Разработка фотополимерных суспензий на основе гидроксиапатита для 3D-печати в медицине

Введение. Аддитивное производство керамики на основе гидроксиапатита (ГА) рассматривается как перспективный подход к созданию персонализированных костных имплантатов, однако высоконагруженные фотополимерные суспензии требуют точного подбора состава и режимов засветки для обеспечения стабильной печати и качества изделий. Целью работы явилась разработка фотополимерной суспензии на основе гидроксиапатита собственного синтеза для аддитивного производства керамических имплантатов методом DLP-3D-печати. Материалы и методы. Гидроксиапатит синтезировали методами соосаждения и гидротермального синтеза из водных растворов солей кальция и фосфатов, проводили помол и фракционирование порошка, морфологию оценивали с помощью сканирующей электронной микроскопии, элементный состав — методом энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного анализа. На основе синтезированного гидроксиапатита была разработана фотополимерная суспензия с массовой долей неорганической фазы 60 %, содержащая акрилатные мономеры, фотоинициирующую систему и диспергирующие добавки. Также исследовали фотополимеризацию на DLP-3D-принтере при различной мощности ультрафиолетового излучения и времени экспозиции. Результаты и обсуждение. Было показано формирование хорошо кристаллизованного гидроксиапатита с пластинчатой и наноструктурированной морфологией и развитой пористостью, подтверждено преобладание кальция и фосфора без значимых токсичных примесей. При мощности излучения 40 мВт/см² оптимальное время экспозиции 6–10 с обеспечивало формирование равномерно отвержденных слоев толщиной около 0,7–0,9 мм и выход на плато по толщине при дальнейшем увеличении выдержки. Заключение. Полученные данные свидетельствуют, что сочетание контролируемой морфологии гидроксиапатита и специально подобранной фотополимерной матрицы обеспечивает достаточную глубину полимеризации и стабильность слоев, необходимых для DLPпечати изделий сложной геометрии. Высокая удельная поверхность и пористость ГА дополнительно повышают его потенциал в тканевой инженерии. Разработанная фотополимерная суспензия на основе ГА собственного синтеза демонстрирует пригодность для DLP-3D-печати и может быть использована как основа для создания персонализированных керамических имплантатов в травматологии, ортопедии, нейрохирургии и челюстнолицевой хирургии.

1. Bose S., Akdogan E.K., Balla V.K., Ciliveri S., Colombo P., Franchin G., et al. 3D printing of ceramics: Advantages, challenges, applications, and perspectives. J Am Ceram Soc. 2024;107:7879–920. DOI: 10.1111/jace.20043

2. Duque-Uribe C., López Vargas V., Moreno Florez A.I., Pelaez-Vargas A., Ossa A., Cárdenas-Ramírez C., et al. Obtaining biocompatible ceramic scaffolds of calcium phosphates through ceramic stereolithography. J Mater Sci Mater Med. 2025;36(1):52. DOI: 10.1007/s10856-025-06903-5

3. Fruhstorfer J., Aneziris Ch.G. Influence of particle size distributions on the density and density gradients in uniaxial compacts. Ceramics Intern. 2017;43(16):13175–84. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.07.011

4. Nguyen M.T.H., Kim J.H., Jang W.T., Jung Y.J., Park E.J., Ha T.H., et al. Role of GO and photoinitiator concentration on curing behavior of PEG-based polymer for DLP 3D printing. ACS Omega. 2024;9(3):3287–94. DOI: 10.1021/acsomega.3c05378

5. Nam J., Kim M. Advances in materials and technologies for digital light processing 3D printing. Nano Converg. 2024;11(1):45. DOI: 10.1186/s40580-024-00452-3

6. Bai Y., Wu N., Li X., Liu Z., Li K., Jiao T., et al. Recent progress of 3D printed responsive scaffolds for bone repair: A review. Mater Today Bio. 2025;35:102351. DOI: 10.1016/j.mtbio.2025.102351

7. Kennedy B.M., De Barra E., Hampshire S., Kelleher M.C.Investigation of oleic acid as a dispersant for hydroxyapatite powders for use in ceramic filled photo-curable resins for stereolithography. J Eur Ceramic Soc. 2023;43(15):7146–66. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.07.028

8. Khan A.R., Grewal N.S., Jun Z., Tawfiq F.M.O., Tchier F., Muhammad Zulqarnain R., et al. Raising the bar: progress in 3D-printed hybrid bone scaffolds for clinical applications: a review. Cell Transplant. 2024;33:9636897241273562. DOI: 10.1177/09636897241273562

