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Li Y, Xing H, Lai L, et al. Additive manufacturing of graphene oxide-doped SiOC/Si3N4 photothermal functional bioceramic scaffolds through stereolithography technology. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221098
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221098
1、导读
临床光热疗法在预防骨肿瘤复发方面仍面临静脉注射药物引发的全身毒性风险及病灶区光热特异性不足等关键挑战。为此，本研究设计了一种光热功能复合生物陶瓷支架，整合了具有优异抗菌特性的Si3N4基体、光热特性黑色玻璃SiOC以及骨诱导性氧化石墨烯GO。构建了GO/KH570-H/Si3N4前驱体浆料属性-SLA增材工艺参数间的映射模型，经1300 ℃烧结制得GO/SiOC/Si3N4复合陶瓷。808nm 1 W/cm2近红外光的照射下，蒙覆皮革的复合支架10 min内温度可达47.8 ℃，有望为骨肿瘤术后修复提供精准光热治疗的创新骨支架解决方案。
图1 图片摘要
2、研究背景
目前，颌面部恶性骨肿瘤临床治疗仍以手术切除为主，但术后复发率较高。术后骨缺损修复与复发预防已成为临床亟待解决的双重挑战。光热疗法凭借侵入性小、靶向性强、可控性高、作用周期长等特点，可精准规避非靶向区域损伤，在肿瘤复发预防领域展现出独特优势。因此，光热功能骨支架有望发展为新一代骨肿瘤术后缺损修复的关键医疗器械，其材料设计、结构优化与精准制造具有重要研究意义。
3、文章亮点
1）通过SLA-3D打印技术制备新型GO/SiOC/Si3N4光热功能黑色生物陶瓷支架，提出浆料制备方法与工艺优化指导理论。
2）设计改性聚硅氧烷同时作为Si3N4复合浆料粘结剂与SiOC前驱体，结合烧结工艺有效抑制GO热分解，提升复合陶瓷的骨诱导性能。
4、研究结果及结论
本研究提出SLA-3D打印用光热功能Si3N4复合陶瓷浆料设计制备方法及工艺优化策略。构建不同GO含量Si3N4浆料的光敏参数（
，
）与SLA打印参数（
、
）的映射模型以优化成型工艺，工艺精度提升约12.5%。
图2 光热功能支架SLA-3D打印与性能检测
1000-1300 ℃、2 ℃/min升温工艺制备无裂纹TPMS结构0-0.8 wt% GO/SiOC/Si3N4支架，特征壁厚偏差±100 μm。1300 ℃烧结时0.2 wt% GO/SiOC/Si3N4抗压强度达41.88 MPa。聚硅氧烷KH570-H树脂600 ℃后热解形成SiOC无机相，XRD检测结果表明其具有无定形特征。
图3 GO/SiOC/Si3N4陶瓷的微观组织形貌演变: (a)3D打印陶瓷前驱体热解热重分析; (b)200℃; (c)400℃; (d)600℃; (e)1000℃; (f)1200℃
氧化石墨烯（GO）在含氧气氛下高温易分解。传统立体光固化（SLA）3D打印件的脱脂工艺需在空气（富氧）环境中进行以去除有机组分（如碳），这与保留GO结构所需的无氧条件相矛盾。本研究利用聚硅氧烷在无氧条件下可热解生成SiOC陶瓷的原理，避免了GO的高温分解问题。最终SEM成功观察到了保留的层状GO结构。
图4 0.2 wt%GO/SiOC/Si3N4陶瓷1300 ℃条件下表面与断口形貌SEM：(a)台阶效应; (b)表面形貌; (c)断口形貌; (d)氧化石墨烯
研究表明，GO/SiOC/Si3N4复合陶瓷支架具有良好的光热性与生物相容性。808 nm 1 W/cm2近红外光直射条件下，0.2 wt% GO/SiOC/Si3N4支架10 min内温度可达115 ℃，蒙覆皮革模拟人体条件下照射10 min温度可达47.8 ℃。1300 ℃烧结后GO/SiOC/Si3N4复合材料生物相容性良好，细胞毒性测试显示各组均无毒，0.2 wt%GO组细胞增殖最佳（0.6 wt%时减弱），荧光显微观测可见高密度细胞及活跃伪足生长。
图5 (a)光照循环条件; (b)各组支架光热曲线; (c)808nm激光1 W/cm2照射下，各组支架的红外热像图; (d)10 min时各组支架温度对比
图6 细胞接种在陶瓷表面3天后的生长情况
5、作者及研究团队简介
邢宏宇（通讯作者），山东建筑大学副研究员、硕导。中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员，主要从事生物陶瓷增材制造等方面的研究。获得山东省职工创新创效竞赛省级决赛一等奖1项，山东省医学科技奖三等奖1项。
来庆国（通讯作者），主任医师，教授，博导。山东大学3D打印口腔医学研究中心主任、齐鲁医学名医（杰出青年医师）、中华口腔医学会口腔生物医学专委会委员、中华口腔医学会口腔颌面头颈肿瘤专委会委。主要从事生物材料修复大块骨再生的基础研究及临床应用。完成3D打印钛支架修复儿童大块下颌骨缺损等数字化手术100余例。
邹斌（通讯作者），教授、博导。山东省杰出青年科学基金获得者、山东大学增材制造研究中心主任。主要从事3D打印技术、增-减复合制造技术研究。获教育部优秀科研成果技术发明一等奖1项，教育部优秀科研成果科技进步二等奖1项，中国机械工业技术发明二等奖1项。
李延阁（第一作者），山东建筑大学机电工程学院硕士研究生，机械工程专业，研究方向为陶瓷增材制造。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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