ZrO2生物陶瓷挤出成形支架及其性能研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.008

摘要/Abstract

摘要：

以氧化锆为原材料，结合五组分黏合剂，自主制备了陶瓷粉末/聚合物复合丝材；然后利用陶瓷材料挤出成形技术（CME）制备了生坯试件；进而通过脱脂烧结工艺完成了高精度多孔ZrO₂生物陶瓷支架的成形；最后通过实验表征了支架的物理属性、微观结构、力学性能及生物相容性等参数，揭示了CME制品工艺-结构-性能间的关联。研究结果表明：烧结支架试件密度达5.90~5.99 g/cm³（相对密度97.44%～98.99%），孔隙率稳定可控，且各向同性收缩有效避免了传统烧结的尺寸畸变；支架表面亲水性优异，力学性能与人体骨组织相匹配，且生物安全性良好（细胞活力大于60%）。

关键词: 生物陶瓷材料挤出成形, 多孔支架, 物理属性, 力学性能, 生物相容性

Abstract:

Zirconia was employed as the raw material， and ceramic powder/polymer composite filaments were fabricated by combining a five-component binder system. Green specimens were prepared using the CME technology， and high-precision porous ZrO₂ bio-ceramic scaffolds were formed through a debinding and sintering process. The physical properties， microstructures， mechanics properties and biocompatibility of the scaffolds were experimentally characterized， and the relationships among processing， structure and properties of CME products were revealed. The results show that the densities of the sintered scaffold specimens range from 5.90 to 5.99 g/cm³ （97.44%~98.99% for relative densities）， the porosities are stable and controllable， and isotropic shrinkage effectively avoids the typical dimensional distortions of conventional sintering. The scaffold surfaces exhibit excellent hydrophilicity， their mechanics properties match those of human bone tissues， and they demonstrate good biosafety， with cell viabilities exceeding 60%.

Key words: bio-ceramic material extrusion（CME）, porous scaffold, physical attribute, mechanics property, biocompatibility

中图分类号:

TH164

姜世杰, 郭佳欣, 刁龙越, 刘显赫, 王金榜, 王宁. ZrO₂生物陶瓷挤出成形支架及其性能研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1345-1352.

JIANG Shijie, GUO Jiaxin, DIAO Longyue, LIU Xianhe, WANG Jinbang, WANG Ning. Study on ZrO₂ Bio-ceramic Material Extrusion Scaffolds and Properties[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(6): 1345-1352.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.008

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2026/V37/I6/1345

图/表 17

表1 试件整体尺寸

Tab.1 Overall dimensions of specimens

试件	模型	尺寸/mm
试件	模型	L	T	W
亲水性试件 $W i$ $(i = 1,2, 3,4, 5)$		25	2
压缩试件 $H i$ 、D $i$ $(i = 1,2, 3,4, 5)$		15	15	15
细胞毒性试件 $C j 0.6$ 、 $C 40, j$ $C 50, j$ 、 $C 60, j$ $(j = 1,2, 3)$		12	1.5

表1 试件整体尺寸

Tab.1 Overall dimensions of specimens

试件	模型	尺寸/mm
试件	模型	L	T	W
亲水性试件 $W i$ $(i = 1,2, 3,4, 5)$		25	2
压缩试件 $H i$ 、D $i$ $(i = 1,2, 3,4, 5)$		15	15	15
细胞毒性试件 $C j 0.6$ 、 $C 40, j$ $C 50, j$ 、 $C 60, j$ $(j = 1,2, 3)$		12	1.5

表2 过程参数设置

Tab. 2 Process parameter settings

过程参数	数值
喷嘴直径/mm	0.6
成形温度/℃	240
成形速度/（mm·s $- 1$ ）	25
床温/℃	100
线宽/mm	0.6
层厚/mm	0.2

表2 过程参数设置

Tab. 2 Process parameter settings

过程参数	数值
喷嘴直径/mm	0.6
成形温度/℃	240
成形速度/（mm·s $- 1$ ）	25
床温/℃	100
线宽/mm	0.6
层厚/mm	0.2

图1 多孔支架结构示意图

Fig.1 Schematic diagrams of porous scaffold structures

图2 热脱脂/烧结曲线

Fig.2 Thermal debinding/sintering curve

图3 接触角

Fig.3 Contact angle

图4 细胞接种支架

Fig.4 Cell seeding on scaffolds

图5 烧结前后试件图

Fig.5 Images of specimens before and after sintering

表3 CME试件的脱脂率

Tab. 3 Debinding rate of CME specimens

试件	脱脂率/%	理论脱脂率/%	误差/%
H-1	18.34	18.35	0.03
H-2	18.34		0.01
H-3	18.39		0.26
H-4	18.33		0.06
H-5	18.33		0.08
D-1	18.33		0.09
D-2	18.36		0.07
D-3	18.31		0.20
D-4	18.33		0.11
D-5	18.37		0.11

