骨缺损重建的核心风险在于骨整合失败。植入体与宿主骨之间若缺乏有效的机械嵌合与血供通道，纤维组织便会抢先长入界面，形成松动。天然骨的结构给出了答案：宏孔（约 300–600 μm）保证血管长入与骨组织内生，微孔（小于 20 μm）提供蛋白质吸附位点与细胞黏附界面，两者协同才能兼顾力学传递与成骨诱导。
多孔金属支架的常规制备依赖发泡、占位造孔或选择性激光熔化。前两者对孔隙形貌的控制精度有限，难以在同一构件内同时布置两种尺度；后者虽几何自由度高，但高温熔池带来的残余应力与球化缺陷会影响疲劳性能。直写成形的优势在于，宏孔由打印路径直接定义，微孔则由烧结制度与粉体堆积状态决定，两套尺度可以在工艺上解耦。
钽的特殊性在于密度大、熔点高、化学惰性强。它的弹性模量低于钛合金，可减轻应力遮挡；但正因惰性与高熔点，钽粉的烧结致密化窗口窄，浆料配方与烧结曲线必须协同设计。
团队以去离子水为溶剂，海藻酸钠（5.0 wt%）与 Pluronic F-127（20 wt%）复配为黏结体系，与钽粉混合制得打印墨水，最终金属固含量达到 40 vol%。两种黏结剂分工明确：海藻酸钠提供剪切变稀与挤出后的结构恢复能力，其分子链在低剪切下形成物理缠结网络，赋予墨水屈服应力；Pluronic F-127 作为表面活性剂调节粉体润湿与分散，抑制颗粒团聚导致的喷嘴堵塞，同时在干燥阶段维持坯体强度，减少坍塌。
这一配方在流变上表现为典型的剪切变稀与快速结构恢复：挤出瞬间黏度随剪切速率上升而下降，便于通过细内径喷嘴；离开喷嘴后剪切场消失，储能模量迅速回升，细丝得以在重力作用下保持线形。研究对墨水的黏弹性与挤出压力随柱塞进给速度的变化做了系统标定，明确了稳定挤出的压力区间——挤出压力过低时出料断续，过高则出现脉动与过挤压，这两类失效模式在高固含金属浆料中尤为常见。
图1｜DIW 直写的分级多孔钽支架及其成骨应用示意（对应原文 Fig. 1）
研究给出的可打印参数集十分具体：沉积高度 0.6 mm、柱塞进给速度 0.3 mm·min⁻¹、喷嘴移动速度 20 mm·s⁻¹。三者共同决定单层沉积量与细丝截面形态。沉积高度与喷嘴内径的比值决定了细丝被压扁的程度，直接影响层间结合与宏孔的通畅性；柱塞进给速度与喷嘴移动速度之比则决定单位长度上的出料体积，比值过高会造成堆积与"拖尾"，过低则出现断丝。
这一组参数的意义在于可复现性。对金属浆料而言，挤出属于柱塞位移驱动而非气压驱动，进给速度与线速度的匹配关系固定后，同一配方的批次间波动主要来自粉体粒径分布与浆料含气量，工艺窗口相对稳定。研究据此实现了患者定制支架坯体的稳定成形，宏孔在打印态即已尺寸明确。
图2｜优化工艺参数下的定制多孔钽坯体成形（对应原文 Fig. 2）
打印坯体经 1850℃ 烧结后，宏孔直径稳定在 400–500 μm，微孔直径分布于 0.5–23 μm，形成典型的分级孔隙。烧结温度是决定微孔尺度的关键变量：研究对比了 1850℃ 与 1900℃ 等不同制度下的断面形貌，温度偏低时颗粒间仅形成脖颈、致密度不足，温度偏高则微孔迅速闭合、致密化过度，支架刚度上升而比表面积下降。
这一取舍的本质是表面扩散与体积扩散的竞争。在低于致密化阈值的温度区间，颗粒表面扩散主导，颗粒间颈部长大而孔隙保持连通；温度继续升高后体积扩散与晶界扩散增强，孔隙球化并沿晶界收缩，微孔数量与连通性同步下降。对分级孔隙而言，理想状态是宏孔由几何定义、微孔由烧结"留白"，因此温度窗口的确定必须与粉体粒径配套。
