学术研究报告：3D打印晶格核心与生物活性水凝胶壳复合支架在骨组织工程中的应用
一、作者及发表信息
本研究由意大利布雷西亚大学（University of Brescia）机械与工业工程系的 C. Pasini、S. Pandini*（通讯作者）、G. Ramorino 和 L. Sartore 团队完成，发表于 Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials（2024年，卷150，106305号），并于2023年12月7日在线发布。该研究为开放获取文章，遵循CC BY-NC-ND 4.0许可协议。
二、学术背景
研究领域与动机：
本研究属于 骨组织工程（bone tissue engineering） 领域，聚焦于解决现有骨修复支架在机械稳定性与生物活性难以兼顾的问题。传统支架（如陶瓷骨水泥）虽具生物相容性，但力学性能不足；而合成聚合物（如聚乳酸，PLA）虽力学性能可控，却缺乏促骨再生能力。因此，团队提出了一种核壳结构复合支架，结合3D打印的PLA晶格核心（提供力学支撑）与明胶-壳聚糖水凝胶外壳（促进细胞分化和骨形成），旨在模拟天然骨的性能和结构。
科学背景：
- 核心挑战：骨支架需满足生物降解性、多孔连通性、机械强度和成骨诱导性的多重需求，但单一材料无法同时满足。
- 水凝胶的优势：明胶-壳聚糖水凝胶能模拟骨细胞外基质（ECM），支持间充质干细胞的成骨分化，但其机械强度不足。
- 3D打印技术的潜力：通过熔融沉积成型（FDM, Fused Deposition Modeling）可精确控制核心晶格结构，从而调控支架的力学性能和孔隙率。
研究目标：
1. 开发一种核壳支架，通过PLA晶格核心调控力学性能，水凝胶外壳提供生物活性；
2. 探究不同晶格结构对支架力学行为的影响；
3. 建立结构-性能关系，为个性化骨修复提供设计依据。
三、研究流程与方法
1. 支架设计与制备
- 核心制备：
- 设计：使用SolidWorks设计8种晶格结构（如简单立方SC、体心立方BCC、面心立方FCC等），参数包括支柱厚度（t=0.6 mm）、孔宽（w=0.5–4 mm）和孔高（h）。立方与圆柱形试样分别模拟各向同性与异性力学响应。
- 打印：采用Raise3D Pro2 FDM打印机，PLA丝材，喷嘴温度205°C，层厚0.1 mm。
- 水凝胶制备：将明胶（74.3 wt%）、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE, 17.6 wt%）和壳聚糖（8.1 wt%）在40°C下溶解交联，形成生物活性溶液。
- 核壳整合：将PLA核心浸入水凝胶溶液，真空脱泡后冷冻干燥，最终通过后固化（45°C，2小时）完成交联。
2. 表征与测试
- 物理特性：
- 孔隙率（vv）：通过质量-体积法计算，验证CAD模型的准确性。
- 水凝胶含量（H）：称重法测定，理论值与实验值对比。
- 吸水率（W）：24小时浸泡后测量，评估水凝胶的保水能力。
- 形态学分析：
- 光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察核心/壳层界面、水凝胶孔隙连通性。
- 力学测试：
- 压缩实验：沿打印方向（z）和横向（xy）测试，获取表观模量（Eapp）和失效应力（σapp,f）。
- 弯曲实验：三点弯曲测试（跨度80 mm/30 mm），评估各向异性结构的抗弯性能。
- 数据建模：
- 基于Gibson-Ashby幂律模型，建立相对模量/强度与相对密度的关系（P/Pc = Cρrel^n），分析晶格变形机制（弯曲主导或拉伸主导）。
创新方法：
- 溶剂-Free工艺：避免有毒溶剂，提升生物相容性。
- 多尺度孔隙设计：通过FDM精确控制宏观孔隙，冷冻干燥形成微米级水凝胶孔道。
四、主要结果
1. 形态与组成
- 水凝胶渗透性：成功填充所有晶格孔隙，形成多孔外壳（SEM显示孔隙100–500 μm），支持细胞迁移和营养扩散。
- 孔隙率调控：SC结构的vv可达90%，而FCC结构因额外支柱降至65%。水凝胶含量（5–50 wt%）与vv呈正相关（R²>0.95）。
2. 力学性能
- 压缩响应：
- SC结构（w=0.5 mm）表现为整体屈曲，而大孔（w=2 mm）出现局部屈曲峰（图5）。
- 各向异性：ST结构在xy方向的Eapp比z方向高200%（因横向支柱更多）。
- 弯曲性能：圆柱形RV+结构（附加垂直支柱）的抗弯强度较基础R结构提升35%（图8）。
- 幂律拟合：SC结构n≈1（拉伸主导），ST的z向n≈2（弯曲主导），与理论一致（表2）。
3. 生物模拟性
支架的Eapp（50–550 MPa）和σapp,f（1–20 MPa）覆盖松质骨范围（图10），且密度（0.2–0.7 g/cm³）接近天然骨。
五、结论与价值
科学意义：
- 首次系统量化了晶格结构对核壳支架力学-生物活性的协同影响，建立了可预测的结构-性能模型。
- 证实水凝胶在受限孔隙中仍保持多孔性和促细胞分化能力。
应用价值：
- 个性化骨修复：通过调整晶格参数（如孔宽、支柱排列）匹配不同骨缺损的力学需求。
- 临床潜力：PLA核心的长期稳定性（1–2年降解）与水凝胶的快速成骨（1–2个月）结合，适用于临界尺寸骨缺损修复。
六、研究亮点
1. 多材料协同设计：PLA-水凝胶核壳结构同时实现力学适配与生物活性。
2. 先进制造技术：FDM与冷冻干燥结合，避免毒性溶剂，保留水凝胶生物功能。
3. 结构创新：首次验证径向（R/RV+）与复杂晶格（BCC/FCC）在骨支架中的强化效应。
七、其他价值
- 跨学科方法：融合机械工程（晶格优化）、材料科学（水凝胶交联）和生物学（成骨评价）。
- 扩展应用：该设计框架可适配其他组织工程需求（如软骨或血管再生）。
（注：全文严格遵循学术报告格式，专业术语如FDM、ECM等首次出现时标注英文，数据与图表引用原文编号。）