(1)利用增材制造技術(shù)(AM)構(gòu)建一種紫外光固化陶瓷材料及構(gòu)件。
由于增材制造技術(shù)具有高精度選擇性固定和快速成型等優(yōu)點,將其應(yīng)用于骨缺損修復(fù)成為研究熱點之一。羥基磷灰石(HAP)是目前最常用的磷酸鈣生物材料之一,與人體骨骼的主要成分非常接近。因此,羥基磷灰石生物材料作為骨移植材料受到廣泛的歡迎。利用數(shù)字光處理(DLP)的3D打印技術(shù)制備HAP生物陶瓷是一項潛力巨大的工作。然而,制備固體含量高、流動性好、可由DLP打印的HAP雜化懸浮液遇到了不少挑戰(zhàn)。因此,本研究的目的是改進和發(fā)展一種新型的高固載紫外光固化懸浮液,該懸浮液具有良好的流體力學(xué)性能和穩(wěn)定性,適合于DLP光固化打印機,以在一定程度上補償HAP陶瓷本身的脆性,在懸浮液中加入少量的氧化鋯作為添加劑,通過3D打印DLP制備了氧化鋯增韌HAP生物陶瓷復(fù)合材料。本研究采用兩種有機改性劑對HAP粉體進行預(yù)改性,以改善其在丙烯酸樹脂體系中的相容性,并加入蓖麻油磷酸酯進一步降低懸浮液的剪切應(yīng)力,以保證其具有較強的流動性。60wt%粉體粒子負載的UV懸浮液在30rpm下的最小粘度為7495mPa?s,分別在1100℃、1200℃和1250℃下真空燒結(jié)。復(fù)合陶瓷(含6 wt%ZrO2)在1200℃時的相對密度為90.7%,而在1250℃燒結(jié)的樣品具有較強的拉伸強度和彎曲強度。氧化鋯摻入對HAP陶瓷的增韌作用也通過拉伸模量和彎曲模量的變化得到證實,但相應(yīng)的力學(xué)性能也有明顯提高。該成果發(fā)表在國際刊物(C. Zhang, D. Huang, S. F. Liu, X. M. Dong, Y. H. Li, H. W. Zhang, Z. J. Yang, Q. S. Su, W. H. Huang, W. X. Zheng, W. Y. Zhou. Zirconia toughened hydroxyapatite biocomposite formed by a DLP 3D printing process for potential bone tissue engineering[J]. Materials Science & Engineering C, 2019, 105, 110054.)
(2)利用3D打印制造海藻酸鈉/羥基磷灰石多孔水凝膠支架材料
本研究以海藻酸鈉和羥基磷灰石作為主要原料,基于3D打印預(yù)交聯(lián)水凝膠構(gòu)建了具有多孔的納米復(fù)合生物支架。本研究首先制備獲得海藻酸鈉和羥基磷灰石的懸浮液,再添加葡萄糖酸內(nèi)酯(GDL)到懸浮液中,由于GDL不斷水解導(dǎo)致懸浮液pH值不斷降低,使得羥基磷灰石納米粒子釋放出Ca2+,從而使海藻酸鈉原位凝膠化形成預(yù)交聯(lián)水凝膠,再以預(yù)交聯(lián)水凝膠為墨水,通過擠出式3D打印獲得多孔凝膠支架,將支架浸泡在氯化鈣溶液進行二次交聯(lián)以提高支架力學(xué)性能,再經(jīng)冷凍干燥后便獲得海藻酸鈉/羥基磷灰石多孔凝膠支架。
圖1 基于3D打印構(gòu)建海藻酸鈉/羥基磷灰石多孔凝膠支架的示意圖
該多孔支架經(jīng)過兩級交聯(lián),具有良好的力學(xué)性能,該水凝膠支架在壓縮率為75%的時候壓縮應(yīng)力為970kPa。將HAP納米顆粒加入到支架中,體外生物礦化實驗表明多孔支架具有良好的生物活性。
將抗炎藥姜黃素負載到SA/HAP多孔支架中,體外釋放研究表明該支架具有緩釋作用,說明了SA/HAP支架有作為藥物載體的潛力。細胞培養(yǎng)實驗表明,小鼠骨髓間充質(zhì)干細胞在多孔支架的孔壁表面具有良好的粘附和增殖能力,表明多孔支架具有良好的生物相容性。
以上結(jié)果表明,本研究采用3D打印技術(shù),制備了具有高孔隙率和可調(diào)節(jié)的多孔結(jié)構(gòu)的SA/HAP支架,所制備的凝膠支架在骨組織工程中有良好的潛在應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表在Macromolecular Materials and Engineering上(Liu SF, Hu Y, Zhang JC, Bao SQ, Xian L , Dong XM, Zheng WX, Li YH, Gao HC, Zhou WY. Bioactive and biocompatible macroporous scaffolds with tunable performances prepared basing on 3D printing of the pre-crosslinked sodium alginate/hydroxyapatite hydrogel ink. Macromolecular Materials and Engineering. 2019, 304, 1800698)
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