黃江鴻，熊建義，王大平，丁文斌，尤微，劉威，王大明，陳潔琳，段莉，朱偉民

(1.深圳市第二人民醫(yī)院國(guó)家重點(diǎn)骨科，廣東 深圳 518035；2.深圳市組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518035；3.深圳市數(shù)字骨科技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518035)

低溫快速成型3D打印磁性納米復(fù)合人工骨的性能測(cè)定

黃江鴻1，2，3，熊建義1，2，3，王大平1，2，3，丁文斌1，2，3，尤微1，2，3，劉威1,2,3，王大明1，2，3，陳潔琳1，2，3，段莉1，2，3，朱偉民1，2，3

(1.深圳市第二人民醫(yī)院國(guó)家重點(diǎn)骨科，廣東 深圳 518035；2.深圳市組織工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518035；3.深圳市數(shù)字骨科技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518035)

目的 利用低溫快速成型技術(shù)的可控性、三維多孔立體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，制備骨組織修復(fù)材料磁性納米多孔復(fù)合人工骨支架材料(n-HA/PLLA/Fe2O3)，并檢測(cè)其力學(xué)和降解性能。方法低溫快速成型儀分別制備不同成分比例的n-HA/PLLA/Fe2O3，再通過(guò)乙醇浸泡法測(cè)定支架孔隙率，采用電子試驗(yàn)機(jī)通過(guò)檢測(cè)抗彎，抗壓，彈性模量評(píng)價(jià)支架力學(xué)性能，通過(guò)電鏡觀察支架超微結(jié)構(gòu)，浸泡磷酸鹽緩沖液(PBS)進(jìn)行降解試驗(yàn)，觀察降解液的pH值變化，材料力學(xué)性能的變化。結(jié)果n-HA和Fe2O3的比例增加，復(fù)合支架材料的拉伸強(qiáng)度減弱，彎曲強(qiáng)度在n-HA和Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)達(dá)到峰值(111.9 MPa)，彈性模量隨著n-HA和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。在n-HA和Fe2O3含量為5%時(shí)出現(xiàn)大量的韌窩，孔隙率為83%；在n-HA和Fe2O3含量為10%斷裂表面凹凸不平，孔隙率達(dá)到90%以上；在n-HA和Fe2O3含量為15%以上時(shí)斷口又變得越來(lái)越平整，孔隙率在80%左右。隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，支架材料的力學(xué)性能也一定程度的衰減。結(jié)論復(fù)合人工骨支架材料的制備比例中，通過(guò)不同組分的篩選和測(cè)定，設(shè)定最佳的組分配比來(lái)制備出性能優(yōu)良的支架材料。當(dāng)n-HA和Fe2O3成分為10%時(shí)，該磁性納米多孔復(fù)合人工骨支架材料具有更好的生物力學(xué)性能以及可降解性能。

低溫快速成型；3D打?。淮判约{米；人工骨

目前，人工骨組織工程材料在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域里研究日益興起。而單一的骨移植相關(guān)材料因各自的缺點(diǎn)不能完全滿足人工骨組織材料的要求，因此復(fù)合材料在骨組織工程中被認(rèn)為是修復(fù)骨缺損的較好方法之一[1]。聚乳酸(PLLA)具有良好的生物學(xué)性能，而納米羥基磷灰石(n-HA)又有骨傳導(dǎo)性能的優(yōu)點(diǎn)，使兩者常被研究及作為制備骨組織工程的復(fù)合支架材料。乳酸分子通過(guò)共聚形成PLLA，在體內(nèi)最終代謝產(chǎn)物為水、CO2，表現(xiàn)出良好的生物相容性，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)體內(nèi)研究其也具有良好的降解性[2]，PLLA目前臨床材料應(yīng)用包括骨折內(nèi)固定可吸收螺釘、縫合線及藥物緩釋載體等[3-4]，并取得一定的治療效果。n-HA與人體內(nèi)骨組織成分相近，生物力學(xué)性能、相容性以、骨傳導(dǎo)性能良好。但其缺點(diǎn)為降解性能低。超順磁性納米粒子Fe2O3在外界恒定磁場(chǎng)的作用可下表現(xiàn)出良好的磁響應(yīng)性和超順磁性，即定向聚集和定位。在交變磁場(chǎng)下吸收電磁波產(chǎn)熱。磁性納米鐵粒子保留其作為納米級(jí)別材料的生物活性，與細(xì)胞表面偶聯(lián)的能力強(qiáng)，這就使在外加磁場(chǎng)的條件下控制和調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能成為可能[5]。

