基于3D打印和電解的凝膠鑄造多孔鉭支架

供稿人:田澤水、高琳
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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(yī)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。

多孔鉭的制備多種多樣。傳統(tǒng)的方法如空間保持器法、化學氣相沉積法、先進的增材制造技術如激光工程凈成型工藝（LENS）、選擇性激光熔煉（SLM）等。該技術會在燒結過程中產(chǎn)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，增材制造技術以球形鉭粉為起始原料，球形鉭粉的制備難于其他金屬粉末。由于鉭的高熔點和對氧的親和性，對增材制造設備的能量束和掃描穩(wěn)定性要求很高，這限制了多孔鉭支架的增材制造。

西安交通大學和上海大學開發(fā)了一種使用凝膠注模以制備基于3D打印的多孔前體Ta2O5的方法，然后使用電解還原法制備鉭金屬支架。該方法提供了一種直接從金屬氧化物前驅體制造近網(wǎng)狀金屬零件的方法。制備出的支架顯示出梯度孔隙結構。基于3D打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。電解還原法制備第二級微孔，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(lián)劑、引發(fā)劑、催化劑、分散劑等，經(jīng)過光固化工藝（SLA）、凝結、燒結等一系列工藝制得多孔前體Ta2O5。而后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(zhì)進行電解。最后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：燒結后的Ta2O5前體和還原后的Ta支架的XRD圖譜(a)、Ta支架的壓應力-應變曲線(b)。

圖3：培養(yǎng)1天(a)、4天(b)和7天(c)后的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余成份僅為Ta2O5以及電解后轉變?yōu)榻饘巽g。鉭支架的應力應變曲線如圖2b。圖3則顯示1、4、7天后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制作開辟了一條新途徑。制作得到的鉭支架具有接近松質(zhì)骨的抗壓強度，有利于細胞的體外繁殖，為鉭金屬在骨修復重建領域的應用開辟了廣闊的前景。

參考文獻：
1.G.Zhao,S.Li et al. Porous tantalum scaffold fabricated by gel casting based on 3D printing and electrolysis[J]. Materials Letters,2019,239;5-8.