多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架制備工藝及力學(xué)性能研究

李騰飛，伍言龍，趙廣賓，周昱，劉亞雄，高琳，丁信智

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710049，西安；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，710049，西安；3.季華實(shí)驗(yàn)室，528000，廣東佛山；4.臺(tái)灣中山醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，402，臺(tái)灣中山)

硅酸鈣陶瓷具有良好的生物相容性和生物降解性,它能夠持續(xù)釋放硅離子和鈣離子,刺激細(xì)胞增殖、成骨分化和血管生成,是骨組織工程中良好的支架生物材料[1-3]。雖然硅酸鈣具有優(yōu)異的生物相容性,但陶瓷普遍具有脆性大的問題[4],尤其是具有高孔隙率的多孔生物陶瓷,強(qiáng)度和韌性不足成為了限制其應(yīng)用的主要因素。

明膠作為膠原熱變形或部分水解的產(chǎn)物,具有良好的生物相容性[5-6]。有研究表明,含有明膠的復(fù)合材料支架能保證足夠的強(qiáng)度,而且能有效結(jié)合生長(zhǎng)因子,有利于組織工程骨的構(gòu)建[7]。劉斌等將明膠與磷鈣陶瓷進(jìn)行復(fù)合,發(fā)現(xiàn)復(fù)合后的支架不僅提高了磷鈣多孔陶瓷的力學(xué)性能,而且改善了多孔陶瓷的細(xì)胞相容性[8]。龔立等將多孔β-TCP陶瓷與明膠進(jìn)行復(fù)合,復(fù)合后抗壓強(qiáng)度提高了23%[9]。Theresa Reiter等制備了明膠涂層的45S5生物活性玻璃骨植入支架,強(qiáng)度和韌性均得到增強(qiáng)[10]。

上述研究中多孔陶瓷支架一般由有機(jī)泡沫浸漬法和致孔劑法獲取,無法精確獲得任意形狀和孔隙的多孔支架結(jié)構(gòu),而光固化工藝能夠嚴(yán)格控制支架的宏觀結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高精度高復(fù)雜度的多孔生物陶瓷支架打印[11-12],且以上研究沒有探究明膠質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合支架的影響規(guī)律。

本文采用面曝光光固化工藝制備了多孔硅酸鈣支架,并用不同質(zhì)量濃度的明膠溶液對(duì)支架進(jìn)行滲透處理。研究了不同質(zhì)量濃度的明膠溶液對(duì)支架物相組成、質(zhì)量、開孔孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)的影響,分析了滲透明膠前后,復(fù)合支架在平行打印方向(Z向)和垂直打印方向(X-Y向)上力學(xué)性能的變化規(guī)律,最終制備了具有優(yōu)異力學(xué)性能的多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用硅酸鈣粉體(中值粒徑為56.89 μm,臺(tái)灣中山醫(yī)科大學(xué)提供),1、6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA,上海光易化工有限公司)和三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA,上海光易化工有限公司)作為有機(jī)單體,TEGO Dispers 685(佛山三升化工有限公司)作分散劑,雙(2,4,6-三甲基苯甲?；?苯基氧化膦(819)作光引發(fā)劑,以上試劑均為分析純。石墨(化學(xué)純)作光抑制劑,明膠(藥用級(jí),上海阿拉丁生化科技股份有限公司)作復(fù)合涂層材料。

1.2 多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架制備

圖1為多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架制備工藝流程。制備工藝分為兩步:首先通過面曝光光固化打印工藝制備多孔硅酸鈣支架;然后配置明膠溶液,通過滲透明膠工藝制備多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架。制備工藝具體步驟如下。

圖1 多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架制備工藝流程

(1)面曝光光固化打印工藝制備多孔硅酸鈣支架。①按表1配置陶瓷漿料。將樹脂單體1、6-己二醇二丙烯酸酯和三羥甲基丙烷三丙烯酸酯按質(zhì)量1∶1混合,向混合后的樹脂中加入分散劑、光引發(fā)劑、光阻劑、石墨。將陶瓷粉體加入到上述混合的溶液中,球磨后得到混合均勻的陶瓷漿料。②打印陶瓷素坯。將處理好的STL模型導(dǎo)入到光固化成型機(jī)器(M-Jewelry U60,中國(guó))的控制軟件中,對(duì)模型進(jìn)行分層處理。將硅酸鈣陶瓷漿料倒入光固化成型機(jī)器的料槽中,調(diào)整打印參數(shù),設(shè)置曝光時(shí)間為3.7 s,層厚為15 μm,對(duì)陶瓷素坯進(jìn)行打印。③素坯的脫脂與燒結(jié)。將陶瓷素坯放入燒結(jié)爐,以0.5 ℃/min的加熱速率加熱到600 ℃,保溫60 min,再以5 ℃/min的加熱速率加熱到1 200 ℃,保溫60 min后隨爐冷卻,使陶瓷支架在高溫下脫脂并實(shí)現(xiàn)致密化。其中,脫脂和燒結(jié)曲線由差示掃描量熱儀(DSG)和熱重分析儀(TG)的結(jié)果分析確定。