低溫快速成型技術(shù)主要有熔融沉積法、選擇性激光燒結(jié)、三維打印等，可形成三維結(jié)構(gòu)可控的材料[6]。低溫快速成型通過(guò)結(jié)合相分離法為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)程序輔助設(shè)定參數(shù)來(lái)生產(chǎn)支架材料，具有良好的可控性，同時(shí)低溫環(huán)境下也良好保持材料生物學(xué)活性，在目前的骨折骨組織工程支架的的研究制備的應(yīng)用良好[7]。

本實(shí)驗(yàn)采用低溫快速成型技術(shù)制備磁性納米復(fù)合人工骨支架材料，并進(jìn)行表征，以此制備的新型復(fù)合人工骨支架材料不僅能在三維多孔立體結(jié)構(gòu)上具有一定的生物力學(xué)性能，同時(shí)也能保存各成分材料的生物學(xué)活性，作為骨組織工程移植材料，為種植的種子細(xì)胞提供良好的生物學(xué)支撐，以促進(jìn)增殖及功能表達(dá)，本研究旨在為磁性納米復(fù)合人工骨支架材料作為骨缺損修復(fù)材料提供一定的實(shí)驗(yàn)支持。

1 材料與方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料、試劑及儀器 PLLA、n-HA、磁性納米Fe2O3(廣東省深圳市欣城生物科技有限公司)，低溫快速成型儀(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)，掃描電子顯微鏡、三思電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳清華大學(xué)研究院)。

1.2 復(fù)合材料制備 將n-HA、PLLA、Fe2O3材料按一定的質(zhì)量比例混勻成液態(tài)，制備成磁性納米多孔復(fù)合支架材料(n-HA/PLLA/Fe2O3)(25 mm×25 mm×25 mm) (圖1)。此次制備的支架材料按n-HA和Fe2O3所含不同的質(zhì)量比例分為5組，復(fù)合材料具體制備的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖1 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3材料

先將PLLA溶解于溶劑1,4-二氧六環(huán)，60℃水浴中，攪拌混勻，得到一定濃度的PLLA/1,4-二氧六環(huán)均相溶液；按一定質(zhì)量比將n-HA、Fe2O3加入上述溶液中，震蕩15 min，電磁攪拌12 h，使得n-HA，F(xiàn)e2O3完全分散均勻。得到的復(fù)合材料液-4℃條件下低溫快速成型，RIPF工藝成形，形成具有一定間距的材料框架；將配置好的不同濃度的生物復(fù)合材料填充上述平行排列的框架中，均勻交叉排列，重復(fù)以上步驟。成形后的冰與生物復(fù)合材料混合體冷藏風(fēng)干，后得到的復(fù)合人工支架材料具有一定孔隙率。樣品真空條件下冷凍，干燥2 d，使機(jī)溶劑升華。根據(jù)不同質(zhì)量比的各組樣品行力學(xué)性能測(cè)試檢測(cè)、電鏡觀察，并觀察其降解性。

1.3 復(fù)合材料性能測(cè)試表征 力學(xué)性能測(cè)試：將不同配比的復(fù)合材料試樣應(yīng)用三思電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CTM4 000進(jìn)行測(cè)定，主要測(cè)定其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量，用三點(diǎn)抗彎曲法測(cè)定，跨距為20 mm，加載速率5.00 mm/min。顯微結(jié)構(gòu)觀察：電鏡橫斷面掃描支架材料橫截面，得到二次電子圖像及背散射電子圖像，觀察分析試樣橫斷面的微觀形態(tài)和組織特征。孔隙率測(cè)定：乙醇介質(zhì)法浸泡測(cè)定如下，先測(cè)得干燥狀態(tài)下復(fù)合材料總體積(V)及質(zhì)量m1；乙醇浸泡飽和后測(cè)得支架總質(zhì)量m2，計(jì)算孔隙率：θ= (m2-m1)/ρ乙醇V。體外降解試驗(yàn)：復(fù)合材料試樣在真空干燥條件下至恒重(W0)，人工降解液(磷酸鹽緩沖液，PBS)浸泡，(37±1)℃，第2、4、6、8、10周取出，測(cè)定降解液pH，干燥后測(cè)定樣品重量(Wt)，并再次進(jìn)行力學(xué)檢測(cè)。主要觀察指標(biāo)：復(fù)合材料的生物力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度、抗彎曲模量及彎曲強(qiáng)度)，微觀橫斷面的電鏡形態(tài)，三維結(jié)構(gòu)層面上的孔徑和孔隙率，降解過(guò)程中pH值和合力學(xué)性有無(wú)能衰減情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析方法用Graphpad Prism 5.0 One-way ANOVA進(jìn)行，計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，多組計(jì)量資料比較采用單因素方差分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 復(fù)合材料力學(xué)性能比較 表1結(jié)果表明：①隨n-HA和Fe2O3含量的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈線性下降；②復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度因n-HA和Fe2O3含量的增加而增大，當(dāng)n-HA與Fe2O3微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)出現(xiàn)彎曲強(qiáng)度峰值(約111.9 MPa)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐漸降低，且低于聚合物各成分的彎曲強(qiáng)度；③彎曲模量隨著n-HA和Fe2O3微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而增大。

