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骨組織具有天然再生能力，足以愈合小部位的損傷，如裂紋和某些類型的骨折，但如果骨缺損尺寸超過2cm將無法自行愈合。相比生物惰性金屬/陶瓷、自體骨、異體骨，磷酸鈣生物活性陶瓷因具有良好的生物相容性、骨傳導性、安全性以及低成本等優(yōu)勢被廣泛應用于骨科和牙科臨床治療中，如治療骨缺損、骨折、關節(jié)置換、種植牙、牙周治療和顱頜面重建等。然而，磷酸鈣生物活性陶瓷的力學性能僅限于非承重骨組織的修復，其誘導骨再生的效率還待進一步提升。通過引入生物活性金屬離子（Fe3+、Mg2+、Sr2+等）提升生物活性陶瓷性能是研究者們關注的一個熱點研究領域。

近年來，光固化3D打印技術以優(yōu)異的成形精度在制備具有任意解剖外形和內部多孔結構的骨科和牙科植入物領域中顯示出巨大的優(yōu)勢。因此，利用光固化3D打印技術快速精確制備骨科、牙科植入物具有廣闊的應用前景和經濟價值。

近日，西北工業(yè)大學蘇海軍教授團隊利用光固化3D打印技術制備了Fe、MgO摻雜雙相磷酸鈣（BCP）生物活性陶瓷，探究了Fe、MgO摻雜對光固化成形BCP生物陶瓷力學性能、生物降解性以及細胞毒性的影響規(guī)律和機制。結果表明，1 wt% Fe摻雜使得光固化3D打印雙相磷酸鈣陶瓷的抗彎強度從91.61 MPa提升到122.60 MPa，1 wt% MgO摻雜提升了BCP陶瓷在模擬體液中的降解速率，促進了表面活性相的生成，同時促進了小鼠成骨前體（MC3T3-E1）細胞的增殖。相關工作以題為“Enhanced mechanical properties and biological responses of SLA 3D printed biphasic calcium phosphate bioceramics by doping bioactive metal elements”的研究論文發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society (43) 2023 4167-4178。

原文連接：

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.007

圖1 (a) BCP、(b) MgO-BCP、(c) Fe2O3-BCP、(d) Fe-BCP漿料照片，(e)漿料固化深度與照射能量的擬合曲線。

如圖1所示，MgO、Fe2O3、Fe的加入使BCP陶瓷漿料的固化能力發(fā)生了不同程度的改變。其中Fe2O3、Fe的加入使得BCP漿料的穿透深度（Dp）由326.94 μm下降到91.03 μm和190.26 μm。一方面因為Fe2O3和Fe的加入使BCP漿料變?yōu)樯钌珴{料，導致作用在光敏樹脂上的光能量變少，降低了固化深度。另一方面是因為Fe2O3、Fe具有高的折射率，F(xiàn)e2O3和Fe的加入進一步導致陶瓷顆粒與樹脂之間的折射率差上升，進而導致固化深度下降。MgO折射率（1.73-1.76）與BCP粉料折射率（~1.62）接近，因此MgO摻雜并未導致BCP漿料固化性能發(fā)生明顯下降。

圖2. 元素摻雜BCP陶瓷顯微組織和晶粒尺寸分布。(a, a1) BCP，(b, b1) MgO-BCP、(c, c1) Fe2O3-BCP、(d, d1) Fe-BCP.

1 wt% MgO摻雜使得BCP陶瓷孔隙數量變多，阻礙了BCP陶瓷的致密化，但細化了BCP晶粒。0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜提高了BCP陶瓷在1250℃燒結后的致密度，含鐵新相位于BCP晶粒的三角晶界處，在一定程度上提升了基體的抗彎強度。

圖3. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP陶瓷的(a)抗彎強度和彈性模量、(b)硬度和斷裂韌性。

圖3為元素摻雜BCP陶瓷的力學性能。相比未摻雜BCP陶瓷，1 wt% Fe粉末摻雜BCP陶瓷的抗彎強度上升到了122.60 MPa，彈性模量下降到8.27 GPa。此外，F(xiàn)e摻雜將BCP的硬度提升到4.53 GPa，但斷裂韌性下降到0.21 MPa?m1/2。而1 wt% MgO摻雜將BCP的斷裂韌性由0.41 MPa?m1/2提升到了0.60 MPa?m1/2。

圖4. BCP、MgO-BCP、Fe2O3-BCP、Fe-BCP在模擬體液中(a) Ca、(b) P、(c) Mg、(d) Fe離子釋放曲線。

由圖4可以看出，MgO-BCP在浸泡前1周內Ca離子的釋放速率明顯上升，這表明MgO摻雜提升了BCP在模擬體液中的降解速率，同時在浸泡1周后，Ca、P離子濃度下降明顯，說明Ca、P重新結合形成新的磷灰石活性相附著在MgO-BCP表面。相較于Fe2O3-BCP，F(xiàn)e-BCP釋放的Fe3+濃度下降更快，這提示有更多的Fe3+附著于BCP表面作為生物活性相生成的位點。

圖5. 不同濃度生物陶瓷提取液對MC3T3-E1細胞增殖行為影響。(a) 原始提取液，(b) 1/2稀釋提取液，(c) 1/4稀釋提取液。

圖5為元素摻雜BCP陶瓷對MC3T3-E1細胞增殖的影響規(guī)律?？梢钥闯? wt% MgO摻雜在不同時間點都促進了MC3T3-E1的增殖，而0.5 wt% Fe2O3和1 wt% Fe摻雜卻抑制了MC3T3-E1細胞的增殖。將提取液稀釋1/2和1/4后，F(xiàn)e2O3-BCP和Fe-BCP對細胞增殖的影響與其它組無明顯差異。這提示合適濃度Fe3+對細胞的增殖不會產生明顯抑制。

該研究綜合分析了MgO、Fe2O3、Fe摻雜對光固化3D打印BCP陶瓷的組織結構、性能和生物相容性的影響研究，為利用光固化3D打印技術制備高性能元素摻雜磷酸鈣生物活性陶瓷提供技術基礎。