3D打印聚己内酯支架的性能研究

李梦奇，王浩宇，李品，徐勇，陈玫瑰，郭小平

(邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422000)

近年来，由于各种事故因素导致的骨损伤已经成为医学上的常见症状。其治疗一般采用自体骨移植或者异体骨移植的方式，受到自体骨有限和异体骨排斥的限制，使得开发具有一定力学性能和生物活性的支架成了骨组织工程领域的研究重点[1-2]。

聚己内酯(PCL)是一种半结晶体的可降解聚酯，具有熔点低、可塑性强等优点[3]，被认为是最有前途的骨支架材料之一。而且，其已被美国食品药品监督管理局批准用于临床。在众多对PCL支架的制备研究中，大多采用静电纺丝和压缩成型等方式[4-8]。吴林波等[9]提出了一种常温模压/粒子浸出法，实现了多孔支架的一步成型，并制备了具有外耳形状的三维多孔支架。JONNALAGADDA等[10]采用固态低温研磨和压缩成型等技术制造了4种研磨时间不同的聚己内酯(PCL)/聚乙醇酸(PGA)支架。尽管这些方法能够制备三维多孔支架，但仍存在制备的支架具有不规则的空隙。因此，传统加工工艺不能精确地控制支架的孔大小、几何形状和支架孔的相互连接性。

3D打印技术不需要传统模具就可以精确控制结构，是一种加工材料的创新工艺。研究表明，该工艺可以在宏观和微观上直接完成对生物材料的精确设计制造，为制造骨支架提供了便捷的途径。选择性激光烧结(SLS)是一种典型的3D打印技术[11-12]，其利用激光能量使粉末材料熔融烧结来构建形状和结构可控的三维实体。因此，采用SLS来制造个性化外形和内部互连多孔的支架具有较大优势。

本研究采用SLS制备了PCL多孔支架，并评估了浸泡在磷酸缓冲液(PBS)中支架的降解性能。具体地研究了降解前后的质量损失、pH、物相组成和微观形貌。并且利用万能试验机研究了不同降解时间下的支架的力学性能。除此之外，还评估了支架在模拟体液(SBF)中的体外矿化能力。

1 实验

1.1 材料

本研究使用的聚己内酯(Perstorp粉末，东莞市远成塑化原料有限公司)，其熔点为60 ℃，密度为1.146 g/mL，经破碎和分筛后得到用于实验的粉末。用磷酸缓冲液(PBS)(0.1 M，pH=7.4)作为降解介质，改良型模拟体液(SBF)(pH=7.4)作为体外矿化的溶液，磷酸缓冲液和模拟体液均购自福州飞净生物科技有限公司。

1.2 支架制备

如图1所示，根据设计的三维支架模型，采用CO2激光器、扫描系统和计算机控制的3D打印装置制作PCL三维支架。首先，将设计的支架模型转换为STL文件格式，切片并生成打印截面，使其截面距离为0.01 mm。然后，通过辊子将PCL粉末从供给平台输送到粉末烧结平台。最后，设计打印路径烧结粉末，线间距为0.2 mm。当一层粉末被烧结完成时，粉末烧结平台会下降单粉末层的高度；相应地，粉末供给平台上升单粉末层高度，辊子重新输送一层粉末，循环往复，直至所需的支架烧结完成。其支架尺寸为Φ5 mm、厚3 mm。

图1 PCL支架制备示意图Fig.1 Schematic diagram of PCL scaffold preparation

1.3 降解性能

在37 ℃的PBS溶液中分别进行1，3和5周的降解试验。支架样品的重量在浸泡之前称重为M0。在达到预定的浸泡时间后，将样品从溶液中取出并用蒸馏水冲洗3次，随后将样品放入电热鼓风干燥箱(101-3AS，北京市永光明医疗仪器有限公司)中干燥至恒重，并记为Mt。并测试浸泡不同时间后溶液的pH值。样品的失重率(ML)通过公式(1)计算：

