基于3D打印和电解的凝胶铸造多孔钽支架

供稿人:田泽水、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

近年来，钽以其高强度、延展性、耐腐蚀性和良好的生物相容性，作为一种新型材料在生物医学领域，尤其是骨科和牙科领域受到越来越多的关注。此外，多孔钽具有低弹性模量、高表面摩擦性能和良好的骨整合性能。

多孔钽的制备多种多样。传统的方法如空间保持器法、化学气相沉积法、先进的增材制造技术如激光工程净成型工艺（LENS）、选择性激光熔炼（SLM）等。该技术会在烧结过程中产生封闭的气孔和有机残留物。通过化学气相沉积法很难获得受控结构。此外，增材制造技术以球形钽粉为起始原料，球形钽粉的制备难于其他金属粉末。由于钽的高熔点和对氧的亲和性，对增材制造设备的能量束和扫描稳定性要求很高，这限制了多孔钽支架的增材制造。

西安交通大学和上海大学开发了一种使用凝胶注模以制备基于3D打印的多孔前体Ta2O5的方法，然后使用电解还原法制备钽金属支架。该方法提供了一种直接从金属氧化物前驱体制造近网状金属零件的方法。制备出的支架显示出梯度孔隙结构。基于3D打印的凝胶铸型形成一级宏观孔隙，这种受控的互连孔隙为新生的血管形成和生长提供了空间和隧道。电解还原法制备第二级微孔，促进细胞在体外的增殖、生长和迁移。

研究人员以平均直径为2μm的球形钽粉为起始材料，加入交联剂、引发剂、催化剂、分散剂等，经过光固化工艺（SLA）、凝结、烧结等一系列工艺制得多孔前体Ta2O5。而后将前体由多孔镍箔包裹、铁铬铝合金丝固定作为阴极，石磨棒为阳极，用熔融CaCl2为电解质进行电解。最后阴极处得到多孔钽支架。

图1：Ta2O5前体(a)和Ta支架(b)的照片，在1200 C (C)、1300 C (d)、1500 C (e)烧结的Ta2O5前体的SEM图像，以及还原的Ta支架(f)。

图2：烧结后的Ta2O5前体和还原后的Ta支架的XRD图谱(a)、Ta支架的压应力-应变曲线(b)。

图3：培养1天(a)、4天(b)和7天(c)后的Ta支架细胞存活率。

图1所示为多孔互连结构。图2a所示的XRD图谱证实了在烧结过程中支架剩余成份仅为Ta2O5以及电解后转变为金属钽。钽支架的应力应变曲线如图2b。图3则显示1、4、7天后钽支架上的细胞活力。

此项研究为高熔点金属可控多孔结构的制作开辟了一条新途径。制作得到的钽支架具有接近松质骨的抗压强度，有利于细胞的体外繁殖，为钽金属在骨修复重建领域的应用开辟了广阔的前景。

参考文献：
1.G.Zhao,S.Li et al. Porous tantalum scaffold fabricated by gel casting based on 3D printing and electrolysis[J]. Materials Letters,2019,239;5-8.