CaO添加量对熔融沉积成型（FDM）制备的Si₃N₄-CaO生物陶瓷材料微观结构、力学性能和生物活性的影响

摘要

氮化硅（Si₃N₄）具有优异的力学性能，但生物活性较低且复杂形状制品加工困难等因素限制了其在骨组织替代材料方面的应用。本研究采用3D打印技术中的熔融沉积成型（FDM）结合气压烧结法制备了Si₃N₄-CaO生物陶瓷材料，探究了CaO添加量对生物陶瓷材料组成、微观结构、力学和生物活性的影响。结果表明：添加8 wt.%CaO的陶瓷材料具有最佳的综合性能，其表观气孔率为6.44%、抗弯强度为448 MPa、断裂韧性为5.15 MPa⋅m^1/2、维氏硬度为13.0 GPa、抗压强度为2134 MPa，材料表面OD值增速达0.54⋅d^-1、抑菌率达到72.5%（E. coli）与73.0%（S. aureus）。研究显示，添加适量CaO后，一方面，材料表面玻璃相增加、气孔率升高，材料中Si、N、Ca等活性元素与细胞的接触几率增加，另一方面，Ca²⁺的抑菌作用赋予材料较好的抑菌性能。因此，所制生物陶瓷材料具有较好的生物活性和抑菌效果。

关键词

Si₃N₄-CaO生物陶瓷材料 / 3D打印熔融沉积成型 / 力学性能 / 生物活性

基金资助

湖南省重点研发计划（2023GK2083）