(1)

将干燥后的支架用小型离子溅射仪(JS-1600，北京和同创业科技有限责任公司)进行镀金。随后将支架放入扫描电子显微镜(SEM)(复纳科学仪器(上海)有限公司)中观察其降解后的微观形貌，设置电压10 kV。

1.4 力学性能

支架的拉伸性能使用1 kN载荷的万能试验机(ZQ-990LA，东莞市智取精密仪器有限公司)以1 mm/min的速度进行实验。通过自动记录应力-应变曲线确定强度。样品尺寸遵循GB/T 16421—1996《塑料拉伸性能小试样试验方法》标准。

1.5 体外矿化

将支架样品浸入37 ℃的SBF中，分别浸泡1，3和5周，每2 d更换一次SBF溶液。在达到计划的浸泡时间后，将样品从SBF溶液中取出，用去离子水冲洗3次。最后，将样品在干燥箱中干燥至恒重以进一步表征。使用X射线衍射仪(XRD)(AL-2700B，丹东奥龙射线仪器集团有限公司)对样品进行物相分析。X射线的管电压为40 kV，管电流为30 mA，步进角度为0.02(°)，测量范围为10 ～ 80(°)对样品进行扫描。

将干燥后的支架放入离子溅射仪中进行镀金，使用SEM对样品进行表征。同时，利用能谱扫描仪(EDS)分析支架元素组成。

1.6 统计分析

本实验的pH、失重及力学性能测试中均含有3组平行样品用于重复试验，并对所得结果进行统计分析。

2 结果和讨论

2.1 失重率与pH变化

支架的失重率、pH与降解时间的关系见图2。在整个降解过程中，PCL支架失重率随着浸泡时间的增加而增大,见图2(a)。在降解7～21 d时失重速率较快，其原因是在降解初期，支架表面与PBS溶液接触面积较大，表面的非结晶部分被降解脱落。在降解时间超过21 d时，支架的降解速率变得缓慢，其原因是当非结晶部分降解后，剩余部分的支架为降解缓慢的高结晶态，图7中的XRD图谱可以证实这一推断。降解过程中，不同时间段的溶液pH值被实时检测，结果展示在图2(b)中。可以看出：在降解初期(前两周)，溶液的pH值显著下降。溶液的pH变化是支架在降解过程中释放酸性或碱性物质的风向标。PCL的降解过程可分为两步[4,13]：第一步是酯键的随机水解；第二步是降解的低聚物从内部扩散从而产生质量损失。在本研究中，溶液pH值的降低可能是支架降解过程中产生的酸性产物溶于PBS溶液所致。随着浸泡时间的延长，溶液的pH值逐步下降。

图2 失重率、pH与降解时间的关系Fig.2 The relationship between weight loss rate, pH and degradation time

2.2 微观形貌分析

为进一步评估PCL支架的降解性能，采用SEM分析了支架在PBS中浸泡1,3和5周后表面微观形态的变化，结果见图3。其中，未浸泡的支架作为对照组，见图3(a)，支架表面光滑、无孔洞。浸泡1周后，支架的微观形貌几乎没有出现明显的变化，见图3(b)，其表面存在的少量白色颗粒可能是未洗脱的沉积盐。值得注意的是，浸泡3周后的支架表面出现了少量的细小孔洞，见图3(c)。而且，随着浸泡时间延长至5周，支架表面微孔的数量和尺寸都随之增加。这一现象印证了图2(a)中的失重率变化趋势。这些实验结果表明，在整个降解过程中，支架的降解与浸泡时间呈正相关。

图3 浸泡不同时间后PCL支架的微观形貌Fig.3 Microstructure of PCL scaffolds soaked for different times

