西工大苏海军团队陶瓷顶刊：光固化3D打印生物活性陶瓷！

来源：材料科学与工程

骨组织具有天然再生能力，足以愈合小部位的损伤，如裂纹和某些类型的骨折，但如果骨缺损尺寸超过2cm将无法自行愈合。相比生物惰性金属/陶瓷、自体骨、异体骨，磷酸钙生物活性陶瓷因具有良好的生物相容性、骨传导性、安全性以及低成本等优势被广泛应用于骨科和牙科临床治疗中，如治疗骨缺损、骨折、关节置换、种植牙、牙周治疗和颅颌面重建等。然而，磷酸钙生物活性陶瓷的力学性能仅限于非承重骨组织的修复，其诱导骨再生的效率还待进一步提升。通过引入生物活性金属离子（Fe3+、Mg2+、Sr2+等）提升生物活性陶瓷性能是研究者们关注的一个热点研究领域。

近年来，光固化3D打印技术以优异的成形精度在制备具有任意解剖外形和内部多孔结构的骨科和牙科植入物领域中显示出巨大的优势。因此，利用光固化3D打印技术快速精确制备骨科、牙科植入物具有广阔的应用前景和经济价值。

近日，西北工业大学苏海军教授团队利用光固化3D打印技术制备了Fe、MgO掺杂双相磷酸钙（BCP）生物活性陶瓷，探究了Fe、MgO掺杂对光固化成形BCP生物陶瓷力学性能、生物降解性以及细胞毒性的影响规律和机制。结果表明，1 wt% Fe掺杂使得光固化3D打印双相磷酸钙陶瓷的抗弯强度从91.61 MPa提升到122.60 MPa，1 wt% MgO掺杂提升了BCP陶瓷在模拟体液中的降解速率，促进了表面活性相的生成，同时促进了小鼠成骨前体（MC3T3-E1）细胞的增殖。相关工作以题为“Enhanced mechanical properties and biological responses of SLA 3D printed biphasic calcium phosphate bioceramics by doping bioactive metal elements”的研究论文发表在Journal of the European Ceramic Society (43) 2023 4167-4178。

原文连接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.007

图1 (a) BCP、(b) MgO-BCP、(c) Fe2O3-BCP、(d) Fe-BCP浆料照片，(e)浆料固化深度与照射能量的拟合曲线。

如图1所示，MgO、Fe2O3、Fe的加入使BCP陶瓷浆料的固化能力发生了不同程度的改变。其中Fe2O3、Fe的加入使得BCP浆料的穿透深度（Dp）由326.94 μm下降到91.03 μm和190.26 μm。一方面因为Fe2O3和Fe的加入使BCP浆料变为深色浆料，导致作用在光敏树脂上的光能量变少，降低了固化深度。另一方面是因为Fe2O3、Fe具有高的折射率，Fe2O3和Fe的加入进一步导致陶瓷颗粒与树脂之间的折射率差上升，进而导致固化深度下降。MgO折射率（1.73-1.76）与BCP粉料折射率（~1.62）接近，因此MgO掺杂并未导致BCP浆料固化性能发生明显下降。

图2. 元素掺杂BCP陶瓷显微组织和晶粒尺寸分布。(a, a1) BCP，(b, b1) MgO-BCP、(c, c1) Fe2O3-BCP、(d, d1) Fe-BCP.

1 wt% MgO掺杂使得BCP陶瓷孔隙数量变多，阻碍了BCP陶瓷的致密化，但细化了BCP晶粒。0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe掺杂提高了BCP陶瓷在1250℃烧结后的致密度，含铁新相位于BCP晶粒的三角晶界处，在一定程度上提升了基体的抗弯强度。

图3. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP陶瓷的(a)抗弯强度和弹性模量、(b)硬度和断裂韧性。

图3为元素掺杂BCP陶瓷的力学性能。相比未掺杂BCP陶瓷，1 wt% Fe粉末掺杂BCP陶瓷的抗弯强度上升到了122.60 MPa，弹性模量下降到8.27 GPa。此外，Fe掺杂将BCP的硬度提升到4.53 GPa，但断裂韧性下降到0.21 MPa∙m1/2。而1 wt% MgO掺杂将BCP的断裂韧性由0.41 MPa∙m1/2提升到了0.60 MPa∙m1/2。

图4. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP在模拟体液中(a) Ca、(b) P、(c) Mg、(d) Fe离子释放曲线。

由图4可以看出，MgO-BCP在浸泡前1周内Ca离子的释放速率明显上升，这表明MgO掺杂提升了BCP在模拟体液中的降解速率，同时在浸泡1周后，Ca、P离子浓度下降明显，说明Ca、P重新结合形成新的磷灰石活性相附着在MgO-BCP表面。相较于Fe2O3-BCP，Fe-BCP释放的Fe3+浓度下降更快，这提示有更多的Fe3+附着于BCP表面作为生物活性相生成的位点。

图5. 不同浓度生物陶瓷提取液对MC3T3-E1细胞增殖行为影响。(a) 原始提取液，(b) 1/2稀释提取液，(c) 1/4稀释提取液。

图5为元素掺杂BCP陶瓷对MC3T3-E1细胞增殖的影响规律。可以看出1 wt% MgO掺杂在不同时间点都促进了MC3T3-E1的增殖，而0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe掺杂却抑制了MC3T3-E1细胞的增殖。将提取液稀释1/2和1/4后，Fe2O3-BCP和Fe-BCP对细胞增殖的影响与其它组无明显差异。这提示合适浓度Fe3+对细胞的增殖不会产生明显抑制。

该研究综合分析了MgO、Fe2O3、Fe掺杂对光固化3D打印BCP陶瓷的组织结构、性能和生物相容性的影响研究，为利用光固化3D打印技术制备高性能元素掺杂磷酸钙生物活性陶瓷提供技术基础。


通讯作者简介
苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷及结构功能一体化复合材料等。主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及1项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。