)的30余項國家及省部級重要科研項目，發(fā)表SCI論文160余篇。獲授權中國發(fā)明專利50項以及1項美國發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高�？茖W技術研究優(yōu)秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優(yōu)秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。