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陕西科技大学赵雪妮：弱磁场辅助3D打印构建仿生结构羟基磷灰石生物陶瓷精选

已有 3750 次阅读 2025-9-8 10:26 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:[i]

Guo Y, Zhao X, Guan J. Construction of hydroxyapatite bioceramics with biomimetic structures by weak magnetic field-assisted 3D printing. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221144

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221144

ResearchGate：Construction of hydroxyapatite bioceramics with biomimetic structures by weak magnetic field-assisted 3D printing

1、导读

本研究创新性地开发了弱磁场（58-116 mT）辅助3D打印技术，简单并高效地构建具有仿生定向结构与Bouligand螺旋层状结构的羟基磷灰石（HA）生物陶瓷。所制备的定向HA陶瓷抗压强度达93.4 MPa，是非定向HA陶瓷抗压强度的2.3倍，断裂韧性是非定向陶瓷抗压强度的1.44倍。Bouligand结构陶瓷在压缩时出现独特伪塑性变形应力平台区，实现脆性陶瓷韧性的极大提升，性能媲美人体皮质骨，为承重骨修复提供了创新的解决方案。

2、研究背景

羟基磷灰石（HA）是骨组织的主要无机成分，但HA生物陶瓷的固有脆性、高弹性模量和低的断裂韧性使其难以应用在承重部位。高效快速制备力学性能优异的生物陶瓷已经成为亟待解决的问题。

自然骨骼中HA晶粒的定向排列结构和螳螂虾外骨骼的Bouligand螺旋结构，为设计强韧生物材料提供了仿生灵感。然而，已报道的定向HA依赖高强度磁场（>3T）或复杂工艺实现，难以进行精细可控的仿生结构构建。本研究通过采用弱磁场辅助3D打印的方式制备了仿生结构生物陶瓷，具有优良的力学性能和较高的孔隙率，为平衡脆性生物陶瓷的强度和韧性、有效提升HA生物陶瓷的力学性能开辟了一条有效途径。

3、文章亮点

（1）开发了一种弱磁场辅助3D打印机制造仿生结构陶瓷，避免采用高强度磁场和复杂工艺制备仿生结构的难题。

（2）构建了具有微纳米级精细微观结构的定向结构和Bouligand结构HA陶瓷。

（3）Bouligand结构HA兼顾了优异强度和韧性，其强度和韧性与人体皮质骨相当。

（4）仿生HA陶瓷具有良好的渗透性，仅需20min便可将合成血液吸附至陶瓷内部，预示其具有优异的营养物质和代谢物质运输能力。

4、研究结果及结论

（1）图1为弱磁场（116mT）辅助打印的棒材，打印棒材中的HA晶粒沿磁场方向定向排列，定向效果良好。打印棒材在外加磁场作用下，HA晶粒沿磁场方向排列。没有外加磁场的打印棒材，HA晶粒随机和不规则排列。然而，在没有外加磁场的打印棒材中（Ⅱ区域），靠近喷嘴壁的HA晶粒沿着打印方向排列，而远离管壁的HA晶粒则表现出随机和不规则的晶粒排列。这可以说明，在打印过程中，在没有磁场的情况下，由于浆料在离管壁不同距离的速度变化，导致剪切效应靠近管壁的HA沿着打印方向定向。然而，仅仅依靠剪切定向使得远离喷嘴壁部的晶粒无法被定向；靠近管壁的HA晶粒在剪切作用下定向。而在外加磁场（116mT）的情况下，在Ⅰ、Ⅱ任何一个区域，晶粒排列整齐，从Ⅲ区域可以观察到晶粒为纵向排列，这说明了采用弱磁场的打印可以实现晶粒的定向排列。

（2）打印棒材具有很好的韧性和较高的强度，可以实现较大程度的变形。3D打印制备了定向HA坯体，进而通过预压烧结制备了定向HA生物陶瓷。烧结后的HA生物陶瓷孔隙率为30%，且具有很好的毛细作用，植入后有利于营养物质的输送。

（3）定向HA生物陶瓷在不同方向具有不同的力学性能，沿着打印方向具有更高的压缩强度（93.4MPa），为非定向HA陶瓷的2.3倍。沿着厚度方向具有更好弯曲强度，为非定向HA陶瓷的2.6倍，耗散能为非定向生物陶瓷的3.4倍。定向陶瓷沿打印方向具有较高的压缩强度，沿厚度方向具有较高的弯曲强度，显著优于非定向陶瓷的弯曲强度。

（4）Bouligand结构的HA生物陶瓷压缩强度为105.5MPa，是非定向HA陶瓷的2.6倍，且在压缩过程中出现了假塑性变形。弯曲强度为非定向陶瓷的2.8倍。耗散功为非定向HA陶瓷的9倍，断裂韧性为非定向陶瓷的1.2倍。Bouligand结构的HA生物陶瓷兼具优异的强度和韧性，能够匹配皮质骨的力学性能。

5、作者及研究团队简介

赵雪妮，女，工学博士，陕西科技大学三级教授，博士研究生导师。陕西省科技创新团队、陕西高校青年创新团队带头人，陕西省机械工程学会理事，陕西省增材制造产业技术创新联盟成员，国家自然科学基金函评专家，陕西省、江西省、山西省、青海省科技奖评审专家。1996年毕业于北京科技大学，获学士学位。2012年毕业于西北工业大学，获博士学位。2012年至2014年，先后分别在英国The University of Brighton和美国Pennsylvania State University访问学习3个月和1年。

主持国家自然科学基金面上项目3项，陕西省重点研发计划项目2项，凝固技术国家重点实验室开放课题，陕西省自然科学研究计划项目2项，陕西省教育厅项目2项，企业合作科研项目2项。参与欧盟项目1项、国家自然科学基金项目1项。

近年来在Journal of Advanced Ceramics、Applied Surface Science、Journal of the European Ceramic Society、Materials Science and Engineering C（Biomaterials Advances）、Surface & Coatings Technology、Ceramics International等期刊发表论文100余篇。申请中国、美国发明专利50余件，授权中国发明专利24件，美国发明专利1件，澳大利亚专利1件，主编专著（教材）5部。目前为Bioactive Materials、Corrosion Science、Composites Part A、Composites Part B、Materials Science and Engineering C等国际SCI检索期刊审稿人。研究成果获中国轻工业联合会科技进步二等奖、陕西高等学校科学技术奖二等奖、咸阳市青年科技奖、西安市科学技术奖共5项。

个人主页：https://jd.sust.edu.cn/info/1057/1453.htm

研究方向：3D打印技术与装备研发、生物仿生制造技术与应用、医用材料及器械的研究、先进复合材料成型技术及产业化

作者邮箱：zhaoxueni@sust.edu.cn

作者ORCID：0000-0002-4157-7637

《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。