2.3 力学性能测试

支架的力学性能与降解时间的关系，见图4。其中，未降解支架的拉伸强度约为3.6 MPa，见图4(a)，支架的初始杨氏模量约为17.3 MPa，见图4(b)。随着降解时间的延长，支架的拉伸强度和杨氏模量逐渐降低。降解1周和3周的拉伸强度分别为3.1 MPa和2.9 MPa。当降解时间达到5周时，支架的拉伸强度减少了22.2%(2.8 MPa)，其杨氏模量降低为10.67 MPa。这表明支架的力学性能随着降解时间的增加而降低。其原因是在降解过程中，PCL支架内部因降解产生了微小孔隙，导致支架力学性能和杨氏模量发生改变。

图4 力学性能与降解时间的关系Fig.4 The relationship between mechanical properties and degradation time

通过断裂面拉伸形貌进一步评估了PCL支架力学性能的趋势变化，见图5。未降解支架的断裂面出现大量的撕裂韧带，并且，表面未观察到明显的孔隙，见图5(a)，这表明初始支架抵抗拉力的能力较强。然而，支架撕裂韧带的数量随着时间的增加而减少，长度随着时间增加而变短，见图5(a)～5(d)，尤其是图5(d)中已经出现了较多的光滑区域，表面能够观察到较多因降解而产生的孔隙。结果表明，PCL支架抵抗拉力的能力随着降解时间的增加而降低，这同力学性能与降解时间的关系表现出的结果保持一致。

图5 拉伸截面随降解时间的微观形貌Fig.5 The microstructure of tensile cross section with degradation time

2.4 体外矿化能力评估

通过SEM评估了PCL支架在模拟体液中浸泡1,3和5周后的磷灰石形成能力，见图6。以未浸泡的PCL支架作为对照，见图6(a)。在PCL支架浸泡1周后，开始出现白色颗粒沉积现象，见图6(b)。随着浸泡时间变长，样品支架上白色颗粒生长现象越来越明显，见图6(c)，在浸泡3周后，PCL支架上的白色颗粒增多。当浸泡时间达到5周，PCL支架上开始出现密密麻麻的白色颗粒，见图6(d)。通过EDS分析了矿化前后样品支架的元素组成，显示的元素主要有C，O，P和Ca，如图6中S1～S4区域。未浸泡的PCL中只包含C和O元素，而浸泡后的PCL支架中出现了Ca和P元素，这证明PCL支架上生长的白色颗粒可能是羟基磷灰石(HA)。

图6 PCL支架矿化图Fig.6 Mineralization map of PCL scaffold

采用XRD表征了PCL支架矿化1，3和5周后的物相组成，见图7。PCL的特征衍射峰在2θ=21.1(°)和2θ=23.5(°)。浸泡1周后的PCL支架特征峰并没有出现明显变化。当样品支架浸泡时间达到第3周和5周时，样品支架在2θ=30.2(°)和2θ=40.6(°)左右出现了羟基磷灰石的特征峰[4]。证明了PCL支架在矿化后生成的白色颗粒为羟基磷灰石。PCL特征峰随着浸泡时间的增加出现些许偏差，这可能归因为生长的羟基磷灰石对其晶体结构的略微影响。

图7 PCL支架体外矿化1，3和5周的XRD图Fig.7 XRD patterns of PCL stent in vitro mineralization at 1, 3, and 5 weeks

3 结论

在本研究中，采用SLS制备PCL支架，重点研究降解过程中其力学性能的变化规律。结果表明：1)利用SLS制备的PCL支架经过PBS溶液浸泡进行降解，随着降解时间的延长，支架表面产生不规则孔洞逐渐增多，但其降解速率较为缓慢，经5周降解后其失重率仅约为1.0%。2)将不同时间段的支架通过万能试验机进行拉伸试验，支架的拉伸强度随降解时间的增加而降低，降解5周后的支架拉伸强度仍保持了78%。3)支架在SBF溶液中浸泡5周后诱导生成了羟基磷灰石，表现出了一定的矿化能力。因此，采用SLS技术制备的PCL支架在骨组织工程中存在着应用潜力。