图3｜打印态坯体与不同烧结温度下支架的 SEM 形貌（对应原文 Fig. 3）
烧结态支架的抗压强度为 90.46 ± 7.72 MPa，弹性模量 0.9 ± 0.31 GPa，与松质骨处于同一量级。这一组合的意义并非单纯追求高强度，而在于刚度匹配：模量过高会引起应力遮挡、导致周围骨吸收，模量过低则无法承担载荷。分级孔隙在此起到调节作用——宏孔降低等效刚度，微孔增加表面粗糙度并与宏观孔壁共同承担局部应力集中。
研究通过差示扫描量热与烧结工艺曲线建立了温度制度与力学响应的对应关系，使孔隙率与强度可在一定范围内按需调控。这正是直写路线的核心价值：几何与孔隙率由设计文件决定，力学性能因而具备可预测性。
体外实验以骨髓间充质干细胞（BMSCs）为对象，通过活死染色、碱性磷酸酶活性、茜素红染色与成骨相关基因表达评价支架的细胞相容性与成骨诱导能力。结果显示细胞在分级多孔支架上贴附良好、存活率高，成骨分化标志物的表达随时间显著上调，矿化结节沉积量明显高于对照。
体内实验在兔股骨外侧髁建立骨缺损模型，植入支架后按期取材，通过显微 CT 与组织学切片评价新骨生成与骨整合。分级多孔结构组的新生骨面积与骨小梁长入深度均优于对照，界面处可见骨组织直接贴附于钽表面，未见明显纤维包膜，说明宏孔引导血管与骨组织长入、微孔促进蛋白吸附与细胞黏附的协同机制在体内成立。
该工作示范了高密度金属浆料直写的完整闭环：配方端用双黏结剂兼顾分散与屈服应力，工艺端用沉积高度、柱塞进给速度与线速度三个参数锁定单层沉积量，后处理端用烧结温度调节微孔尺度。三者中任何一环失配，都会在宏孔尺寸或微孔连通性上留下可测偏差。
对设备而言，柱塞式挤出在高固含金属浆料中比气压式更可控——位移精度直接对应出料体积，避免了气压随浆料黏度漂移而产生的流量波动。同时，沉积高度 0.6 mm 与 20 mm·s⁻¹ 线速度的组合意味着设备需要具备较高的 Z 轴重复定位精度与运动平稳性，否则细丝截面的 fh/ft 比值将出现离散，进而影响层间结合与烧结后的宏孔规整度。
对材料开发而言，40 vol% 是一个可供参照的固含量锚点。低于此值，烧结收缩率上升、宏孔易塌陷；高于此值，挤出压力急剧上升、喷嘴堵塞风险显著增加。围绕这一锚点调整粉体粒径级配与黏结剂比例，是金属浆料配方设计的现实起点。
图4｜烧结工艺曲线与多孔钽支架的力学性能（对应原文 Fig. 4）
图5｜多孔钽支架的体外成骨性能（对应原文 Fig. 5）
图6｜兔股骨髁缺损模型中的体内骨修复性能（对应原文 Fig. 6）
该研究以海藻酸钠与 Pluronic F-127 复配黏结体系实现 40 vol% 钽固含量的稳定直写，在 0.6 mm 沉积高度、0.3 mm·min⁻¹ 柱塞进给与 20 mm·s⁻¹ 线速度下成形定制坯体，经 1850℃ 烧结获得 400–500 μm 宏孔与 0.5–23 μm 微孔共存的分级结构；抗压强度 90.46 MPa、弹性模量 0.9 GPa 与松质骨匹配，体外与体内实验均证实其显著促进成骨与骨整合，为个性化金属骨植入体的增材制造提供了可复现的工艺路径。
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