表1 陶瓷漿料成分及質(zhì)量

(2)滲透明膠工藝制備多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架。①將明膠顆粒溶于60 ℃的去離子水中,配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%,7.5%,10%)的明膠溶液。②將陶瓷試樣分別放入不同質(zhì)量濃度的明膠溶液中,在60 ℃真空干燥箱中真空處理10 min。③將陶瓷試樣取出,表面用濾紙拭干,放入50 ℃干燥箱3 h,除去內(nèi)部多余的明膠溶液。④重復(fù)第②③步驟2次,最后一次將陶瓷試樣放入50 ℃干燥箱12 h,最終得到3組不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架(5%明膠、7.5%明膠和10%明膠)。

1.3 性能表征

采用阿基米德排水法測(cè)量陶瓷試樣的開孔孔隙率;采用微米X射線三維成像系統(tǒng)(Y.CHEETAH,德國(guó))逆向建模,計(jì)算陶瓷試樣的宏觀孔隙率;采用電子稱測(cè)量滲透明膠前后陶瓷試樣的質(zhì)量;采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,SU-8010,日立)觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu);采用X射線衍射儀(XRD,Bruker D8 ADVANCE,中國(guó))分析樣件的物相組成;采用生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(PLD-5,西安力創(chuàng))測(cè)試陶瓷試樣的壓縮強(qiáng)度,陶瓷試樣的設(shè)計(jì)孔隙率為70%,設(shè)計(jì)尺寸為8 mm×6 mm×6 mm,加載速率為0.5 mm/min,加載方向?yàn)槠叫写蛴》较?Z向)加載和垂直打印方向(X-Y向)加載。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅酸鈣支架宏微觀形貌

圖2為多孔硅酸鈣支架素坯和燒結(jié)后試樣的宏觀與微觀形貌。從圖2a和圖2d可以看出,素坯與燒結(jié)后的試樣均有相互連通的宏觀孔隙,其中素坯最大的宏觀孔隙尺寸在平行打印方向和垂直打印方向上分別約為1 292 μm和1 438 μm(見圖2b),燒結(jié)后最大的宏觀孔隙尺寸在平行打印方向和垂直打印方向上分別變約為961 μm和1 185 μm(見圖2e),產(chǎn)生了25.62%和17.59%的收縮。平行打印方向的線性收縮率大,一方面是因?yàn)榇蛴娱g存在大量樹脂基有機(jī)物,脫脂燒結(jié)過程中樹脂基有機(jī)物揮發(fā),致使層間收縮變大[13];另一方面是由于在單層固化時(shí),陶瓷顆粒排布不均勻造成的[14]。另外,燒結(jié)后試樣最小的宏觀孔隙尺寸可達(dá)約180 μm(見圖2e),這些宏觀孔隙有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送、細(xì)胞的遷移以及血管生成[15-16]。此外,由于固化層與FEP膜分離時(shí)脫膜力不足,易在素坯的表面產(chǎn)生較多的微裂紋。燒結(jié)過程中,陶瓷顆粒間的樹脂揮發(fā)排出,支架發(fā)生收縮,隨著溫度進(jìn)一步上升,陶瓷顆粒之間開始相互融合,使層與層間的粘結(jié)更加緊密,微裂紋大量減少[17]。如圖2c和圖2f所示,在素坯和燒結(jié)試樣表面可以清晰地看到分層結(jié)構(gòu),其中素坯試樣的單層層厚約為14.7 μm,燒結(jié)后試樣的單層層厚收縮約為11.0 μm,收縮率為25.2%,與宏觀孔隙尺寸收縮基本一致。從燒結(jié)試樣的微觀形貌可知,硅酸鈣陶瓷支架表面存在大量的微觀孔隙,這些微觀孔隙有利于細(xì)胞的黏附、增殖和分化,刺激骨生長(zhǎng)[18-19],但微觀孔隙的大量存在會(huì)降低支架的力學(xué)性能。通過光固化打印工藝可制備出具有高精度的多孔硅酸鈣支架,燒結(jié)后支架表面存在較多微觀孔隙。