表4 CME烧结试件的密度和相对密度

Tab. 4 Density and relative density of CME sintered specimens

试件	密度/（g∙cm $- 3$ ）	理论密度/（g∙cm $- 3$ ）	相对密度/%
H-1	5.94	6.05	98.17
H-2	5.99		98.99
H-3	5.96		98.43
H-4	5.97		98.68
H-5	5.94		98.18
D-1	5.93		97.95
D-2	5.95		98.26
D-3	5.90		97.44
D-4	5.93		98.03
D-5	5.94		98.13

表4 CME烧结试件的密度和相对密度

Tab. 4 Density and relative density of CME sintered specimens

试件	密度/（g∙cm $- 3$ ）	理论密度/（g∙cm $- 3$ ）	相对密度/%
H-1	5.94	6.05	98.17
H-2	5.99		98.99
H-3	5.96		98.43
H-4	5.97		98.68
H-5	5.94		98.18
D-1	5.93		97.95
D-2	5.95		98.26
D-3	5.90		97.44
D-4	5.93		98.03
D-5	5.94		98.13

表5 CME烧结试件的收缩率

Tab.5 Shrinkage rate of CME sintered specimens

试件	x方向收缩率/%	y方向收缩率/%	z方向收缩率/%
H-1	26.39	26.68	26.24
H-2	26.17	26.62	26.06
H-3	25.97	26.76	25.84
H-4	26.20	26.59	26.21
H-5	26.07	26.43	26.05
D-1	26.46	26.30	26.63
D-2	26.26	26.73	26.54
D-3	26.52	26.43	26.28
D-4	26.51	26.79	25.99
D-5	26.43	26.37	26.49

表6 CME烧结试件的孔隙率

Tab. 6 Porosity of CME sintered specimens

试件	孔隙率/%	试件	孔隙率/%
H-1	55.83	D-1	56.75
H-2	57.42	D-2	56.33
H-3	57.28	D-3	55.40
H-4	56.42	D-4	55.97
H-5	57.40	D-5	53.99

图6 生坯和烧结试件表面微观形貌

Fig.6 Surface morphology of green-body and sintered specimens

图7 生坯和烧结试件横截面微观结构

Fig.7 Cross-sectional microstructure of green-body and sintered specimens

图8 试件的水接触角

Fig.8 Water contact angle of specimens

图9 多孔结构试件的应力-应变曲线

Fig.9 Stress-strain curves of porous structure specimens

表7 多孔结构试件的抗压强度和弹性模量

Tab.7 Compressive strength and elastic modulus of porous structure specimens

试件	抗压强度/MPa	压缩模量/GPa
H-1	153.05	5.68
H-2	145.91	5.27
H-3	148.14	6.20
H-4	147.14	4.75
H-5	146.23	6.56
D-1	120.10	5.99
D-2	128.67	4.91
D-3	117.63	5.74
D-4	119.93	4.21
D-5	123.74	4.94

图10 相对细胞活力

Fig.10 Relative cell viability

参考文献 17

[1]	LIU Minyan， WANG Yanen， LIU Xiaowu， et al. Comprehensive Review on Fabricating Bioactive Ceramic Bone Scaffold Using Vat Photopolymerization［J］. ACS Biomaterials Science & Engineering， 2023， 9（6）： 3032-3057.
[2]	CURREY J D. Bones： Structure and Mechanics［M］. Princeton： Princeton University Press， 2002.
[3]	KUMAR P， SHAMIM， MUZTABA M， et al. Fused Deposition Modeling 3D-printed Scaffolds for Bone Tissue Engineering Applications： a Review［J］. Annals of Biomedical Engineering， 2024， 52（5）： 1184-1194.
[4]	CANO S， GONZALEZ-GUTIERREZ J， SAPKOTA J， et al. Additive Manufacturing of Zirconia Parts by Fused Filament Fabrication and Solvent Debinding： Selection of Binder Formulation［J］. Additive Manufacturing， 2019， 26： 117-128.
[5]	MANZOOR F， GOLBANG A， DIXON D， et al. 3D Printed Strontium and Zinc Doped Hydroxyapatite Loaded PEEK for Craniomaxillofacial Implants［J］. Polymers， 2022， 14（7）： 1376.
[6]	THOMAZI E， ROMAN C， VANNI J S， et al. Acrylonitrile-butadiene-styrene-based Composites for the Manufacture of Anthropomorphic Simulators［J］. Polymer Composites， 2024， 45（7）： 6720-6732.
[7]	INTAWIN P， KRAIPOK A， KAMNOY M， et al. Fabrication of PLA Based/Lithium Disilicate Glass Filaments for Dental Glass-ceramic Preparation by Fused Deposition of Ceramics［J］. Polymer-Plastics Technology and Materials， 2023， 62（14）： 1912-1922.
[8]	KAMARAJ M， ROOPAVATH U K， GIRI P S， et al. Modulation of 3D Printed Calcium-deficient Apatite Constructs with Varying Mn Concentrations for Osteochondral Regeneration via Endochondral Differentiation［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14（20）： 23245-23259.
[9]	GE Mengxing， XIE Deqiao， YANG Youwen， et al. Sintering Densification Mechanism and Mechanical Properties of the 3D-printed High-melting-point-difference Magnesium Oxide/Calcium Phosphate Composite Bio-ceramic Scaffold［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2023， 144： 105978.
[10]	MARSH A C， ZHANG Y， POLI L， et al. 3D Printed Bioactive and Antibacterial Silicate Glass-ceramic Scaffold by Fused Filament Fabrication［J］. Materials Science & Engineering C， Materials for Biological Applications， 2021， 118： 111516.
[11]	RAJA N， PARK H， GAL C W， et al. Support-less Ceramic 3D Printing of Bioceramic Structures Using a Hydrogel Bath［J］. Biofabrication， 2023， 15（3）： 035006.
[12]	DISTLER T， FOURNIER N， GRÜNEWALD A， et al. Polymer-bioactive Glass Composite Filaments for 3D Scaffold Manufacturing by Fused Deposition Modeling： Fabrication and Characterization［J］. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology， 2020， 8： 552.
[13]	JIANG Shijie， YING Hongwei， CHEN Jiaqi， et al. Study on the Ceramic Fused Filament Fabrication Process and the Built Parts’ Static Mechanical Properties［J］. International Journal of Material Forming， 2025， 18（2）： 31.
[14]	ALAM F， VARADARAJAN K M， KOO J H， et al. Additively Manufactured Polyetheretherketone （PEEK） with Carbon Nanostructure Reinforcement for Biomedical Structural Applications［J］. Advanced Engineering Materials， 2020， 22（10）： 2000483.
[15]	HUHTAMÄKI T， TIAN Xuelin， KORHONEN J T， et al. Surface-wetting Characterization Using Contact-angle Measurements［J］. Nature Protocols， 2018， 13（7）： 1521-1538.
[16]	LIU Fuchu， LIN Yuxiao， WU Ming， et al. Anisotropic Behavior of ZrO₂ Ceramic Fabricated by Extrusion［J］. Ceramics International， 2024， 50（19）： 34740-34755.
[17]	GIBSON L J. Cellular Solids［J］. MRS Bulletin， 2003， 28（4）： 270-274.

