生物活性蒙脱石/聚醚醚酮支架的3D打印

李冬英，李品，王浩宇，徐勇，陈玫瑰，杜浩城

(邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422000)

由于事故、疾病、军事训练以及晚年骨质流失、骨修复和骨替换的必要性急剧增加[1-2]。而常规的自体骨移植或异体骨移植具有疾病传播和免疫排斥风险[3-4]。骨组织工程支架为骨缺损修复和替换提供了优质的策略。因此，许多研究人员致力开发用于骨组织支架应用的生物复合材料[5-6]。

聚醚醚酮(PEEK)在骨组织工程中的应用得到越来越多研究人员青睐。PEEK具有优异的机械性能和生物相容性，其弹性模量接近人类皮质骨[7-8]。因此，其被广泛应用于骨组织的承重部位[9]。然而，PEEK具有疏水性和非降解特性，并且具有生物惰性，不利于细胞增殖分化。

蒙脱石(MMT)是一种硅酸盐矿物，具有层状结构[10-11]。MMT的每个单体结构均由2个二氧化硅四面体之间夹着氢氧化铝的八面体片组成“三明治”结构，且表面具有大量的羟基，因此，其具有良好的亲水性和大比表面积，为细胞增殖和分化提供了良好的成核平台[12-13]。已有研究表明：通过在聚合物基质中加入MMT可以改善生物活性。例如，PALUSZKIEWICZ等[14]将MMT加入壳聚糖中，发现与纯壳聚糖相比，复合材料磷灰石层结晶速度要快的多。DONG等[15]采用静电纺丝技术将MMT与聚乳酸(PLA)/聚己内酯(PCL)混合制备复合支架。与PLA/PCL支架相比，成骨样MG-63细胞在复合支架表面突出更多，肌动蛋白荧光染色证实细胞在PLA/PCL-MMT内形成更多的肌动蛋白丝。

近年来，能快速制造复杂形状支架的3D打印技术受到研究者广泛关注[16-18]。SLS是一种粉末烧结自由成型的3D打印技术。在SLS系统中，利用辊子将粉末平铺在粉床上，通过激光可以制备形状明确、多孔结构可控、相互连接的支架[19-20]。其工艺特性为大多数类型的材料制备提供了机会。

本研究将MMT引入PEEK中以增强其生物活性，并采用SLS技术法制备了PEEK/MMT多孔支架。用X射线衍射仪(XRD)分析了MMT对PEEK结晶度的影响。然后，通过矿化实验对其生物活性进行了评估。此外，通过降解和断面形态表征，研究了PEEK/MMT支架的降解行为和力学性能。

1 实验

1.1 实验材料

本研究使用的PEEK粉末(纯度为99.99%)，购自兴旺(东莞)塑料原料有限公司。MMT粉末由拓亿新材料(广州)有限公司提供。

1.2 支架制备

首先，将PEEK和MMT混合。然后，采用激光烧结制备复合支架，见图1。将4.5 g PEEK和0.5 g MMT放入含有去离子水的烧杯中。在连续磁力搅拌下将悬浮液均匀分散1 h，过滤、洗涤3次后收集粉末。最后，将混合粉末在60 ℃的烘箱中烘干，得到预制备支架粉末。

图1 复合粉末制备及支架打印示意图Fig.1 The schematic diagram of the preparation of composite powder and printing of scaffold

使用自制的选择性激光烧结系统制备PEEK和PEEK/MMT这两种样品支架。首先,选用自带软件设计多孔支架模型(Φ10×5 mm3)，将文件转换为STL.格式，然后对STL.文件进行切片，生成激光加工对象。将复合粉末均匀铺展于加工平台上，加工过程中恒定加工参数：激光功率为2.25 W，激光速率为15 mm/s,粉层厚度为0.1 mm，扫描间距为1.00 mm。

1.3 表征

采用XRD(AL-2700B，丹东奥龙射线仪器集团有限公司)分析样品的物相组成，用Cu～Ka辐射，步进角度为0.02°，采样时间为0.3 s，测量范围为3～30°。使用Phenom proX扫描电子显微镜(SEM)(复纳科学仪器(上海)有限公司)，在10 kV的加速电压下对复合材料表面形貌和弯曲断面形貌进行了观察。用安装在SEM上的能量色散光谱仪(EDS)对样品元素组成进行分析。

1.4 生物活性和降解性能

采用模拟体液浸泡PEEK和PEEK/MMT，观察其表面磷灰石的生长情况，评价其生物活性。简而言之，将每种类型的支架的4个样本浸入在37 ℃的动态水浴控制下的模拟体液中浸泡28 d，每2 d更新一次溶液。以预定的时间间隔，针对每种类型的支架，收集样品，洗涤3次，然后,在40 ℃下干燥24 h。最后，利用SEM和EDS检查磷灰石层的形成。

为了研究样品的可降解特性，以PEEK支架作为对照，将4个PEEK/MMT样品支架放在37 ℃和pH值为7.4的磷酸缓冲溶液下浸泡28 d，每2 d更换一次溶液。待浸泡时间完成后，取出洗涤干燥，并使用SEM表征表面形态进一步分析降解特征。