(a)素坯試樣宏觀形貌

2.2 對(duì)物相組成的影響

不同質(zhì)量濃度多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的XRD分析如圖3所示。與標(biāo)準(zhǔn)卡對(duì)比可知,硅酸鈣支架的物相為單相的CaSiO3,與明膠復(fù)合后,特征峰沒有發(fā)生改變,說明滲透明膠工藝不會(huì)影響硅酸鈣陶瓷本身的特性。XRD圖譜中未見明顯的明膠衍射峰,這可能是因?yàn)槊髂z本身是弱結(jié)晶物質(zhì),且在復(fù)合支架中含量較少,因此無法被檢測(cè)到[20]。

圖3 復(fù)合支架及硅酸鈣支架的XRD圖譜對(duì)比

2.3 對(duì)開孔孔隙率和質(zhì)量的影響

陶瓷支架的開孔孔隙率由宏觀孔隙及微觀孔隙所決定。將燒結(jié)后的多孔硅酸鈣支架采用微米X射線三維成像系統(tǒng)進(jìn)行掃描并重建模型,如圖4所示。根據(jù)重建模型的體積,得到燒結(jié)后多孔硅酸鈣支架的宏觀孔隙率為(71.81±0.75)%,大于設(shè)計(jì)孔隙率的70%。這可能是因?yàn)楣夤袒蛴{料中添加了石墨作為光抑制劑,有效抑制了陶瓷懸浮液中的光散射現(xiàn)象,提高了打印精度,但同時(shí)降低了固化寬度,因此最終試樣的宏觀孔隙率略大于設(shè)計(jì)孔隙率[21]。根據(jù)阿基米德排水法測(cè)得多孔硅酸鈣支架的開孔孔隙率為(79.68±0.01)%,因此支架的微觀孔隙率約為7.87%。圖5顯示硅酸鈣/明膠復(fù)合支架質(zhì)量隨明膠質(zhì)量濃度增加而增大,開孔孔隙率隨明膠溶液質(zhì)量濃度的增加而降低,并且開孔孔隙率降低趨勢(shì)與復(fù)合支架質(zhì)量增長(zhǎng)趨勢(shì)具有較好的一致性。其中5%和7.5%明膠兩組試樣的開孔孔隙率降低了(5.56±1.50)%和(6.88±0.44)%,這主要是因?yàn)?%和7.5%明膠溶液具有較好的流動(dòng)性,黏度低,明膠填充了復(fù)合支架表面部分微觀孔隙(見圖6中b3、b4、c3、c4),但對(duì)宏觀孔隙影響小,因此開孔孔隙率降低較少。當(dāng)明膠溶液質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí),10%明膠組試樣開孔孔隙率降低了(10.19±1.17)%,多于5%和7.5%明膠兩組試樣。這是因?yàn)槊髂z溶液黏度隨質(zhì)量濃度指數(shù)趨勢(shì)增大,高黏度的明膠不僅填充了更多的微觀孔隙(圖6中d3),對(duì)宏觀孔隙也有部分堵塞(圖6中d1)。因此,為了保證復(fù)合支架宏觀孔隙的連通及宏觀孔隙率的穩(wěn)定,5%和7.5%明膠溶液滲透處理多孔硅酸鈣支架更適宜。

