福建物构所王剑磊、吴立新团队 IJBM：利用原位发泡3D打印技术将微孔聚乳酸/甲壳素纳米晶复合支架用于骨组织工程

2024-09-14 来源：高分子科技

骨损伤是临床上亟待解决的问题，而可植入生物支架为替代和再生受损组织提供了有效手段。在骨组织工程领域中，生物支架需要具备生物相容性、生物可降解性、优化的孔结构和足够的强度来支持细胞粘附和生长。支架的孔隙结构对细胞增殖和分化至关重要，包括微孔/宏孔层次结构和孔的连通性。单一的多孔生物支架制备技术包括包括静电纺丝、气体发泡、颗粒浸出、溶剂铸造和3D打印技术难以完全满足支架所需的特性要求。同时聚乳酸作为制备支架的材料，由于其特性（低熔体强度和缓慢结晶速率）一定程度也影响支架的综合性能。

近日，中国科学院物质结构研究所王剑磊教授级高工、吴立新研究员等人提出了一种原位发泡打印方法，利用材料挤出增材制造技术和物理发泡，制备了聚乳酸（PLA）/甲壳素纳米晶（CHNCs）微孔复合支架，支架具有良好的机械性能和孔隙结构，同时展现出优越的生物相容性。这种PLA/CHNCs复合支架为解决和修复骨缺陷提供了一种有前景的方法。相关工作以“Microporous polylactic acid/chitin nanocrystals composite scaffolds using in-situ foaming 3D printing for bone tissue engineering”发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。文章第一作者是福建师范大学硕士生彭康明。通讯作者为物构所王剑磊教授级高工、吴立新研究员和闽江学院张晨副教授。
为了获得良好孔隙结构和机械性能的PLA基支架，首先，通过低共熔溶剂法制备CHNCs,将其与PLA进行熔融共混，随后进行原位发泡打印（图1）。

图1 PLA/CHNCs复合支架制备流程

通过FTIR、DSC、XRD、DHR等方法对CHNCs和复合支架进行了表征（图2，图3），发现CHNCs改善了PLA的热行为和流变行为，提高了PLA的加工性能。

图2 CHNCs表征分析

图3 PLA/CHNCs热行为和流变行为

微观形貌表征（图4）和机械测试（图5）显示，支架的微观泡孔呈类三明治结构，其孔径范围为9 ± 5 μm，膨胀倍率在1.5到2.6倍，压缩模量在39.2 MPa到54.3 MPa之间，同时膨胀比和压缩性能可以通过改变CHNCs含量和打印速度来调节。此外，在同等发泡倍数（1.5–2.6倍）下，压缩模量比先前报道的基于PLA的泡沫支架提高了近100%。

图4 PLA/CHNCs复合支架微观形貌及泡孔结构分析

图5 PLA/CHNCs复合支架机械性能

支架的体外生物降解（图6）和相容性（图7）表征分析得到，CHNCs能够缓解体液酸性的增加，提高PLA的亲水性。通过原位发泡制备的PLA/CHNCs支架与直接打印的PLA支架相比，展现出更优越的生物相容性。

图6 PLA/CHNCs复合支架体外生物降解

图7 PLA/CHNCs复合支架体外生物相容性

结论：将FDM打印和气体发泡技术相结合，制造出了具有分层宏观/微观孔结构的PLA/CHNCs复合支架。通过调整纳米填料的含量和打印速度，可调节支架的膨胀比和压缩性能，使支架的膨胀比最高可达2.6倍，压缩模量介于 39.2 MPa和 54.3 MPa之间。同时，原位发泡打印技术对生物环境友好，具有良好的可打印性。此外，体外生物降解和生物相容性实验表明，CHNCs 可缓解体液酸性，加入CHNCs可改善聚乳酸的亲水性，水接触角可降至72.6°。与直接打印获得的支架相比，原位发泡打印的支架对细胞的粘附和生长有积极影响。此外，作者提出，需要对原位发泡打印进行优化，并进一步开展体内生物相容性研究，以确保该支架在骨组织工程中的适用性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.135055

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

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（责任编辑：xu）

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