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福建物構(gòu)所王劍磊、吳立新團(tuán)隊(duì) IJBM：利用原位發(fā)泡3D打印技術(shù)將微孔聚乳酸/甲殼素納米晶復(fù)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(lǐng)域中，生物支架需要具備生物相容性、生物可降解性、優(yōu)化的孔結(jié)構(gòu)和足夠的強(qiáng)度來支持細(xì)胞粘附和生長。支架的孔隙結(jié)構(gòu)對細(xì)胞增殖和分化至關(guān)重要，包括微孔/宏孔層次結(jié)構(gòu)和孔的連通性。單一的多孔生物支架制備技術(shù)包括包括靜電紡絲、氣體發(fā)泡、顆粒浸出、溶劑鑄造和3D打印技術(shù)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(qiáng)度和緩慢結(jié)晶速率）一定程度也影響支架的綜合性能。


  近日，中國科學(xué)院物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(fā)泡打印方法，利用材料擠出增材制造技術(shù)和物理發(fā)泡，制備了聚乳酸（PLA）/甲殼素納米晶（CHNCs）微孔復(fù)合支架，支架具有良好的機(jī)械性能和孔隙結(jié)構(gòu)，同時展現(xiàn)出優(yōu)越的生物相容性。這種PLA/CHNCs復(fù)合支架為解決和修復(fù)骨缺陷提供了一種有前景的方法。相關(guān)工作以“Microporous polylactic acid/chitin nanocrystals composite scaffolds using in-situ foaming 3D printing for bone tissue engineering”發(fā)表于《International Journal of Biological Macromolecules》。文章第一作者是福建師范大學(xué)碩士生彭康明。通訊作者為物構(gòu)所王劍磊教授級高工、吳立新研究員和閩江學(xué)院張晨副教授。
為了獲得良好孔隙結(jié)構(gòu)和機(jī)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(jìn)行熔融共混，隨后進(jìn)行原位發(fā)泡打。▓D1）。


圖1 PLA/CHNCs復(fù)合支架制備流程


  通過FTIR、DSC、XRD、DHR等方法對CHNCs和復(fù)合支架進(jìn)行了表征（圖2，圖3），發(fā)現(xiàn)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(jī)械測試（圖5）顯示，支架的微觀泡孔呈類三明治結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)。此外，在同等發(fā)泡倍數(shù)（1.5–2.6倍）下，壓縮模量比先前報(bào)道的基于PLA的泡沫支架提高了近100%。


圖4 PLA/CHNCs復(fù)合支架微觀形貌及泡孔結(jié)構(gòu)分析


圖5 PLA/CHNCs復(fù)合支架機(jī)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(fā)泡制備的PLA/CHNCs支架與直接打印的PLA支架相比，展現(xiàn)出更優(yōu)越的生物相容性。


圖6 PLA/CHNCs復(fù)合支架體外生物降解


圖7 PLA/CHNCs復(fù)合支架體外生物相容性


  結(jié)論：將FDM打印和氣體發(fā)泡技術(shù)相結(jié)合，制造出了具有分層宏觀/微觀孔結(jié)構(gòu)的PLA/CHNCs復(fù)合支架。通過調(diào)整納米填料的含量和打印速度，可調(diào)節(jié)支架的膨脹比和壓縮性能，使支架的膨脹比最高可達(dá)2.6倍，壓縮模量介于 39.2 MPa和 54.3 MPa之間。同時，原位發(fā)泡打印技術(shù)對生物環(huán)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(shí)驗(yàn)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(fā)泡打印的支架對細(xì)胞的粘附和生長有積極影響。此外，作者提出，需要對原位發(fā)泡打印進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步開展體內(nèi)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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