摘要
随着材料合成和几何设计技术的进步，生物相容性陶瓷材料在骨整合中的应用逐渐超越传统金属植入物。尤其是基于钙和磷酸盐的仿生材料，增材制造技术，能够更好地满足细胞增殖和植入物降解的要求。然而，现有陶瓷支架在承受负荷方面仍面临挑战，限制了其在负重解剖部位的应用。直接墨水书写（DIW）技术因其高精确度和定制化能力而受到关注，但如何在确保生物相容性和可打印性的同时优化机械强度仍是一个挑战。伊朗科技大学《Ceramics International》发表了题Calcium-based triphasic powder synthesis for strengthening 3D printed bone scaffolds的研究，通过合成一种包含三种成分的钙基粉末，来提高DIW 3D打印骨支架的机械性能，以便更好地应用于生物医学领域。
研究内容
本研究的主要内容是深入探讨生物相容性陶瓷粉末的合成、改性和表征技术，以提升其在生物医学应用中的机械性能。合成羟基磷灰石 (HA) 粉末时，考虑到机械混合和老化效应，以实现所需的成分和性能。合成的 HA 粉末在各种气氛下进行煅烧，以评估其对晶体结构的影响。该研究还探索了使用四乙基正硅酸盐 (TEOS) 用二氧化硅 (SiO2) 涂覆 HA 颗粒以增强表面改性和润湿性。该过程产生由 HA、磷酸三钙 (TCP) 和磷酸钙硅酸盐 (CPS) 组成的三相粉末。使用能量色散 X 射线光谱 (EDX)、扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线衍射 (XRD) 等技术分析粉末的形态。此外，还开发了一种精炼烧结工艺，以最大限度地减少开裂体积，与商用材料相比，抗压强度显著提高了 117%。最后，通过添加水对粉末进行优化，以适应 3D 打印。
△图1，HA表面改性过程。
结论
- 开发了一种可用于 DIW 打印的三相粉末，其由 TCP（磷酸三钙）、HA（羟基磷灰石）和 CPS（磷酸钙硅酸盐）组成，各相均匀分布，可依据应用需求（如生物活性、生物降解性和生物相容性）对各相数量进行调整。
- 增加 TEOS（正硅酸乙酯）含量可改善材料的机械性能，但也会引入新相（特别是 CPS）。当 TEOS 含量超过 6% 时，微孔性消失，对材料的生物活性产生不利影响；在此阈值以下，二氧化硅均匀分布，在 HA 颗粒周围形成保护涂层。
- 为 DIW 3D 打印准备的陶瓷浆料包含特定成分，其中 61.3% 的固体三相粉末作为主要结构成分。
- 采用精细的烧结工艺（包括水蒸发和聚合物燃烧等精确步骤）可减少表面不规则性和微表面裂缝，从而增强材料的结构完整性。
