在中國，研究人員開發出一種可 3D 打印的生物活性玻璃，這種材料的韌性更接近骨骼的特性。這項研究顯示，這種新型玻璃在動物實驗中對骨細胞的生長支持時間超過普通玻璃，並且幾乎達到了一種領先的牙科植入材料的表現。玻璃和骨骼的分子結構有一個共同特徵，那就是它們在抵抗壓縮方面表現更佳，而在拉伸方面則相對較弱。這一特性使得玻璃在醫療領域的應用潛力巨大，尤其是在製作骨骼植入物方面。
玻璃的主要成分是二氧化矽，這種材料可以存在於液態形態，並且能夠自由塑形。這一特性為創造出能夠完美契合受損骨骼的植入物鋪平了道路。然而，完善打印過程的挑戰依然存在。傳統的玻璃 3D 打印技術需要使用有毒的增塑劑，並且需要超過 2,000 華氏度的高溫，這限制了其在醫療領域的使用，因為安全性和成本是重要考量。由 Jianru Xiao、Tao Chen 和 Huanan Wang 領導的研究團隊尋求一條更清潔的路徑。他們將帶有相反電荷的二氧化矽顆粒與鈣和磷酸根離子相結合，這些成分都能促進細胞生成。這種混合物形成了一種可打印的凝膠，可以在 1,300 華氏度下硬化。
在新型生物玻璃的測試中，研究團隊將其與普通二氧化矽玻璃和商業牙科骨替代品進行了比較，針對兔子顱骨修復進行了實驗。雖然商業產品在早期促進了更快的生長，但生物玻璃的耐用性更強。經過八週的觀察，大多數骨細胞已經附著在生物玻璃支架上，而普通玻璃幾乎沒有顯示出任何生長。研究人員報告稱，他們的材料比現有選擇更持久，並且將其研究形容為在經濟實惠和可定制的骨替代品方面邁出了一步，這些應用遠不止於牙科領域。
該團隊強調了他們方法背後的技術突破。大多數陶瓷或玻璃的 3D 打印依賴於有機增塑劑和高溫燒結，這些步驟會增加成本和時間，同時降低生物活性，甚至可能引入有毒影響。他們的方法繞過了這些問題，利用由基於二氧化矽的納米球製成的無機自修復膠體凝膠，這些納米球因靜電而相互吸引。這使得他們能夠在不添加任何添加劑的情況下進行 3D 打印強玻璃結構，並通過低溫燒結過程完成這些結構。最終的凝膠顯示出約 2.3 MPa 的壓縮模量，這對用作骨支架是足夠強的。它們還保持了自我修復的能力，使材料在打印時更具可塑性和形狀控制。經過 1,300 華氏度的燒結，打印結構保持了形狀，保持了生物活性，並在測試中支持了新的骨生長。
研究人員對這項技術的潛力持樂觀態度。他們表示：「這種‘綠色’無機 3D 打印策略實現了經濟高效且保留生物活性的生物玻璃基骨替代品的製造，從而促進了體內的骨生成和骨整合。」他們補充說，這種方法還可以擴展到機械和能源等多個行業。這項研究的結果已發表在《ACS Nano》期刊上，預示著這一領域可能會出現新的突破和應用。
