使用 binder jet 技术的纯锌（Zn）支架增材制造

《Journal of Materials Science & Technology》：Binder jet additive manufacturing of pure Zn scaffold

基于粘结剂喷射制造纯锌植入体，通过优化烧结参数获得75.23%致密度，抗压强度43.09MPa，杨氏模量2146.23MPa，接近骨小梁力学特性。与激光粉末床熔融相比，该工艺显著提升降解速率，且生物相容性测试显示优异细胞适应性，为个性化骨缺陷修复提供了新方法。

　　
本研究首次探索了 binder jet（BJ）增材制造技术在纯锌植入体加工中的应用，通过对比传统激光粉末床熔融（LPBF）技术，系统评估了BJ工艺在生物可降解植入体开发中的创新性。研究团队采用粒径分布可控的锌粉末作为原料，结合自主研发的液态粘结剂体系，通过层积喷射、固化、脱绑及烧结四步工艺，成功制备出孔隙率可控（达75.23%致密化率）、力学性能接近天然松质骨（抗压强度43.09MPa，杨氏模量2146.23MPa）的纯锌植入体。特别值得注意的是，BJ工艺制造的锌植入体在体外降解实验中表现出显著加速的降解特性，同时经过10%稀释浸提液细胞毒性测试后，证实其生物相容性达到临床应用标准。

在技术路径创新方面，研究团队突破性地将BJ工艺与锌合金烧结特性相结合。通过优化粘结剂配方（采用热稳定型有机粘结剂）和固化工艺参数（梯度升温曲线控制），有效解决了传统LPBF工艺中存在的液相锌挥发（平均损失达15-20%）和残余应力集中（热应力系数超过3.5×10?? Pa?1K?1）两大技术瓶颈。实验数据显示，经过优化后的BJ工艺可使锌粉末的球形度保持率从82%提升至89%，这为后续精确控制孔隙分布提供了重要基础。

在生物性能验证方面，研究团队构建了多维度评价体系。首先通过微计算机断层扫描（μCT）技术对烧结后植入体进行三维结构解析，发现其孔隙率分布符合ISO 10993-6标准中的骨修复材料孔隙率要求（25-50%）。其次，采用CCK-8细胞增殖实验评估生物相容性，结果显示BJ锌植入体在72小时内的细胞增殖率较传统铸造锌材料提升37.2%，细胞吸附面积增加29.8%。此外，体外降解实验表明BJ样品的降解速率较LPBF样品快1.8倍，符合骨组织自然再生的时序要求（3-6个月降解周期）。

工艺优化方面，研究团队重点解决了烧结过程中的两相竞争问题。通过建立"粘结剂残留量-烧结温度-保温时间"的三元响应面模型，成功将锌的致密化率提升至75.23%，超过传统粉末冶金工艺的68-72%水平。特别在450℃/2h的烧结条件下，实现了晶界扩散与表面扩散的协同作用，使晶粒尺寸从初始的15-20μm细化至8-12μm，这有效提升了材料的断裂韧性（提升至3.8MPa·m1/2）和抗疲劳性能。

临床应用价值体现在三个方面：其一，通过数字建模技术（支持STL、STEP等格式输入）可定制复杂解剖结构的植入体，如人工关节承重部件（最大单点负载达120MPa）；其二，开发出低温梯度烧结工艺（烧结温度范围350-500℃），有效抑制了氧化锌（ZnO）相变带来的性能劣化；其三，建立质量可追溯系统，通过金属粉末批次追踪和烧结曲线参数记录，使产品合格率从82%提升至95.3%。

该研究在材料科学领域具有三重突破意义：首先，验证了BJ技术在超低熔点金属加工中的可行性，拓展了选择性激光熔融技术的应用边界；其次，建立了锌基植入体从粉末制备到成品的全流程工艺数据库，包含12项关键工艺参数和8类质量评价指标；最后，开发了基于机器学习的烧结参数优化系统，通过采集200组实验数据训练神经网络模型，使工艺优化周期从传统试错法的14天缩短至72小时。

未来研究方向建议聚焦于：（1）开发耐高温型粘结剂（目标耐温提升至600℃以上）；（2）构建多尺度孔隙结构调控模型，实现孔径（50-200μm）、孔壁厚度（10-30μm）的精准控制；（3）拓展至锌合金体系，研究Mg-Zn、Ca-Zn等合金的增材制造工艺，目标将杨氏模量范围扩展至1000-3000MPa区间；（4）建立长期体内植入实验数据库，重点监测降解过程中力学性能的演变规律。

该研究成果为骨修复材料领域提供了新的技术范式，其核心创新点在于：通过液态粘结剂的三维定向沉积技术，实现了对粉末床的纳米级孔隙结构调控；开发出基于微波辅助的低温烧结工艺（烧结温度控制在450℃以内），解决了锌基材料高温氧化难题；建立材料性能与工艺参数的映射模型，为规模化生产提供了科学依据。这些创新突破使锌基植入体在临床应用中展现出优于传统材料的综合优势，特别是在个性化定制、快速降解和生物相容性方面具有显著优势，为骨缺损修复提供了更安全、更高效的治疗方案。