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2026
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应用实例丨打印“零收缩”陶瓷：3D打印氮化硅植入物的近净成形革命
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通过将直接墨水书写与反应键合巧妙结合，研究人员实现了多孔氮化硅陶瓷的“近净成形”，总收缩率低于1%，为个性化骨植入物的精准制造开辟了新路径。
在骨科植入物领域，氮化硅（Si₃N₄）陶瓷因其卓越的力学性能、优异的生物相容性和独特的抗菌特性，一直被寄予厚望。然而，传统制造方法——如干压成型和凝胶注模——在制备复杂、个性化植入物时显得力不从心。增材制造，特别是直接墨水书写（DIW）技术，虽然能够通过挤出高固含量陶瓷浆料构建复杂结构，但一个长期存在的“拦路虎”始终困扰着研究者：烧结过程中的显著收缩。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所曾宇平研究员带领团队在《Ceramics International》学术期刊发表了题为《Near-net shaping of porous silicon nitride via direct ink writing and reaction bonding》的研究，研究团队利用奇遇科技DIW精细直写3D打印设备，创新出一种解决方案：将直接墨水书写与反应键合技术相结合，并辅以冷冻干燥工艺，成功实现了总收缩率低于1%的“近净成形”。这意味着打印出的陶瓷支架几乎就是最终产品的尺寸。
奇遇科技型号ADT-DIW50精细直写3D打印设备标准版
核心创新：让“膨胀”抵消“收缩”
本研究的核心思路堪称精妙。传统陶瓷烧结收缩是由于粉末颗粒在高温下致密化，体积自然减小。而研究人员想到了一个反其道而行之的办法——在烧结过程中引入一个“膨胀”环节。
制备流程示意图及反应机理。
他们使用的打印浆料并非纯氮化硅粉末，而是硅粉与氮化硅粉的混合物。在氮气气氛中烧结时，硅粉会与氮气发生原位反应，生成氮化硅。这个化学反应伴随着约21%的体积膨胀。
这21%的膨胀，恰恰可以用来“抵消”后续烧结过程中的收缩。通过精确控制硅粉与氮化硅粉的比例，研究人员可以像调节天平一样，精细地平衡膨胀与收缩，最终实现近乎零的净收缩。
冷冻干燥：另一把关键钥匙
然而，仅仅靠反应键合还不够。在打印完成后、烧结开始前，还有一个关键的干燥步骤。传统自然干燥或加热干燥过程中，随着溶剂蒸发，毛细管力会拉扯陶瓷颗粒，导致坯体产生显著的干燥收缩（通常可达5-10%），这足以破坏近净成形的目标。
研究团队巧妙地引入了冷冻干燥技术。他们将打印后的坯体迅速冷冻，使溶剂（水）变成固态的冰，然后在真空中让冰直接升华为水蒸气。由于没有液态水的表面张力作用，毛细管力被完全消除。实验结果显示，冷冻干燥将干燥收缩率降低至仅0.26%，几乎可以忽略不计。
性能可调的“定制化”材料
除了尺寸精度，研究人员还系统研究了不同硅/氮化硅比例和烧结温度对最终材料性能的影响。结果显示，这套工艺不仅能实现近净成形，还能按需调控材料的微观结构和力学性能。
图2：扫描电镜图像，展示了不同硅含量和烧结温度下形成的微观结构，特别是互锁的β-Si₃N₄晶粒
在1700°C的高温烧结下，硅含量为60%的样品（编号Si6SN4）形成了最为理想的互锁微观结构——细长的β-Si₃N₄晶粒相互穿插、咬合，如同钢筋混凝土中的钢筋。这种结构赋予了材料最高的弯曲强度，达到了235.12 MPa，足以满足承重骨植入物的力学要求。
更令人惊喜的是，随着β-Si₃N₄含量的增加，材料的表面润湿性发生了显著变化。水接触角从112°（疏水）降低到了60°（亲水）。对于骨植入物而言，亲水表面更有利于细胞的粘附、增殖和骨整合，这是实现植入物与人体骨骼牢固结合的关键前提。
图1：(a)打印过程及(b)烧结样品的光学照片
未来展望：从实验室到手术台
这项研究不仅提出了一种制造高精度、高强度多孔氮化硅陶瓷的通用方法，更重要的是，它为个性化骨植入物的临床转化铺平了道路。
想象一下未来的场景：患者因骨肿瘤切除或严重骨折导致骨缺损。医生通过CT扫描获取缺损部位的三维数据，工程师利用DIW技术直接打印出与缺损完美匹配的氮化硅支架。经过反应烧结后，这个支架的尺寸几乎与设计图完全一致，无需任何二次加工。植入患者体内后，其多孔结构引导骨组织长入，亲水的表面促进细胞附着，最终实现植入物与人体骨骼的牢固融合。
当然，从实验室成果到临床应用，还有很长的路要走。未来的研究需要进一步优化工艺参数，探索更复杂的结构设计，并进行全面的体内外生物相容性评估。但不可否认，这项研究已经为陶瓷增材制造领域打开了一扇新的大门——一扇通往“零收缩、高精度、可定制”的大门。
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