聚多巴胺_聚乳酸涂层改性硅酸钙陶瓷支架的性能研究_王桂森.pdf

聚多巴胺/聚乳酸涂层改性硅酸钙陶瓷支架的性能研究王桂森（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄050018）摘要：3D打印多孔生物活性陶瓷支架具有良好的促进血管化骨再生的能力，但是力学性能比较差，限制了在临床上的应用。为了提高支架的力学性能与亲水性，将3D打印的硅酸钙支架依次浸入到含有聚乳酸的溶液和含有聚多巴胺的溶液中，得到聚多巴胺/聚乳酸硅酸钙复合陶瓷支架。通过在硅酸钙支架表面覆盖聚多巴胺/聚乳酸涂层，支架孔壁表面的微孔被涂层覆盖，并使孔壁变得平坦、光滑。经验证，这是一种提高支架的力学性能并使支架获得亲水性的有效方法。关键词：3D打印；硅酸钙；亲水性；力学性能中图分类号：TG669文献标志码：A文章编号：1009279X（2023）S10050-05Study on the Properties of Calcium Silicate Ceramic Scaffold Modifiedby Polydopamine/polylactic Acid CoatingWANG Guise（Department of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China）Abstract：Porous bioactive ceramic scaffold by 3D printing has good ability to promotevascularized bone regeneration，but its poor mechanical property limits its clinical application.In orderto improve the hydrophilicity and mechanical properties of the scaffold，the 3D printed calcium silicatescaffold was successively immersed into the solution containing polylactic acid and the solutioncontaining polydopamine to obtain the polydopamine/polylactic acid modified calcium silicate compositeceramic scaffold.By covering the surface of calcium silicate scaffold with polydopamine and polylacticacid coating，the micropores on the surface of the scaffold are covered with the coating，and the porewall becomes flat and smooth.The result showed that this is an effective method to improve themechanical properties of the scaffold and make it hydrophilic.Key words：3D printing；calcium silicate；hydrophilicity；mechanical property骨组织是人体中的重要组成部分，起到支持、保护机体并维持矿物离子平衡等作用1。随着人口老龄化加剧、中青年创伤增多及灾害事故的频发，骨缺损的数量在不断地上升2-3。据统计，美国每年有超过50万的病人需要接受骨缺损治疗，直接费用超过25亿美元4-5，中国作为人口大国，每年需要接受骨缺损治疗的人数也极为庞大。骨缺损的治疗一直是医学界的重大难题，其主要治疗方法有自体骨移植、异体骨移植及人工骨移植。自体骨移植是治疗骨缺损的金标准，这是由于它们具有组织相容性和非免疫原性，并且提供了骨移植材料需要的所有必要特性4，然而自体骨移植需要进行二次手术，可能导致明显的供体部位损伤和其他影响6-9。异体骨移植的骨源可通过骨库提供，来源要广泛得多，但这种方法容易引起免疫反应，并且存在从供体传染疾病的危险，限制在临床上的应用1，10-11。所以，人工骨移植成为了人们研究的重点。目前，用于制作人工骨的材料有金属材料、无机材料和有机材料。