表1 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料力學(xué)性能比較(±s，n=10)

表1 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料力學(xué)性能比較(±s，n=10)

n-HA/PLLA/Fe2O3人工骨n-HA：PLLA：Fe2O3=0.5：10.0：0.5 n-HA：PLLA：Fe2O3=1.0：10.0：1.0 n-HA：PLLA：Fe2O3=1.5：10.0：1.5 n-HA：PLLA：Fe2O3=2.0：10.0：2.0 n-HA：PLLA：Fe2O3=2.5：10.0：2.5 F值P值拉伸強(qiáng)度(Mpa) 35.5±0.7 33.6±0.3 30.1±0.2 27.2±0.7 24.2±0.9 209.3 0.002彎曲強(qiáng)度(Mpa) 106.8±0.6 111.9±0.9 108.6±0.7 102.1±0.3 101.5±0.5 141.8 0.017彎曲模量(Gpa) 1.8±0.1 1.9±0.1 2.2±0.1 2.3±0.1 2.6±0.1 112.5 0.022

2.2 復(fù)合材料橫斷面的電鏡觀察 當(dāng)在PLLA材料中填充5%的n-HA粒子和5%的Fe2O3粒子時(shí)，復(fù)合材料的橫斷面出現(xiàn)大量的凹陷，并可見(jiàn)明顯的粗糙斷裂面(圖2A)和因張力過(guò)大而出現(xiàn)的角度大孔洞，孔隙率達(dá)83%，孔徑3～5 μm。當(dāng)n-HA和Fe2O3含量分別為10%時(shí)，n-HA粒子填充緊密，橫斷面表現(xiàn)為凹凸不平，并有較多的凹陷形成，無(wú)機(jī)相張力較高，出現(xiàn)表面崩裂、撐開(kāi)，表面可形成陷窩(圖2B)和被破壞的n-HA粒子，孔隙率達(dá)到90%以上，孔徑3～5 μm。當(dāng)n-HA粒子和Fe2O3粒子含量超過(guò)15%后復(fù)合材料的橫斷面逐漸平整，大量聚集的n-HA和Fe2O3粒子被強(qiáng)行脫離而形成較為光滑的小凹陷(圖2C)，橫斷表面較多小凹陷。當(dāng)n-HA和Fe2O3粒子含量超過(guò)20%以上(圖2D、2E)，復(fù)合材料的橫斷面更加平滑，韌窩很少，表現(xiàn)為脆性斷裂的特征，孔隙率在80%左右，孔徑2～3 μm。

圖2 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3的掃描電鏡結(jié)果(5 000×)：多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁粗糙、間微孔相通

2.3 復(fù)合材料的孔徑及孔隙率 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料中，當(dāng)n-HA和Fe2O3的含量為10%時(shí)具有最大的孔徑376 μm及最佳的孔隙率91%，見(jiàn)表2。

2.4 復(fù)合支架材料降解過(guò)程中的pH值變化 在前8周的時(shí)間內(nèi)，降解液的pH值是逐漸降低的。當(dāng)復(fù)合支架材料中的n-HA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，pH值的下降速度逐漸減緩(圖3)。第8至10周內(nèi)，降解液的pH值有所增大。

2.5 復(fù)合材料降解過(guò)程中生物力學(xué)性能變化 降解時(shí)間延長(zhǎng)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量逐漸所衰減。因降解時(shí)間的延長(zhǎng)，降解介質(zhì)向材料的內(nèi)部滲透，材料的界面受到了破壞，導(dǎo)致材料力學(xué)性能逐漸減弱，見(jiàn)圖4～圖6。

