增材制造能快速简便地制造生物活性玻璃陶瓷

来源： 新材赢家


生物活性玻璃是一种新兴技术，具有组织工程，特别是骨替代所需的许多特性。不幸的是，生物活性玻璃受其固有脆性的限制。将生物活性玻璃晶化成玻璃陶瓷可以改善生物活性玻璃的机械性能，但是会降低或延迟生物活性，从而阻碍新骨的生长。幸运的是，研究人员已经找到了一种方法，可以在不丧失生物活性的情况下，成功地形成部分或完全结晶的生物活性玻璃陶瓷。

3D打印支架的形态：A）3D打印后的生坯 B）1000℃热处理后的玻璃陶瓷样品。

图片来源：Elsayed等、美国陶瓷学会杂志 / Wiley

生物活性玻璃陶瓷是专为成功地将玻璃的生物活性与玻璃陶瓷的强度结合起来而设计的。初始玻璃配方接近“金标准”Bioglass®45S5，并且受控的双阶段热处理可以使玻璃内部结晶。

生物活性玻璃陶瓷除了具有与生物活性玻璃相当的生物相容性和抗菌性能外，还确保了其易加工性和可加工性。生物活性玻璃既不能制成复杂的形状，也不能以低成本的方式发泡，因此在商业上只能局限于粉末状、颗粒状或小块状。相比之下，制造商可以将生物活性玻璃陶瓷制造成不同的几何形状，但是要通过昂贵的后处理。

这项由意大利帕多瓦大学、埃及国家研究中心、巴西圣卡洛斯联邦大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行的研究旨在探索低成本制造具有复杂几何形状和泡沫的生物活性玻璃陶瓷。

在他们的研究中，包括美国陶瓷学会研究员EdgarD. Zanotto和Paolo Colombo在内的研究人员使用聚合物衍生陶瓷(PDCs)，通过3D打印和直接发泡获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减少挥发性有机化合物排放的潜力。此外，PDCs的单步烧制缩短了循环时间并提高了再现性。

3D打印支架的结构：A）烧制前(预陶瓷)顶视图; B）烧制后（陶瓷）顶视图; C）烧制后线的尺寸和间距的细节; D）烧制后边缘视图。图片来源：Elsayed等、美国陶瓷学会杂志 / Wiley

从廉价的商业有机硅树脂、碳酸钙和碳酸钠以及磷酸氢二钠开始，研究人员生产出类似于生物活性玻璃陶瓷的成分。然后他们使用3D打印和直接发泡技术来制造复杂的玻璃陶瓷支架和成型泡沫。

他们烧制的试验部件具有高孔隙率（60％至75％），支架的抗压强度在7MPa左右，泡沫塑料的抗压强度在1.5 - 6MPa之间。正如研究人员在他们的结论中所指出的，“我们证明了含有合适氧化物前驱体填料的预陶瓷聚合物可以被用于直接合成生物活性玻璃陶瓷，以一种快速而简单的方法，几乎具有相同的晶体相。”