2 结果和讨论

图2(a)～2(c)展示了PEEK，MMT和PEEK/MMT表面形貌。通过SEM可以观察到复合粉末中更小尺寸的MMT附着在PEEK颗粒的表面和周围。通过能谱分析仪对各样品的元素组成进行了分析，见图3。其中，PEEK中C元素占86.41%，O元素占10.77%；MMT中，O元素占72.96%，Si元素占16.64%，Al元素为4.77%，Mg元素占1.58%，Na元素占1.09%。更重要的是，在PEEK/OMMT中，C元素占37.85%，O元素占41.11%，Si元素占11.82%，Al元素占3.31%，Mg元素占0.86 %，Na元素占0.87%。能谱分析结果表明：PEEK/MMT复合材料成功混合。

图2 PEEK，MMT和PEEK/MMT粉末SEM观察及EDS元素分析Fig.2 SEM images and EDS analyses of PEEK, MMT and PEEK/MMT powders

由SLS制造的PEEK/MMT支架见图3。PEEK/MMT支架呈现为棕褐色，侧面有凹陷和突出，但并无分层。0.96 mm孔径均匀分布在支架中，并形成相互连接的多孔结构。支架的微孔对细胞附着和生长、血管和组织向内生长、营养物质运输以及废物排出等方面起到重要作用[21]。

图3 PEEK/MMT支架尺寸和均匀分布的多孔结构Fig.3 PEEK/MMT scaffold size and evenly distributed porous structure

PEEK，MMT和PEEK/MMT支架的XRD衍射分析见图4。PEEK在2θ=18.7°，20.7°，22.9°和28.9°附近有主要特征峰。MMT的层间距衍射峰出现在2θ=5.62°，与(001)基反射相对应[22]。石英的矿物相(PDF卡片01-070-7344)，方解石矿物相(PDF卡片01-085-1108)和菱铁矿矿物相(PDF卡片00-008-0133)被认为是组成MMT的物相[23]。在2θ=20.87°和2θ=26.63°观察到石英的反射，2θ=22.4°和2θ=29.51°观察到方解石的反射，2θ=24.69°观察到菱铁矿的反射。PEEK/MMT复合支架中既出现了PEEK的特征峰，又保留了MMT的特征峰。证实了MMT的存在，且混合和烧结过程并未改变PEEK晶体结构。

图4 PEEK，MMT粉末和PEEK/MMT支架XRD检测图Fig.4 XRD patterns of PEEK, MMT powder and PEEK/MMT scaffold

PEEK和PEEK/MMT支架生物活性评估见图5。在PEEK支架表面基本没有观察到磷灰石的生长，表明PEEK缺乏诱导磷灰石矿化的能力，见图5(a)。然而，PEEK/MMT复合支架上形成了大量聚集的磷灰石,见图5(b)，它们表现出具有典型球状形态，许多类磷灰石生长并几乎覆盖了PEEK/MMT支架的整个表面，形成了厚的磷灰石层。而相应地EDS分析，PEEK/MMT支架的能谱图中具有大量的Ca元素和P元素，这些主要来自生长的磷灰石层。说明复合支架具有良好的磷灰石形成能力，也证明了MMT增强了PEEK基质的生物活性。MMT作为铝硅酸盐陶瓷，具有较大比表面积提供了磷灰石生长平台，此外，MMT具有良好亲水性，刺激了磷灰石的生长[24]。因此，PEEK/MMT支架具有好的生物活性。

图5 PEEK和PEEK/MMT支架矿化表面形貌Fig.5 The surface mineralization of PEEK and PEEK/MMT scaffolds

图6显示了PEEK和PEEK/MMT支架的断裂面形貌。PEEK支架的断裂表面显示出脆性断裂的特征，而没有明显的塑性变形,见图6(a)。但PEEK/MMT复合支架的断裂表面表现出相对粗糙且不规则的表面，且基体具有韧性变形,见图6(b)。以往研究也表明：当断裂表面到达填料颗粒时，填料颗粒周围的PEEK分子将被拉伸，直至断裂。牢固的界面结合会消耗大量的断裂能，从而将断裂模式从脆性转变为韧性断裂[25]。

图6 PEEK和PEEK/MMT支架断裂面形貌Fig.6 The fracture surface morphology of PEEK and PEEK/MMT scaffolds

在磷酸缓冲溶液浸泡实验中，通过支架形貌的变化研究了PEEK和PEEK/MMT支架的降解特性。如图7所示，PEEK支架作为对照组，基本没有产生降解。PEEK/MMT支架出现了密集的孔洞，这归因于MMT烧结不完全，并脱落形成了孔洞，这些孔洞可能加速PEEK降解。

图7 PEEK和PEEK/MMT支架降解实验的表面形貌Fig.7 The surface morphology of PEEK and PEEK/MMT scaffolds degradation experiments

通过失重率进一步评估PEEK和PEEK/MMT支架的降解性能，见图8。在整个降解过程中，PEEK支架的失重率极其微小，为0.12%。与同期的PEEK支架相比，PEEK/MMT支架在浸泡28 d后具有更大失重率，为1.29%。

图8 PEEK和PEEK/MMT支架浸泡28 d后的失重率Fig.8 The weight loss rate of PEEK and PEEK/MMT scaffold after 28 days of immersion

3 结论

本研究将MMT引入PEEK基质中，并利用SLS制备了PEEK/MMT支架， 以提高PEEK支架的生物活性。结果表明:MMT的加入不仅增强了PEEK/MMT支架的亲水性，其大比表面积还为磷灰石生长提供了平台。在复合支架中断裂过程中，MMT的剥离和滑移使得能量消耗增加，支架断裂方式由脆性断裂转向韧性断裂。此外，由于复合支架中MMT烧结不完全，在PEEK中造成脱落孔洞，这些孔洞对加速降解可能具有积极影响。