圖3 降解液pH值隨降解時(shí)間的變化

圖4 支架材料拉伸強(qiáng)度與降解時(shí)間的關(guān)系

圖5 支架材料彎曲強(qiáng)度與降解時(shí)間的關(guān)系

表2 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料孔徑及孔隙率大小比較(±s，n=10)

表2 磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料孔徑及孔隙率大小比較(±s，n=10)

n-HA/PLLA/Fe2O3人工骨 孔徑(μm)孔隙率(%) n-HA：PLLA：Fe2O3=0.5：10.0：0.5 n-HA：PLLA：Fe2O3=1.0：10.0：1.0 n-HA：PLLA：Fe2O3=1.5：10.0：1.5 n-HA：PLLA：Fe2O3=2.0：10.0：2.0 n-HA：PLLA：Fe2O3=2.5：10.0：2.5 F值P值348±2 376±1 353±3 347±4 336±2 116.8 0.009 83±3 91±1 85±3 82±2 81±1 137.1 0.013

3 討 論

3.1 利用低溫快速成型技術(shù)制備磁性納米多孔復(fù)合人工骨支架材料 創(chuàng)傷、腫瘤等原因形成的骨缺損，缺損部位常常是不規(guī)則的，常規(guī)的植骨往往填充效果差，骨折愈合率偏低，難以滿足手術(shù)要求。傳統(tǒng)方法是通過(guò)靜電紡絲法、固液相分離法、溶鹽法等進(jìn)行材料的加工、分離、成形等步驟，并通過(guò)特定的模具進(jìn)行加工裁剪而形成，形成三維立體結(jié)構(gòu)形狀受限較多，與要求的樣品往往在結(jié)構(gòu)及精度上有一定差距，操作步驟復(fù)雜，因此一定程度上限制手術(shù)應(yīng)用[8]。本實(shí)驗(yàn)采用的低溫快速成型技術(shù)是一種新型快速成型技術(shù)，目前應(yīng)用已經(jīng)較多，不僅在材料上進(jìn)行更新，同時(shí)結(jié)合了計(jì)算機(jī)輔助技、數(shù)控技術(shù)及相分離技術(shù)等，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程軟件，將原材料進(jìn)行快速的三維成型，符合制備的要求。余東等[9]利用此種方法精確制備出山羊標(biāo)準(zhǔn)顱骨，具有相同彎曲弧度。低溫快速成型技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：影像學(xué)掃描(高精度CT、MRI)骨缺損部位，獲取的計(jì)算機(jī)三維立體模型，或者事先設(shè)計(jì)好所需要的模型，計(jì)算機(jī)進(jìn)行二維層面數(shù)據(jù)分解，以此得到噴頭掃描路徑；在低溫成型操作平臺(tái)上先打印出底層二維結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維噴頭進(jìn)行逐層打印，形成具有特殊結(jié)構(gòu)的三維形狀[10]。成型過(guò)程是可控的，主要包括成型支架的外形、支架厚度、三維孔隙等方面。通過(guò)控制噴頭的支架來(lái)調(diào)控噴射出材料細(xì)絲的直徑和長(zhǎng)度，以此調(diào)控三維支架的外形；通過(guò)調(diào)節(jié)二維平面噴頭X、Y的掃描次數(shù)(N值)及縱相噴頭(Z值)調(diào)控成型支架高度，同時(shí)可調(diào)節(jié)噴頭打印的間距來(lái)調(diào)節(jié)所需的孔隙率。除此之外，低溫快速成型技術(shù)在材料處理過(guò)程中，是在低溫環(huán)境下進(jìn)行，不同于傳統(tǒng)的熔融沉積制造、選擇性激光燒結(jié)[11]，在成型過(guò)程不影響材料的化學(xué)成分，保持原有材料的生物化學(xué)。