但是，这些材料属于生物惰性材料，不具有骨诱导能力且在体内难以降解，所以在临收稿日期：2023-02-04第一作者简介：王桂森，男，1992年生，讲师。电加工与模具2023年增刊1激光加工及增材制造50床应用上存在不少问题和缺陷12-13。具有可降解性和生物活性的第三代生物材料成为了更为关键的领域，可降解生物活性陶瓷材料（如硅酸钙、磷酸钙和生物玻璃等）是其中最重要的一类3。研究发现，硅酸钙比磷酸钙和生物玻璃在模拟体液中形成羟基磷灰石的速度更快，而且在力学和降解性方面表现出独特的优势2，14-15，这引起了人们广泛的研究。传统制造三维多孔骨修复支架的方法主要有气体发泡法、造孔剂法、相分离法、离子虑沥法等1。但是，这些方法制造的支架孔道尺寸孔形状单一、孔道结构不连通，无法进行精确控制，难以实现快速个性化制作。3D打印又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用材料逐层打印的方式来构造物体的技术，利用这种方法可以实现对支架外部形状、内部孔道的精准控制。多项研究表明，3D打印的生物活性陶瓷支架有利于骨组织的长入，促进骨的形成和血管化进程16-18，然而通过打印的陶瓷支架由于力学性能较差，限制了在临床上的应用。为了提高支架的力学性能，本研究采用渗涂的方法在3D打印的硅酸钙陶瓷支架上复合聚乳酸（PLA）涂层。由于聚乳酸具有疏水性，不利于蛋白和细胞的粘附，所以在聚乳酸/硅酸钙复合支架表面增加了具有亲水性的聚多巴胺（PDA）涂层。本文就聚多巴胺/聚乳酸复合涂层对3D打印的硅酸钙支架力学性能和亲水性的影响进行研究。1实验部分1.1硅酸钙陶瓷支架的制备将羟丙基甲基纤维素和硅酸钙粉体依次慢慢加入到质量分数6%的聚乙烯醇溶液中，在常温下搅拌一段时间即可得到均匀的打印浆料。将浆料加入到料筒中，利用上位机软件控制三维打印机的运动，使其按照规定轨迹打印出如图1所设计的支架结构（外形尺寸为10 mm10 mm2 mm），打印完成后将支架放于室温环境中干燥，然后进行高温处理。打印设备由PC端电脑、控制板、打印头、压力控制器等部分组成，打印中所用的气体压力为0.9 MPa，浆料挤出所使用的针头规格为21G。1.2聚多巴胺/聚乳酸涂层的附着首先，将聚乳酸固体颗粒放置于二氯甲烷溶液中充分溶解，得到含有聚乳酸的混合溶液；然后，将高温烧结后的支架浸入到配置好的混合溶液中一段时间，取出后放入40 的保温箱中保温24 h，得到具有聚乳酸涂层的硅酸钙支架（PLA-CS）；之后，将PLA-CS支架放入到2 mg/mL的多巴胺溶液（pH=8.5）中浸泡一段时间，待多巴胺在碱性环境中发生自聚合，形成聚多巴胺；最后，将支架取出后使用蒸馏水清洗，并于室温下进行干燥。本研究中将最终得到的含有聚多巴胺/聚乳酸涂层的硅酸钙支架记为PDA/PLA-CS。1.3性能表征按照文献19中的方法，对CS支架用图2的烧结温度曲线进行烧结并计算样品各方向的收缩率；各样品的表面形貌用场发射扫描电子显微镜（SEM）进行观察；样品的晶相采用X射线衍射仪（XRD）进行测量；样品的亲水性采用接触角测量仪进行测量，测量时所用液体为蒸馏水，液滴的体积为20 mL；样品的力学性能采用万能材料试验机进行测试，测试时所用压力为10 kN，加载速率为0.5 mm/min。2结果与讨论2.1收缩性与形貌特征图3是3D打印的CS支架高温烧结后在不同方向的收缩率，可见CS支架在X、Y、Z三个方向上的收缩率并没有明显的差异。其中，X方向和Y方向的收缩率相当，略大于Z方向上的收缩。支架的收缩率主要与支架的设计结构和打印浆料中固相含量有关，固含量越高，支架的收缩率越小。图4是不同支架样品的XRD衍射图谱，可以明显得看出在与聚乳酸聚合反应后，得到的样品具有明显的聚乳酸特征峰，再加入多巴胺自聚后衍射峰并未有太大的增加与迁移。图5是不同支架样品的图1硅酸钙支架的设计结构02004006008001000120012001000800600400200时间/min烧结温度/图2硅酸钙支架的烧结曲线60 min120 min180 min激光加工及增材制造电加工与模具2023年增刊151表面形貌，可以清晰地看出3D打印的CS支架孔壁表面存在大小不同的孔洞，并且表面比较粗糙，这主要是由于在干燥与高温处理过程中支架中的水分和有机物排出导致的；相对于CS支架，PLA-CS支架表面的孔洞被聚乳酸涂层覆盖，表现得比较光滑；由于聚多巴胺涂层比较薄20，所以并无法看到PLA-CS和PDA/PLA-CS支架的明显差异。