ZrO₂生物陶瓷挤出成形支架及其性能研究

Study on ZrO₂ Bio-ceramic Material Extrusion Scaffolds and Properties

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 17

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	卢海飞, 王振宇, 罗开玉, 鲁金忠. 热处理对激光定向能量沉积GH5188钴基合金微观组织与力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1305-1317.
[2]	姜永亮, 冻瑞岚, 李阳, 李晨龙, 李志鹏, 陈国达. 陶瓷基复合材料增材制造工艺研究进展[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1325-1344.
[3]	齐英杰, 李伟, 刘增华, 周亚波, 温泽峰. 针对地铁车辆晃动的轨道几何不平顺敏感波长分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1925-1933.
[4]	王亚辉1, 2, 3, 黄亮1, 2, 刘翔1, 2. 固溶处理对锻/增复合成形TC4钛合金件的显微组织和力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1314-1321.
[5]	莫帅1, 2, 3, 黄轩1, 2, 黄祖瑞1, 2, 张伟1. 连续多稳态齿轮元胞机械超结构及其力学性能[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 857-863，887.
[6]	姜世杰1, 2, 许子沼1, 李曙光1, 王菲1, 黄绪震3. 17-4PH不锈钢材料的金属熔丝成形及其制品力学性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 593-603.
[7]	成艾国1, 王超1, 于万元2, 何智成1. 铆钉裂纹对自冲铆接力学性能影响的仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(02): 197-208.
[8]	李旭阳, 代亮成, 池茂儒, 赵明花, 周荻. 电力动车组变刚度转臂节点的半主动控制[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 160-167,176.
[9]	罗自荣, 徐毓泽, 陈善军, 王圣引, 卢钟岳, 朱一鸣. 2-(U+UPS)PU+UPU平动机器人腿机构设计与力速性能分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2193-2202.
[10]	万步炎1, 2, 彭奋飞1, 2, 3, 金永平1, 2 , 刘德顺1, 2 , 彭佑多1, 2. 海洋探测装备收放缆力学性能研究综述[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1521-1533.
[11]	张武昆1, 2, 赵剑2, 谭永华1, 2, 高玉闪1, 2, 王珺1, 2, 韩子月3, 耿小亮4. 不同增强方向的带支柱体心立方点阵及其填充结构的压缩力学性能分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1642-1652.
[12]	倪敬, 崔智, 何利华, 付新, 朱泽飞. 聚四氟乙烯材料切削工艺和应用研究进展[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 498-514.
[13]	王伟, 马乾伦, 白振华, 王子昂. 基于梯度提升决策树的冷轧高强钢卷力学性能预测[J]. 中国机械工程, 2023, 34(18): 2222-2229.
[14]	刘莹, 陈越, 赵雪利, 于同敏, 祝铁丽, . 超声辅助注射成形碳纤维增强聚丙烯制件性能研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(16): 1975-1981.
[15]	李光俊, 段宏, 徐磊, 阚琛, 刘忠亮, 高晓东. Al7.8Co20.6Cr12.2Fe11.5Ni40.7Ti7.2高熵超合金的摩擦磨损行为研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1568-1575.