《Additive Manufacturing》：LCD3D打印工艺制备三周期最小表面晶格生物陶瓷结构

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分类：行业动态
发布时间：2023-08-08 15:40
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2023年８月１日，悉尼大学、悉尼科技大学的研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为Liquid crystal display technique (LCD) for high resolution 3D printing of triply periodic minimal surface lattices bioceramics的研究论文，报道了采用LCD3D打印工艺之别孔隙率超过90%、孔径小于200 μm、最小壁厚为38 μm的TPMS结构。

原文链接：

//doi.org/10.1016/j.addma.2023.103720

研究简介

陶瓷增材制造中，利用三周期最小表面CTPMS晶格以制备模拟小梁骨结构的高多孔生物陶瓷支架仍是一个难题。本文报道了一种使用高分辨率液晶显示器(LCD)作为动态掩模发生器的光聚合技术，可以制造孔隙率超过90%、孔径小于200 μm、最小壁厚为38 μm的TPMS结构。团队人员系统地研究了折射率和粉末粒度分布等工艺变量对羟基磷灰石和巴格达石生物陶瓷光敏浆料固化深度和尺寸精度打印的影响及其机理。

研究结果表明，固体颗粒和光敏树脂之间的折射率差异是决定打印质量和尺寸精度的关键因素。此外，无论生物陶瓷成分如何，将颗粒尺寸从9.0μm减小到0.5μm，都可以提高表面光洁度的质量，同时减小可以实现的最小特征尺寸。本研究提出了LCD技术作为传统立体光刻技术，是用于3D制造生物陶瓷支架的一种强大而有效的替代方案，同时还强调了LCD作为一种制造技术的重要性，可用于实现骨支架的先进拓扑优化和患者特异性植入物的生产。

研究内容解读

本研究利用分辨率为7500 x 3240像素的LCD屏幕，首次实现了最小特征尺寸为38 μm、孔隙率高达92%的复杂TPMS结构的3D打印。团队人员全面研究了折射率、颗粒大小和陶瓷颗粒分布对打印质量的影响，具体采用了两种生物陶瓷：羟基磷灰石和巴格达石。首先，两种材料具有不同的折射率，这为探索不同陶瓷成分的折射率如何影响固化深度和可实现的最小特征尺寸提供了独特的条件。其次，羟基磷灰石和巴格达石在体外和体内均因其优异的生物相容性和生物活性而得到广泛认可。

本研究证明了打印的尺寸精度主要取决于固体颗粒和光敏树脂的折射率之间的差异，其中生物陶瓷颗粒尺寸分布决定了表面光洁度和可实现的最小特征尺寸。这项研究是第一次使用LCD技术精确地使用生物陶瓷材料创建TPMS几何形状。

图1 生物陶瓷的LCD打印原理图，包括一个可移动部件(成型平台)和高分辨率显示器。

图3 (a) HA9(左图，无分散剂)、HA9(右图，有分散剂)、HA9(底图，有分散剂)的浆料稳定性。明显的颜色变化是由于光照的差异，并不反映浆液颜色的实际变化。(b)由HA9制成的料浆的固化深度与相同料浆在台架上放置14天的固化深度的比较。(c) HA9、HA2.6、HA0.5配制的浆料在紫外线照射后的固化深度。(d)在不同时间的紫外线照射下浆料的固化深度作比较。

图4 (a)设计的掩模包含不同大小的圆形和方形孔隙阵列。(b)切片软件生成的掩模(左)和通过LCD技术打印的样品图像(右)。(c)采用DLP和LCD技术，用巴格达石和HA粉末制成的浆液制成的打印件的代表性图像(左图)以及打印件特征质量和样品表面光洁度的展示(右图)。

图5 通过使用LCD和DLP3D打印技术以及不同的紫外线曝光时间，对不同3D模型进行了对比，得出了打印件的轮廓精度。

图6 SEM显微图显示三维模型和烧结后支架的结构，比例尺= 1 mm。

图7 LCD技术打印多孔TPMS生物陶瓷结构的微米ct图像。

图8 不同放大倍数下羟基磷灰石支架断口的SEM显微照片。

研究结论

本研究在光聚合技术领域取得了重大进展，团队利用高分辨率液晶显示器(LCD)以卓越的精度和复杂性制造出TPMS结构。我们的工艺保证了支架的制造孔隙率超过90%，孔径小于200 μm，最小壁厚为38 μm，实现了前所未有的结构细节，这是其他生物陶瓷立体光刻技术无法实现的。

这种先进技术的引入使TPMS结构设计中不可或缺的精确弯曲特征的产生成为可能，有效地克服了现有陶瓷打印技术固有的分辨率限制。该技术允许改进理论设计曲率的复制，这反过来又驱动曲率依赖的生物和机械功能的优越开发。研究人员使用高分辨率微ct扫描对3D打印TPMS结构进行了详细评估，进一步强化了这些发现。

该方法的潜力和灵活性在TPMS结构的生成中得到了证明，例如平均壁厚为120 μm、总孔隙率为88%的Schwarz单元胞，最小壁厚为~70 μm、总孔隙率为90%的Diamond结构，以及壁厚为~60 μm、高孔隙率为92%的Gyroid 结构。此外，各种结构的表面体积比(S/V)都在骨骼的生理范围内，这表明这些TPMS支架可以作为骨组织工程应用的最佳候选材料。

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