圖4 多孔硅酸鈣支架燒結(jié)試樣重建模型

圖5 明膠質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合支架質(zhì)量和開孔孔隙率的影響

2.4 對(duì)微觀特征的影響

圖6為未滲透明膠的硅酸鈣支架及滲透后不同明膠質(zhì)量濃度硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的SEM圖像。未滲透明膠的硅酸鈣支架組試樣具有連通的宏觀孔隙,分層結(jié)構(gòu)明顯,在層間和打印面表面均有大量的微觀孔隙。滲透后,5%和7.5%明膠兩組試樣宏觀孔隙基本連通,僅有少量最小的宏觀孔隙被明膠薄膜堵塞,如圖6中b1、c1紅色箭頭所示。此外,明膠填充了支架層間的部分微觀孔隙,但仍能明顯地看到分層(圖6中b2、c2),但打印面表明的大量微觀孔隙被填充(圖6中b3、c3)。從兩組試樣的斷面圖6中b4、c4可以看出,5%明膠試樣表面明膠層較薄,厚度ε約為0.1～1 μm,而7.5%明膠試樣表面的明膠層厚度約為0.5～1.5 μm。10%明膠試樣宏觀孔隙上出現(xiàn)較多的明膠薄膜,如圖6中d1紅色箭頭所示,這可能會(huì)影響宏觀孔隙的連通性。另外,10%明膠試樣表面較多的微觀孔隙已經(jīng)被明膠填充,無法看到明顯的分層結(jié)構(gòu)(圖6中d2),打印面表面微觀孔隙也幾乎被明膠完全填充(圖6中d3)。從斷面圖6中d4可以看出,支架表面的明膠層厚度約為1.5～2.5 μm。

圖6 硅酸鈣支架及硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的SEM圖像

2.5 對(duì)力學(xué)性能的影響

圖7a和圖7b分別為滲透明膠前后支架在Z向和X-Y向的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及斷裂特征。可以明顯看出,在Z向和X-Y向的壓縮試驗(yàn)中,滲透明膠前后支架的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都有相同的趨勢(shì),應(yīng)力先隨應(yīng)變呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng),然后波動(dòng)上升到最大應(yīng)力處,隨后波動(dòng)下降。當(dāng)明膠質(zhì)量濃度越大,復(fù)合支架的壓縮強(qiáng)度越大。此外,單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了未滲透明膠的多孔硅酸鈣支架和多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架具有不同的斷裂特征。如圖7a和圖7b所示,未滲透明膠的硅酸鈣支架試樣壓縮斷裂后呈粉碎狀散布于工作臺(tái)上,而滲透明膠后的3組試樣壓縮斷裂后仍能保持形狀。因此,在滲透明膠后支架的抗壓強(qiáng)度和韌性都有增加。

(a)Z向

圖8顯示了滲透明膠前后支架在Z向和X-Y向的壓縮強(qiáng)度。滲透明膠前,多孔硅酸鈣支架在Z向和X-Y向的壓縮強(qiáng)度分別為(1.78±0.22)MPa和(3.01±0.78)MPa,強(qiáng)度較小。滲透明膠后,強(qiáng)度得到了明顯提升,5%明膠、7.5%明膠和10%明膠3組試樣在Z向的壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到了(2.90±0.49)MPa、(4.76±1.15)MPa和(6.35±1.13)MPa,在X-Y向的壓縮強(qiáng)度分別達(dá)到了(7.70±0.54)MPa、(9.52±0.49)MPa和(13.55±0.63)MPa,滲透后的3組支架試樣在Z向和X-Y向的壓縮強(qiáng)度均與人體松質(zhì)骨相匹配(約為1.9～7.0 MPa)[22]。這主要是因?yàn)閷⒍嗫坠杷徕}支架滲透明膠后,明膠填充了支架的微觀孔隙和微裂紋(見圖9a、圖9b),阻止了裂紋的延伸。此外,明膠還更容易在復(fù)合支架桿與桿之間的連接處附著沉積(見圖9c),降低了應(yīng)力集中,提高了復(fù)合支架的強(qiáng)度。從圖8可以看出,4組支架X-Y向的壓縮強(qiáng)度均大于Z向,并且差異具有顯著性意義(P<0.05),這是由于光固化打印成型的層狀結(jié)構(gòu)具備各向異性。圖10顯示了用不同質(zhì)量濃度明膠溶液對(duì)硅酸鈣支架滲透處理后Z向和X-Y向增強(qiáng)因子的變化趨勢(shì),可以看出,Z向增強(qiáng)因子在1.36～5.09的范圍內(nèi)波動(dòng),X-Y向的增強(qiáng)因子在2.39～4.70的范圍內(nèi)波動(dòng),兩個(gè)方向的增強(qiáng)因子均隨明膠溶液質(zhì)量濃度增高而變大。

