基於3D列印和電解的凝膠鑄造多孔鉭支架

2020-09-17 白令三維

近年來，鉭以其高強度、延展性、耐腐蝕性和良好的生物相容性，作為一種新型材料在生物醫學領域，尤其是骨科和牙科領域受到越來越多的關注。此外，多孔鉭具有低彈性模量、高表面摩擦性能和良好的骨整合性能。

多孔鉭的製備多種多樣。傳統的方法如空間保持器法、化學氣相沉積法、先進的增材製造技術如雷射工程淨成型工藝（LENS）、選擇性雷射熔煉（SLM）等。該技術會在燒結過程中產生封閉的氣孔和有機殘留物。通過化學氣相沉積法很難獲得受控結構。此外，增材製造技術以球形鉭粉為起始原料，球形鉭粉的製備難於其他金屬粉末。由於鉭的高熔點和對氧的親和性，對增材製造設備的能量束和掃描穩定性要求很高，這限制了多孔鉭支架的增材製造。

西安交通大學和上海大學開發了一種使用凝膠注模以製備基於3D列印的多孔前體Ta2O5的方法，然後使用電解還原法製備鉭金屬支架。該方法提供了一種直接從金屬氧化物前驅體製造近網狀金屬零件的方法。製備出的支架顯示出梯度孔隙結構。基於3D列印的凝膠鑄型形成一級宏觀孔隙，這種受控的互連孔隙為新生的血管形成和生長提供了空間和隧道。電解還原法製備第二級微孔，促進細胞在體外的增殖、生長和遷移。

研究人員以平均直徑為2μm的球形鉭粉為起始材料，加入交聯劑、引發劑、催化劑、分散劑等，經過光固化工藝（SLA）、凝結、燒結等一系列工藝製得多孔前體Ta2O5。而後將前體由多孔鎳箔包裹、鐵鉻鋁合金絲固定作為陰極，石磨棒為陽極，用熔融CaCl2為電解質進行電解。最後陰極處得到多孔鉭支架。

圖1：Ta2O5前體(a)和Ta支架(b)的照片，在1200 C (C)、1300 C (d)、1500 C (e)燒結的Ta2O5前體的SEM圖像，以及還原的Ta支架(f)。

圖2：燒結後的Ta2O5前體和還原後的Ta支架的XRD圖譜(a)、Ta支架的壓應力-應變曲線(b)。

圖3：培養1天(a)、4天(b)和7天(c)後的Ta支架細胞存活率。

圖1所示為多孔互連結構。圖2a所示的XRD圖譜證實了在燒結過程中支架剩餘成份僅為Ta2O5以及電解後轉變為金屬鉭。鉭支架的應力應變曲線如圖2b。圖3則顯示1、4、7天後鉭支架上的細胞活力。

此項研究為高熔點金屬可控多孔結構的製作開闢了一條新途徑。製作得到的鉭支架具有接近松質骨的抗壓強度，有利於細胞的體外繁殖，為鉭金屬在骨修復重建領域的應用開闢了廣闊的前景。

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