2.2亲水性在生物系统中，表面亲水性对蛋白在植入体表面的粘附及控制细胞的行为具有重要的调节作用，并有助于增强骨的形成20-22。图6是不同支架样品的接触角测量结果，值越小代表亲水性越好。由图可见，打印的CS陶瓷支架接触角近于0，具有非常优异的亲水性；在附着PLA涂层之后支架的接触角超过90，表现出了疏水的性质，这主要是由于PLA材料本身疏水，支架表面被PLA覆盖后表面变得比较光滑，液体不易浸润，易在表面移动23；相比PLA-CS支架，PDA/PLA-CS支架表现出良好的亲水性，这主要是由于表面覆盖的聚多巴胺饱有亲水的酚羟基和氨基基团20。由于聚多巴胺的亲水性有限，导致PDA/PLA-CS的接触角值高于CS，即PDA/PLA-CS的亲水性弱于CS。2.3力学性能力学性能是评价生物支架的重要性能指标，采用3D打印能够获得内部孔道相连的支架，这些孔道有利于细胞的生长、骨组织的长入及营养物质的运送与代谢产物的排出，这会降低支架的力学性能，从而限制了生物活性陶瓷支架在临床上的应用。本研究在硅酸钙陶瓷支架上复合聚乳酸和聚多巴胺/聚乳酸涂层，通过压缩试验后的抗压强度和应力-应变曲线测试接枝高分子链对支架力学性能的影响情况。图7是不同支架材料在压缩试验的抗压强度反馈，相对于CS支架，PLA-CS和PDA/PLA-CS支架的抗压强度得到了大幅增强，而这两种支架的抗压强度差别不大。PLA涂层对支架力学性能的增强机制主要体现在减小应力集中和对孔壁表面缺陷的修复。一方面，支架在PLA的浸泡过程中，PLA会浸入到支架孔壁表面的微孔内，实现对表面微孔缺陷的修复；另一方面，支架在受力时PLA层首先发生一定程度的塑性变形，吸收大部分外力的能量，从而减弱陶瓷支架受力时的应力集中现象24-25。图33D打印的CS支架在不同方向的收缩率ZYXZXY0246810收缩率/%PDA/PLA-CSPLA-CSCSCSPLA80706050403020102/（）强度图4不同支架样品的XRD图谱100 m100 m100 m（a）CS（b）PLA-CS（c）PDA/PLA-CS图5不同支架的表面形貌PDA/PLA-CSPLA-CSCS-20020406080100120140160接触角/（）图6不同支架的接触角PDA/PLA-CSPLA-CSCS图7不同支架的抗压强度010203040抗压强度/MPa电加工与模具2023年增刊1激光加工及增材制造52此外，高分子材料涂层对陶瓷体内裂纹的扩展能起到一定的偏转作用25，这种偏转不仅会造成裂纹扩展路径的延长，而且裂纹从一个有利应力状态方向转向一个不利应力状态方向扩展时，会导致扩展阻力明显增大，使陶瓷得到强化。图8是不同支架材料的应力-应变曲线，可见在线弹性范围内，不同支架应力-应变曲线的斜率相近，这是由于支架的弹性应变主要由基底硅酸钙材料控制24，从而得到三种支架走向近似的应力-应变曲线。3结论本研究采用3D打印制备了内部相互连通的多孔硅酸钙陶瓷支架，并将烧结后的支架浸入到含有聚乳酸的溶液中获得聚乳酸层，再将支架浸入到多巴胺溶液中获得聚多巴胺/聚乳酸双涂层的硅酸钙支架，通过表征得到以下结论：（1）3D打印的CS支架孔壁表面比较粗糙，且在各方向的收缩率相差不大；相对于CS支架，PLA-CS和PDA/PLA-CS支架表面比较光滑，并且原本存在于CS支架表面的气孔被涂层完全覆盖。（2）CS支架具有优异的亲水性，而由于聚乳酸涂层的影响，PLA-CS支架表现出疏水特性，通过进一步在PLA-CS支架表面附着多巴胺涂层，支架又变为亲水性。（3）相对于CS支架，PLA-CS和PDA/PLA-CS支架的力学性能得到了大幅度提高，而两种涂层支架的力学性能基本没有差别。参考文献：1邵惠锋.3D打印活性陶瓷骨修复支架研究D.杭州：浙江大学，2017.2喻小鹏，吴成铁.3D打印生物陶瓷功能改进的研究进展J.硅酸盐学报，2021，49（5）：829-843.3邵惠锋，贺永，傅建中.增材制造可降解人工骨的研究进展从外形定制到性能定制J.浙江大学学报（工学版），2018，52（6）：1035-1057.4AMINI A R，LAURENCIN C T，NUKAVARAPU S P.Bone tissue engineering：recent advances and challengesJ.Critical Reviews in Biomedical 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