基于直接墨水书写技术的β-磷酸三钙组织工程支架参数优化与性能研究

本研究针对β-磷酸三钙（β-TCP）支架在骨组织工程中结构精度不足的问题，通过直接墨水书写（DIW）技术优化打印参数（压力、喷嘴直径、打印速度、固含量），采用Taguchi实验设计和方差分析（ANOVA），确定最优参数组合为3 bar压力、0.6 mm喷嘴、5 mm/s速度、55 vol%固含量，实现仅1.52%的尺寸误差和2.64 MPa的抗压强度，为生物陶瓷支架的精准制造提供新策略。

　　

在骨缺损修复领域，β-磷酸三钙（β-TCP）因其优异的生物相容性和降解性能成为理想支架材料，但传统制备方法难以精确控制多孔结构。直接墨水书写（DIW）技术虽能实现复杂几何成形，但工艺参数对支架性能的影响机制尚不明确。为此，研究人员通过系统实验与统计分析，揭示了喷嘴直径和压力对尺寸精度的主导作用，并建立了可预测的线性回归模型。

研究团队采用四因素三水平Taguchi L₉正交实验设计，以压力（3-6 bar）、喷嘴直径（0.6-1.2 mm）、打印速度（5-10 mm/s）和固含量（50-60 vol%）为变量，通过方差分析量化各参数贡献率。β-TCP墨水通过Pluronic F-127水凝胶载体配制，采用流变仪测定剪切稀化行为，扫描电镜（SEM）表征微观形貌，万能试验机测试力学性能。

3.1 粉末表征
激光散射显示β-TCP粉末平均粒径5.611 μm，EDAX证实钙磷比为73.44:26.56，多晶形貌有利于墨水均匀性。

3.2 墨水流变学
60 vol%墨水表现最强剪切稀化特性（n=0.15-0.7），符合Herschel-Bulkley模型，确保挤出流畅性与层间结合强度。

3.3 参数优化
信噪比分析确定最优组合为A1B1C1D2（3 bar/0.6 mm/5 mm/s/55 vol%），喷嘴直径贡献74.6%的尺寸误差变异。

3.4 交互作用
高压与大喷嘴协同导致过度挤出，而1.2 mm喷嘴通过增大层间接触面积提升融合强度，打印速度需与压力线性匹配。

3.7 支架性能
100%填充率下抗压强度达2.64 MPa，80%填充时形成200-300 μm贯通孔（孔隙率60-80%），满足骨细胞长入需求。

该研究首次建立β-TCP-DIW工艺的定量调控模型，将尺寸误差控制在1.52%的临床适用范围内。通过揭示喷嘴直径对精度的决定性影响（p<0.028），为其他生物墨水体系优化提供方法论参考。60-80%孔隙率与2.64 MPa强度的平衡，使支架兼具力学支撑与生物活性，较冻干法（1.58 MPa）和光刻法（1.40 MPa）显著提升性能。未来可拓展至羟基磷灰石等材料体系，推动个性化骨修复植入体的精准制造。