為了保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和適用性，其所需要的磁性納復(fù)合人工骨支架模型提前通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好，而通過(guò)利用低溫快速成型技術(shù)的方法聚成的骨制備三維立方體狀支架材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示精度較高，繼而制備得到多孔的磁性納米復(fù)合人工骨支架材料(n-HA/ PLLA/Fe2O3)。為了克服聚乳酸在高溫的環(huán)境下容易費(fèi)解的缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中采用了異于傳統(tǒng)方法的低溫快速成型技術(shù)，以保證其良好的生物學(xué)活性。由于實(shí)驗(yàn)組制備得到的為復(fù)合人工骨支架其材料特性均一，且未加入骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子，所以在低溫快速成型技術(shù)條件下加入熱敏感生長(zhǎng)因子(如骨形態(tài)形成蛋白)成為可能，即可認(rèn)為可以可形成具有促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)能力的組織工程骨支架。

3.2 磁性納米多孔復(fù)合人工骨支架材料的孔徑、孔隙率和力學(xué)性能 有假設(shè)認(rèn)為理想生物骨支架材料的孔徑對(duì)影響種子細(xì)胞的粘附和遷移具有影響，大部分學(xué)者認(rèn)為其孔徑范圍在200～500 μm為宜，不僅可促進(jìn)種子細(xì)胞黏附而且可促進(jìn)骨組織形成[12-14]；孔隙率越高、孔徑越小細(xì)胞時(shí)，生物相容性越好，并且利于種子細(xì)胞的粘附[15]。相比其他傳統(tǒng)工藝制備技術(shù)(支架孔徑200 μm以下)，本實(shí)驗(yàn)采用的低溫快速成型技術(shù)，制備過(guò)程中調(diào)節(jié)噴頭設(shè)定參數(shù)，將孔徑控制在百微米范圍內(nèi)[16]。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)中不同比例的n-HA/ PLLA/Fe2O3復(fù)合材料，可以滿足不同范圍內(nèi)的孔隙率要求，所制備的多孔材料的孔隙率均在80%以上。當(dāng)n-HA和Fe2O3的含量為10%時(shí)復(fù)合材料具有最大的孔徑376 μm及最佳的孔隙率91%。

理想三維支架材料的生物力學(xué)性能應(yīng)該能與人體骨的力學(xué)相符，保證骨修復(fù)早期的力學(xué)支撐[17]?？紫堵试黾蛹翱讖皆叫?duì)種子細(xì)胞的粘附和增殖有促進(jìn)作用，即高孔隙率，但同時(shí)也降低了其作為骨組織支架材料的力學(xué)性能；因此高孔隙率的材料往往導(dǎo)致人工骨支架的力學(xué)性能降低。實(shí)驗(yàn)利用低溫快速成型技術(shù)制備的n-HA/PLLA/Fe2O3磁性納米多孔復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度在110 Mpa左右，較人體松質(zhì)骨低；通過(guò)微觀顯微電鏡觀察到復(fù)合材料的孔隙間部分有裂痕，也一定程度上降低了其力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要設(shè)定合適的噴頭移動(dòng)速度和材料噴出速度度，才能保證原材料的形成均勻，避免孔隙的過(guò)度填充閉塞或者填充失敗[18]，在這一過(guò)程中材料成型參數(shù)尤為重要，也就是本實(shí)驗(yàn)的目的及意義之一。實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)照原則，來(lái)求得n-HA/PLLA/Fe2O3各個(gè)原材料成型的最佳參數(shù)。由于材料比例將影響成型參數(shù)，因此，需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，尋找更為適合的各種原材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，提高精細(xì)度。

3.3 磁性納米多孔復(fù)合人工骨支架材料的降解性能 醫(yī)用植入材料需要同時(shí)具備可降解性和可吸收性，對(duì)體內(nèi)無(wú)明顯異物反應(yīng)，不影響組織的正常生理代謝，同時(shí)能夠保留各組分材料的生物活性和復(fù)合產(chǎn)品的新性能[19]。生物可降解性指材料在生物體內(nèi)，受到內(nèi)外環(huán)境的影響進(jìn)行物理和化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部的共價(jià)鍵或者分子鍵進(jìn)行鍛煉，發(fā)生的裂解等反應(yīng)，形成較多的小分子片段進(jìn)行降解的過(guò)程，降解物通過(guò)新陳代謝作用排出體外。