圖8 支架Z向和X-Y向單軸壓縮的壓縮強(qiáng)度

(a)斷面區(qū)域

圖10 支架Z向和X-Y向單軸壓縮的增強(qiáng)因子

圖11顯示了滲透明膠前后支架Z向和X-Y向最大抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變能密度(Gmax),它是應(yīng)力隨應(yīng)變到最大抗壓強(qiáng)度時(shí)的積分,可以用Gmax來表征韌性[23]?？梢钥闯?硅酸鈣支架組試樣由于是純陶瓷,脆性大,Z向和X-Y向Gmax只有(1.59±0.56)×104J/m3和(2.17±0.47)×104J/m3。滲透明膠后,3組支架試樣的Gmax在Z向和X-Y向上均得到增加,并隨明膠質(zhì)量濃度增加而增大。5%明膠、7.5%明膠和10%明膠3組試樣在Z向的Gmax分別達(dá)到了(2.37±0.30)×104、(4.42±0.88)×104和(10.46±0.84)×104J/m3,在X-Y向的Gmax分別達(dá)到了(5.45±0.46)×104、(9.39±1.36)×104和(10.96±0.85)×104J/m3。圖12是滲透明膠后支架Z向和X-Y向的增韌因子,能夠明顯看出,多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的韌性得到了提高,Z向增韌因子在1.30～7.10范圍內(nèi)波動(dòng),X-Y向增韌因子在2.31～5.45范圍內(nèi)波動(dòng),并且明膠質(zhì)量濃度越高,Z向和X-Y向增韌因子越大。這一方面是因?yàn)楣杷徕}/明膠復(fù)合支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高;另一方面,支架微孔中的明膠在裂紋尖端產(chǎn)生了裂紋橋聯(lián)(見圖9a),提高復(fù)合支架的韌性,并能在失效后使復(fù)合支架保持較完整的結(jié)構(gòu)(見圖7a、圖7b)。

圖11 支架Z向和X-Y向最大抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力能密度

圖12 支架Z向和X-Y向最大抗壓強(qiáng)度的增韌因子

3 結(jié) 論

通過光固化打印工藝,制備了高精度結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔硅酸鈣支架,燒結(jié)后的支架具有連通的宏觀孔隙和大量的微觀孔隙;滲透明膠工藝未對(duì)硅酸鈣陶瓷的物相組成造成影響,滲透明膠后支架質(zhì)量增加,開孔孔隙率降低;同時(shí),由于明膠填充了支架表面的微觀裂紋和微觀孔隙,并在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的桿連接處大量沉積,使支架Z向和X-Y向的強(qiáng)度和韌性都得到了提高。

(1)通過光固化打印工藝制備了高精度結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔硅酸鈣支架。燒結(jié)后支架具備宏、微觀一體化結(jié)構(gòu),最小的宏觀孔隙尺寸約為180 μm,支架表面存在大量微觀孔隙。

(2)用5%和7.5%的明膠溶液對(duì)多孔硅酸鈣支架進(jìn)行滲透處理,可保證復(fù)合支架宏觀孔隙的連通及宏觀孔隙率的穩(wěn)定。硅酸鈣明膠復(fù)合支架的質(zhì)量隨明膠質(zhì)量濃度的增加而增大;5%明膠和7.5%明膠組試樣表面的部分微裂紋和微觀孔隙被明膠填充,同時(shí)能保持良好的宏觀孔隙特征。當(dāng)明膠質(zhì)量濃度達(dá)到10%時(shí),明膠不僅填充了微裂紋和微觀孔隙,對(duì)宏觀孔隙也產(chǎn)生了明顯的堵塞。

(3)滲透明膠后,支架的強(qiáng)度和韌性都得到了提高。當(dāng)明膠質(zhì)量濃度為10%時(shí),硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的強(qiáng)度和應(yīng)力能密度到達(dá)最大值,但此質(zhì)量濃度下復(fù)合支架宏觀孔隙堵塞明顯,影響宏觀孔隙的連通性。當(dāng)明膠質(zhì)量濃度為5%和7.5%時(shí),試樣宏觀孔隙連通性較好,強(qiáng)度和韌性得到了明顯提高。此質(zhì)量濃度范圍下復(fù)合支架仍存在各向異性,在Z向的壓縮強(qiáng)度提高了0.63～1.67倍,最高達(dá)到5.91 MPa,應(yīng)力能密度提高了0.84～1.77倍,最高達(dá)到5.30×104J/m3;X-Y向的壓縮強(qiáng)度提高了1.56～2.07倍,最高達(dá)到10.01 MPa,應(yīng)力能密度提高了1.51～3.33倍,最高達(dá)到10.75×104J/m3。因此,5%～7.5%是制備多孔硅酸鈣/明膠復(fù)合支架的合適明膠濃度。