9. Roohani I., Newsom E., Zreiqat H. High-resolution vat-photopolymerization of personalized bioceramic implants: new advances, regulatory hurdles, and key recommendations. Int Mater Rev. 2023;68(8):1075– 97. DOI: 10.1080/09506608.2023.2194744

10. Long C., Liu Z., Liu C., Chen Z. Ceramic additive manufacturing via vat photopolymerization. Mater Sci Addit Manuf. 2025;4(3):025200031. DOI: 10.36922/MSAM025200031

11. Morrell R. A national measurement good practice guide No. 12: Biaxial flexural strength testing of ceramic materials. Teddington; 1998.

12. Niu Y., Jiang W., Yang L., Guan F., Yang Zh., Fan Z. Preparation of low-cost high strength soluble ceramic cores using heavy calcium carbonate by binder jetting and vacuum impregnation. J Eur Ceram Soc. 2023;43(16):7714–20. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.08.019

13. Mkhitaryan L., Baghdasaryan L., Khachatryan Zh., Aghayan M., Rodríguez M.A., Rstakyan V. Optimization of hydroxyapatite-PEGDA slurry for vat polymerization: Microstructure and mechanical properties of 3D printed bioscaffolds. Bol Soc Esp Cerám Vidrio. 2025;64(5):100459. DOI: 10.1016/j.bsecv.2025.100459

14. Lai H., Peng X., Li L., Zhu D., Xiao P. Novel monomers for photopolymer networks. Progress Polymer Sci. 2022;128:101529. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2022.101529

15. Liu M., Wang Y., Zhang H., Liu X., Wei Q., Li M., et al. Effects of dispersant concentration on the properties of hydroxyapatite slurry and scaffold fabricated by digital light processing. J Manufact Processes. 2024;109:460–70. DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.12.040

16. Setter R., Schmölzer S., Rudolph N., Moukhina E., Wudy K. Thermal stability and curing behavior of acrylate photopolymers for additive manufacturing. Polym Eng Sci. 2023;63(7):2180–92. DOI: 10.1002/pen.26355

17. Voet V.S.D., Strating T., Schnelting G.H.M., Dijkstra P., Tietema M., Xu J., et al. Biobased acrylate photocurable resin formulation for stereolithography 3D printing. ACS Omega. 2018;3(2):1403–8. DOI: 10.1021/acsomega.7b01648

18. Hayek El J., Belaid H., Cornette de Saint Cyr L., Chawich El G., Coy E., Iatsunskyi I., et al. 3D printed bioactive calcium silicate ceramics as antibacterial scaffolds for hard tissue engineering. Mater Adv. 2024;5:3228–46. DOI: 10.1039/D3MA01088K

19. Bennett J. Measuring UV curing parameters of commercial photopolymers used in additive manufacturing. Addit Manuf. 2017;18:203–12. DOI: 10.1016/j.addma.2017.10.009

20. Niedźwiedź M.J., Demirci G., Kantor-Malujdy N., El Fray M. Influence of photoinitiator type and curing conditions on the photocuring of soft polymer network. Materials (Basel). 2023;16(23):7348. DOI: 10.3390/ma16237348

21. Zhang F., Zhou S., You H., Zhang G., Yang J., Shi Y. 3D printing of ceramic matrix composites: Strengthening and toughening strategies. Composites Part B: Engineering, 2025;297(4):112335. DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112335

22. Sim J.-H., Koo B.-K., Jung M., Kim D.-S. Study on debinding and sintering processes for ceramics fabricated using digital light processing (DLP) 3D printing. Processes. 2022;10(11):2467. DOI: 10.3390/pr10112467

23. Jiang X., Liu J., Wang Y., Ding Z., Liu J., Ji L., et al. Prediction model for sintering shrinkage in micro-nano ceramic 3D printing of triply periodic minimal surface structures, Materials Design. 2025;260:115053. DOI: 10.1016/j.matdes.2025.115053

24. Li C., Chen G., Wang Y., Xu W., Hu M. Indirect co-culture of osteoblasts and endothelial cells in vitro based on a biomimetic 3D composite hydrogel scaffold to promote the proliferation and differentiation of osteoblasts. PLOS ONE. 2024;19(3):e0298689. DOI: 10.1371/journal.pone.0298689

