上海应用技术大学赵喆教授JAC精选：具有优良仿生TPMS结构的3D打印陶瓷支架

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研究背景

羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2，HA] 是人和动物骨骼的主要无机成分，具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性及非免疫原性等优点，在骨修复等医疗临床方面极具应用潜力。因为受损骨的不规则性，传统成型工艺的模具制造过程过于复杂并且难以满足替代骨的精确度，所以增材制造 (3D打印) 因其精确度高，快速成型，周期短，能实现复杂结构的制造等多个优点而成为当前在医学临床方面的研究热点。但是由于陶瓷增材制造过程对材料和烧结的技术要求较高，以往的对3D打印羟基磷灰石的研究还是存在陶瓷表面出现明显裂痕、密度和强度不够高等诸多问题。

上海应用技术大学赵喆教授团队制备了适用于DLP打印的低粘度羟基磷灰石陶瓷浆料并且在烧结过程中通入了湿润的二氧化碳成功提高了羟基磷灰石陶瓷的密度和强度，同时也对其生物相容性有了一定提高，最后成功制备出了具有优良仿生TPMS结构的陶瓷支架，为未来3D打印羟基磷灰石陶瓷在骨组织工程上的广泛应用奠定了一定基础。

内容简介

赵喆教授团队在经过前期对DLP 3D打印技术工艺和陶瓷材料的深入研究的基础上，又着重研究了打印成型的羟基磷灰石生物陶瓷的烧结过程，对烧结后的陶瓷物料组成和显微结构进行分析。研究表明DLP打印的羟基磷灰石陶瓷在经过1300℃高温烧结后可以保证不分解且具有较高的致密度，再通过对含有湿润的二氧化碳环境中烧结研究发现可以显著提高HA陶瓷的相对致密度为97.12%，提高三点抗弯强度至92.4MPa，这一结果几乎与传统成型强度一致。赵喆团队联合上海市第九人民医院也对HA陶瓷的生物相容性做了相应研究，结果同样表明在通入水蒸气和二氧化碳环境中可以抑制烧结过程中的脱羟基化过程，可以保证羟基数量，从而对细胞的增殖起到促进作用。由于仿生的TPMS结构本身具有表面平均曲率趋于零的特性，从而获得了更好的机械和生物性能，这样的特性使其被认为是设计具有规则多孔结构的支架的有效工具。团队首次成功制备出了具有P-cell结构的TPMS羟基磷灰石陶瓷支架，经测试其抗压强度达到了人体松质骨对强度的要求，并且极大程度的提高了陶瓷的生物相容性，为细胞的生长增殖提供了充足的生长空间。

图文导读

图1. 在不同烧结温度下羟基磷灰石的XRD谱图及30至35°之间的局部放大图 (上) 和在1300℃不同烧结氛围的羟基磷灰石XRD谱图及30至35°之间的局部放大图 (下)

图2. 在空气氛围中 (a,b,c) 和湿润的二氧化碳氛围 (d,e,f) 中烧结的羟基磷灰石陶瓷的SEM图

图3. 在1300℃两种不同气氛烧结的羟基磷灰石陶瓷的三点弯曲性能

图4. 烧结后的P-cell支架的照片 (a)；支架的上面结构视图 (b)；用于体外实验的样品照片和三维模型 (c)

图5. 大鼠骨髓间充质间干细胞在不同氛围烧结羟基磷灰石陶瓷上培养的CCK-8检测结果

图6. 在羟基磷灰石样品上培养3天后的用DAPI和罗丹明染色的rbmscs的荧光图像 (200×)：在空气中烧结的板 (a)；在湿润的CO2气氛中烧结的板 (b)；在湿润的CO2气氛中烧结的P-cell支架 (c)

原文链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s40145-020-0415-4

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