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福建物構所王劍磊、吳立新團隊 IJBM：利用原位發泡3D打印技術將微孔聚乳酸/甲殼素納米晶復合支架用于骨組織工程

2024-09-14 來源：高分子科技

骨損傷是臨床上亟待解決的問題，而可植入生物支架為替代和再生受損組織提供了有效手段。在骨組織工程領域中，生物支架需要具備生物相容性、生物可降解性、優化的孔結構和足夠的強度來支持細胞粘附和生長。支架的孔隙結構對細胞增殖和分化至關重要，包括微孔/宏孔層次結構和孔的連通性。單一的多孔生物支架制備技術包括包括靜電紡絲、氣體發泡、顆粒浸出、溶劑鑄造和3D打印技術難以完全滿足支架所需的特性要求。同時聚乳酸作為制備支架的材料，由于其特性（低熔體強度和緩慢結晶速率）一定程度也影響支架的綜合性能。

近日，中國科學院物質結構研究所王劍磊教授級高工、吳立新研究員等人提出了一種原位發泡打印方法，利用材料擠出增材制造技術和物理發泡，制備了聚乳酸（PLA）/甲殼素納米晶（CHNCs）微孔復合支架，支架具有良好的機械性能和孔隙結構，同時展現出優越的生物相容性。這種PLA/CHNCs復合支架為解決和修復骨缺陷提供了一種有前景的方法。相關工作以“Microporous polylactic acid/chitin nanocrystals composite scaffolds using in-situ foaming 3D printing for bone tissue engineering”發表于《International Journal of Biological Macromolecules》。文章第一作者是福建師范大學碩士生彭康明。通訊作者為物構所王劍磊教授級高工、吳立新研究員和閩江學院張晨副教授。
為了獲得良好孔隙結構和機械性能的PLA基支架，首先，通過低共熔溶劑法制備CHNCs,將其與PLA進行熔融共混，隨后進行原位發泡打印（圖1）。

圖1 PLA/CHNCs復合支架制備流程

通過FTIR、DSC、XRD、DHR等方法對CHNCs和復合支架進行了表征（圖2，圖3），發現CHNCs改善了PLA的熱行為和流變行為，提高了PLA的加工性能。

圖2 CHNCs表征分析

圖3 PLA/CHNCs熱行為和流變行為

微觀形貌表征（圖4）和機械測試（圖5）顯示，支架的微觀泡孔呈類三明治結構，其孔徑范圍為9 ± 5 μm，膨脹倍率在1.5到2.6倍，壓縮模量在39.2 MPa到54.3 MPa之間，同時膨脹比和壓縮性能可以通過改變CHNCs含量和打印速度來調節。此外，在同等發泡倍數（1.5–2.6倍）下，壓縮模量比先前報道的基于PLA的泡沫支架提高了近100%。

圖4 PLA/CHNCs復合支架微觀形貌及泡孔結構分析

圖5 PLA/CHNCs復合支架機械性能

支架的體外生物降解（圖6）和相容性（圖7）表征分析得到，CHNCs能夠緩解體液酸性的增加，提高PLA的親水性。通過原位發泡制備的PLA/CHNCs支架與直接打印的PLA支架相比，展現出更優越的生物相容性。

圖6 PLA/CHNCs復合支架體外生物降解

圖7 PLA/CHNCs復合支架體外生物相容性

結論：將FDM打印和氣體發泡技術相結合，制造出了具有分層宏觀/微觀孔結構的PLA/CHNCs復合支架。通過調整納米填料的含量和打印速度，可調節支架的膨脹比和壓縮性能，使支架的膨脹比最高可達2.6倍，壓縮模量介于 39.2 MPa和 54.3 MPa之間。同時，原位發泡打印技術對生物環境友好，具有良好的可打印性。此外，體外生物降解和生物相容性實驗表明，CHNCs 可緩解體液酸性，加入CHNCs可改善聚乳酸的親水性，水接觸角可降至72.6°。與直接打印獲得的支架相比，原位發泡打印的支架對細胞的粘附和生長有積極影響。此外，作者提出，需要對原位發泡打印進行優化，并進一步開展體內生物相容性研究，以確保該支架在骨組織工程中的適用性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135055

下載：Microporous polylactic acid/chitin nanocrystals composite scaffolds using in-situ foaming 3D printing for bone tissue engineering

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（責任編輯：xu）

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