25. Subramaniam D., Sekaran S. In vitro biocompatibility assessment of a novel membrane containing magnesium-chitosan/carboxymethyl cellulose and alginate intended for bone tissue regeneration. Cureus. 2024;16(2):e54597. DOI: 10.7759/cureus.54597

26. Wang S., Lin J., Jin H., Yang Y., Huang G., Wang J. Photopolymerization-based three-dimensional ceramic printing technology. 3D Print Addit Manuf. 2024;11(1):406–14. DOI: 10.1089/3dp.2022.0132

27. Vijayan A., Vishnu J., A R., Shankar B., Sambhudevan S. A review on hydroxyapatite fabrication: from powders to additive manufactured scaffolds. Biomater. Sci. 2025;13(4): 913–45. DOI: 10.1039/D4BM00972J

28. Mondal S., Park S., Choi J., Vu T.T.H., Doan V.H.M., Vo T.T., et al. Hydroxyapatite: a journey from biomaterials to advanced functional materials. Adv Colloid Interface Sci. 2023;321:103013. DOI: 10.1016/j.cis.2023.103013

29. Huang Y.T., Imura M., Nemoto Y., Cheng C.H., Yamauchi Y. Block-copolymer-assisted synthesis of hydroxyapatite nanoparticles with high surface area and uniform size. Sci Technol Adv Mater. 2011;12(4):045005. DOI: 10.1088/1468-6996/12/4/045005

30. Koutsopoulos S. Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: A review study on the analytical methods. J Biomed Mater Res. 2002;62(4):600–12. DOI: 10.1002/jbm.10280

31. Ma M.G., Zhu Y.J., Chang J. Monetite formed in mixed solvents of water and ethylene glycol and its transformation to hydroxyapatite. J Phys Chem B. 2006;110(29):14226–30. DOI: 10.1021/jp061738r

32. Wang Y.J., Lai C., Wei K., Chen X., Ding Y., Wang Z.L. Investigations on the formation mechanism of hydroxyapatite synthesized by the solvothermal method. Nanotechnology. 2006;17:4405–13. DOI: 10.1088/0957-4484/17/17/020

33. Kim, MS; Kim, YJ. Synthesis of calcium-deficient hydroxyapatite in the presence of amphiphilic triblock copolymer. Mater. Lett., 2012;66(1):33–5. DOI: 10.1016/j.matlet.2011.08.050

34. Wang P., Li C., Gong H., Jiang X., Wang H., Li K. Effects of synthesis conditions on the morphology of hydroxyapatite nanoparticles produced by wet chemical process. Powder Technol. 2010;203:315–21. DOI: 10.1016/j.powtec.2010.05.023

35. Müller F.A., Gbureck U., Kasuga T., Mizutani Y., Barralet J.E., Lohbauer U. Whisker-reinforced calcium phosphate cements. J Am Ceram Soc. 2007;90(11):3694–7. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01967.x

36. Jokić B., Mitrić M., Radmilović V., Drmanić S., Petrović R., Janaćković D. Synthesis and characterization of monetite and hydroxyapatite whiskers obtained by a hydrothermal method. Ceram. Int. 2011;37(1):167–73. DOI: 10.1016/j.ceramint.2010.08.032

37. Zhang H., Darvell B.W. Synthesis and characterization of hydroxyapatite whiskers by hydrothermal homogeneous precipitation using acetamide. Acta Biomater. 2010;6(8):3216–22. DOI: 10.1016/j.actbio.2010.02.011

38. Gopi D., Bhalaji P.R., Prakash V.C.A., Ramasamy A.K., Kavitha L., Ferreira J.M.F. An effective and facile synthesis of hydroxyapatite powders using oxalic acid-ethylene glycol mixture. Curr Appl Phys. 2011;11(3):590–3. DOI: 10.1016/j.cap.2010.10.003

39. Gshalaev V.S., Demirchan A.C. (editors) Hydroxyapatite: synthesis, properties, and applications. Nova Science Publishers; 2012.

40. Li C., Zhao L., Han J., Wang R., Xiong C., Xie X. Synthesis of citratestabilized hydrocolloids of hydroxyapatite through a novel two-stage method: a possible aggregates-breakdown mechanism of colloid formation. J Colloid Interface Sci. 2011;360(2):341–9. DOI: 10.1016/j.jcis.2011.04.059

41. Orlovskii V.P., Komlev V.S., Barinov, S.M. Hydroxyapatite and hydroxyapatite-based ceramics. Inorganic Materials. 2002;38:973–84. DOI: 10.1023/A:1020585800572