中国粉体网讯 过去60年，生物材料领域取得了巨大进步，其中陶瓷和玻璃材料在许多时候都走在了前列。但科学家们认为，如果能克服一些长期存在的挑战，这些材料的潜力远不止目前这些发现所触及的层面。
多孔性：生物材料面临的挑战之一
多孔性是生物材料科学家面临的挑战之一。大多数天然组织具有相互连通的多孔-可渗透结构，这种结构有助于实现氧气、营养物质和代谢废物扩散等基本生理功能。利用生物材料复制这种复杂网络，有助于优化其与人体的整合，但研究陶瓷和玻璃材料的科学家必须谨慎地在孔隙率和结构完整性之间取得平衡，已避免降低材料变脆和强度降低。
目前正在探索多种方法来制造力学性能足够的多孔生物陶瓷，包括冷冻浇铸、静电纺丝和增材制造。无论采用何种具体的成型方法，在许多情况下，都需要一个烧结步骤来致密化材料并达到最终的强度水平。
设置烧结步骤时需要考虑许多参数，包括所处理材料的热性能。在过去一个月内，两个不同的研究小组分别深入研究了平衡氟磷灰石和氧化铝孔隙率与强度所需的烧结参数，他们的研究结果发表在《International Journal of Applied Ceramic Technology 》上。
螺旋状结构氟磷灰石中的孔隙率与强度
在第一篇开放获取论文中，犹他大学的四位研究人员采用凝胶浇铸工艺和可燃模板，制备了具有螺旋状结构的氟磷灰石支架。
他们首先解释道，对于临界尺寸的骨缺损应用，支架通常需要超过50%的孔隙率和大于100µm的孔径，以支持骨向内生长和血管化。然而，对于磷灰石家族的材料，“实现如此高的孔隙率通常会损害机械强度，”研究人员写道。
虽然高温热处理可以提高磷灰石的机械性能，但磷灰石在较高温度下会热分解成不同的磷酸三钙相。因此，这一特性决定了为保持磷灰石结构而进行热处理的温度上限。
研究人员指出，多项研究发现，氟磷灰石——一种氟取代的羟基磷灰石——比其他磷灰石更能承受高温加工，“从而能够制造出更强、更可靠的用于承重应用的支架”。因此，他们选择氟磷灰石进行研究。
研究人员还为氟磷灰石选择了螺旋孔结构，因为根据以往文献，它比传统的直线型拓扑结构具有"更高的互联性和更大的表面曲率，并且表现出更优越的机械性能"。
研究人员使用三种不同的可燃模板来实现孔隙率分别为50%、60%和70%的螺旋状设计。然后，然后，他们对凝胶浇铸的支架进行烧结，以5°C/分钟的升温速度加热至1050°C、1150°C或1250°C（每个温度均保温2小时），然后以5°C/分钟的速度冷却。
分析烧结后的支架后，研究人员得出了几项观察结果：
孔隙率百分比：在1050°C烧结时，孔隙率与设计目标的偏差在2%以内；但在 1150°C和1250°C烧结的支架中，孔隙率有所下降。
抗压强度：平均抗压强度范围在5–13 MPa，落在设定的5–30MPa的目标范围内。唯一不符合这一标准的是在1050°C和1150°C下烧结的孔隙率为70%的支架。
威布尔模量：这一用于衡量材料强度变异性的无量纲参数范围在2.2到4.8，表明变异性很大，失效模式不可预测。
基于这些结果，研究人员得出结论，这种氟磷灰石生物陶瓷的制备方法显示出潜力，但未来研究应侧重于优化加工工艺，以减少失效行为的变异性。
这篇论文发表于《International Journal of Applied Ceramic Technology》，题为：“Sintering improves the mechanical properties of fluorapatite scaffolds with open porous gyroid architecture”
（DOI: 10.1111/ijac.70180）。
通过UHS处理的氧化铝中的孔隙率与强度
在第二篇论文中，由西班牙塞维利亚大学的四位研究人员使用新型超快高温烧结（UHS）技术作为中间热处理工艺，制造了多孔氧化铝。
UHS技术由马里兰大学胡良兵教授的团队于2020年开发。该技术将压制好的前驱体粉末生坯夹在两条碳带之间，然后通过辐射和传导快速加热坯体。该方法可达到高达3000°C的烧结温度，且总加工时间不到10秒。
在这项新研究中，该团队基于他们之前在放电等离子烧结方面的工作，使用碳质牺牲模板来产生多孔结构。随后的UHS工艺包括两步预热阶段——400°C保持15秒，然后800°C再保持15秒——之后达到最高温度1500°C，保温时间分别为30秒或45秒。
烧结（总共耗时不到90秒）之后，样品在空气中于900°C下煅烧5小时以去除模板。然后，在1600°C下进行额外的热处理以实现致密化，致密化采用两种方法之一：使用UHS处理60秒，或在传统管式炉中处理2小时。
对样品的分析表明，“完全基于UHS的烧结和致密化程序，不足以获得完全致密的氧化铝骨架，使得孔隙空间仅由碳的去除所形成，”研究人员写道。
这一结果有些令人意外，因为之前一项使用UHS的研究在780°C预热90秒后，于1500°C下获得了完全致密化的样品。 研究人员将这种差异归因于：先前研究使用高压冷等静压来制备坯体，而当前研究仅使用了单轴压制。
尽管样品未能实现完全致密化，研究人员写道，UHS工艺确实能够以比传统烧结技术更节能的方式，实现可定制的孔隙率和机械性能。
因此，虽然一些样品制备方法还需要优化，但"这种超快且可重复的方法所得到的初步结果令人鼓舞，并为多孔陶瓷的合成提供了一条新的方法论路线，"研究人员写道。
该论文发表于《International Journal of Applied Ceramic Technology》，题为：“Synthesis of porous alumina using carbon sacrificial template via UHS: Process, structure, and mechanical properties”。(DOI: 10.1111/ijac.70190).
参考来源：Balancing porosity and strength in bioceramics: Two studies investigate sintering parameters
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/sintering-effects-on-bioceramic-porosity-and-strength/
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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