科学网—陕西科技大学赵雪妮：弱磁场辅助3 D打印构建仿生结构羟基磷灰石生物陶瓷-清华大学出版社学术期刊的博文
精选
已有 6414 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。
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
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1500937.html
上一篇： 云南大学朱静/中国计量大学雷磊/福建农林大学谢知：利用双磷酸盐的结构优势实现了高效近紫外光发射及多功能性 下一篇： 中山大学刘敏/魏郁林/李淇淇：晶界-层错网络对纳米碳化硅涂层抗氦离子辐照损伤性能的增强作用
主题：生物陶瓷|陕西科技大学赵雪妮|Constructionofhydroxyapatitebioceramicswithbiomimeticstructuresbyweakmagneticfield-assisted3Dprinting