本實(shí)驗(yàn)制備復(fù)合支架材料過(guò)程中，通過(guò)羥基磷灰石粒子的摻入，成功的提高了聚乳酸降解過(guò)程中的PH值，為以后復(fù)合支架材料在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減小無(wú)菌性炎癥發(fā)生率，提高支架材料的生物相容性；同時(shí)，通過(guò)體外的一個(gè)磁療儀的作用，磁性粒子Fe2O3在體內(nèi)的釋放也會(huì)將促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。復(fù)合支架材料的降解初期的降解率較低，因此n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合多孔支架材料可以維持在較滿意的力學(xué)強(qiáng)度，為種子細(xì)胞的增殖和分化提供良好的力學(xué)的支撐。降解后期，n-HA/PLLA/Fe2O3納米多孔復(fù)合材料降解逐漸加速，有利于新生骨組織的長(zhǎng)入，適應(yīng)骨組織形態(tài)修復(fù)過(guò)程。因此，通過(guò)低溫快速成型技術(shù)制備的磁性納米多孔n-HA/PLLA/Fe2O3復(fù)合材料具有廣泛的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。

以低溫快速成型技術(shù)支架材料(n-HA/PLLA/ Fe2O3)，支架材料的孔徑及孔隙率達(dá)到預(yù)期值，對(duì)支架材料進(jìn)行檢測(cè)，其力學(xué)性能和降解性能要求，具有良好的骨缺損修復(fù)潛能，本實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在各組比例中，n-HA與Fe2O3的比例為10%時(shí)n-HA/PLLA/Fe2O3多孔復(fù)合材料具有最佳的生物支架材料性能。成型參數(shù)的選擇也是磁性納米多孔復(fù)合支架材料的關(guān)鍵因素之一，因此需要進(jìn)一步研究成型參數(shù)與各個(gè)比例的復(fù)合材料性能的關(guān)系，找到一種最佳的成型參數(shù)，同時(shí)需要通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)磁性納米多孔復(fù)合支架材料的骨缺損修復(fù)效果。

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Performance of magnetic nanocomposite artificial bone scaffolds prepared by low-temperature rapid prototyping 3D printing.

HUANG Jiang-hong1,2,3,XIONG Jian-yi1,2,3,WANG Da-ping1,2,3,DING Wen-bin1,2,3,YOU Wei1,2,3,LIU Wei1,2,3, WANG Da-ming1,2,3,CHEN Jie-lin1,2,3,DUAN Li1,2,3,ZHU Wei-min1,2,3.1.National Key Orthopedic Department,Shenzhen Second People's Hospital,Shenzhen 518035,Guangdong,CHINA;2.Shenzhen Tissue Engineering Key Laboratory,Shenzhen 518035,Guangdong,CHINA;3.Shenzhen Digital Orthopaedic Engineering Laboratory,Shenzhen 518035,Guangdong, CHINA

ObjectiveTo prepare porous magnetic nanocomposite artificial bone scaffolds(n-HA/PLLA/ Fe2O3)using a low-temperature rapid prototyper,and to characterize the properties of the scaffold.MethodsA low-temperature rapid prototyper was applied to fabricate the porous magnetic nanocomposite scaffolds with different mass ratios of n-HA/PLLA/Fe2O3.The medium(ethanol)immersion assay was used to examine the scaffold porosity.Mechanical tests,including bending,compression and elastic modulus,were performed to investigate the scaffold mechanical properties.A scanning electron microscope was used to observe the scaffold microstructures.Phosphate buffer solution (PBS)soaking was performed to study the scaffold degradation behavior by monitoring the changes of pH value and the scaffold mechanical properties.ResultsWith the increase of the n-HA and Fe2O3content,the tensile strength of scaffold gradually decreased,while the elastic modulus increased.The bending strength reached the maximum(111.9 MPa) when the mass fraction of n-HA and Fe2O3was 10%,at which time the scaffold with a porosity of 90%showed a rough fracture surface.The scaffold had a porosity of 83%when the mass fraction of n-HA and Fe2O3was 5%,with a large number of dimples being observed.If the mass fraction increased to 15%,a porosity of 80%was obtained and the facture surface became relatively smooth.In the degradation study,the pH value of the medium decreased with time and the scaffold mechanical properties had certain attenuation.ConclusionThe scaffold of 10%n-HA and Fe2O3obtained better mechanical properties and degradation behavior,which would facilitate the selection of the porous magnetic nanocomposite artificial bone scaffold with best performance.

Low temperature rapid prototyping;3D printing;Magnetic nanocomposite;Artificial bone scaffold

R68

A

1003-6350（2017)04-0525-06

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.04.003

2016-09-19)

廣東省深圳市科技研發(fā)資金項(xiàng)目(編號(hào)：CXZZ20140813160132596)

王大平。E?mail：dapingwang1963@qq.com