聚乳酸⁃羟基乙酸共聚物涂层对聚乳酸3D打印支架的性能影响

汪 杰，张伟蒙，胡 晶

（北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048）

0 前言

PLA材料由于生物降解性能良好，且抗压强度（2～39 MPa）与天然骨（2～12 MPa）相似［1］，是骨支架制备中的一种常用选择［2］。PLA虽然具有优良的力学性能，但在骨组织工程支架应用过程中也存在着诸如韧性、亲水性、生物相容性差等缺点影响了骨支架的性能，这也成为目前PLA骨支架的研究热点问题。MONDAL等［3］采用3D打印技术制备了PLA支架，并对支架表面进行羟基磷灰石（HA）修饰，细胞相容性及力学性能测试结果表明，纳米HA修饰后的PLA支架具有优异的细胞黏附性能。Bouyer等［4］采用FDM技术制备PLA支架，该支架涂有一层提供成骨生物活性分子（BMP⁃2）的聚电解质膜，通过比较计算机断层扫描、微计算机断层扫描与自体骨移植的结果，骨在支架内均匀形成，骨修复效果与自体骨相同。Kao等［5］制备了聚多巴胺（PDA）涂层的PLA 3D支架，来调节人脂肪源性干细胞（hADSCs）的细胞黏附、增殖和分化，与未修饰的PLA支架相比，经PDA涂层的PLA支架上hADSCs能够更好地黏附和生长，细胞分泌的I型胶原蛋白增加。Wang等［6］采用3D打印技术和顺序浸渍法制备了PDA⁃PLA包覆硅酸钙（PDA⁃PLA⁃CS）支架。所制备的PDA⁃PLA⁃CS支架具有良好的亲水性。与无涂层支架相比，PDA⁃PLA⁃CS支架的力学性能显著提高。此外，PDA⁃ PLA⁃ CS支架表面的PDA的存在对细胞的扩散起到了积极的作用，但涂覆支架的界面相容性仍需要改善。

PLGA具有良好的生物相容性和可调节的生物降解性，且已获美国食品和药物管理局 （FDA） 批准用于临床应用［7］。PLGA的3D支架能够为肌腱细胞及细胞基质提供良好的生长空间，促进肌腱细胞的生长或再生，减少肌腱黏连，促进肌腱愈合［8］。PLGA在力学性能上的单轴拉伸性能、压缩性能、三点弯曲性能测试等方面上比PLA更能体现出明显优势［9］。

本研究采用3D打印技术制备PLA支架，使用浸涂法在支架表面修饰了PLGA涂层。研究了包覆溶液浓度对PLA/PLGA复合支架的断面微观形貌、力学性能、亲水性和表面细胞活性性能等方面的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA线材，直径为1.75 mm，深圳光华伟业股份有限公司；

PLGA，摩尔比为1∶9，中科院长春应用化学研究所；

六氟异丙醇，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

胰酶，143188，兰杰柯科技有限公司；

磷酸盐缓冲液（PBS），WH0112201911XP，武汉普诺赛生命科技有限公司 ；

αMEM培养基，C12571500BT，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；

胎牛血清，04⁃007⁃1A，广州一科生物科技有限公司；

小鼠胚胎成骨细胞前体细胞，MC3T3⁃E1，赛百慷（上海）生物技术股份有限公司；

活细胞染色试剂盒，BB⁃4126，上海贝博生物科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

3D打印机，RAISE3D N2，上海复志信息技术有限公司；

万能试验机，XJF⁃5，承德市金建检测仪器有限公司；

磁力搅拌器，ZNCL⁃TS500，上海兴创仪器有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），Quanta FEG 250，上海铸金分析仪器有限公司；

视频光学接触角测量仪，OCA35，北京奥德利诺仪器有限公司；

CO2恒温培养箱，WIGGENSWCI⁃180，北京桑翌实验仪器研究所；

超净工作台，SW⁃CJ⁃2FD，上海笃特科学仪器有限公司；

离心机，TD5，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；酶标仪，SPARK 10M，帝肯贸易有限公司；激光共聚焦显微镜，FV1200，奥林巴斯有限公司；细胞计数试剂盒⁃8（CCK⁃8），IV08⁃100，上海创凌生物科技有限公司。

1.3 样品制备

使用Solid Works（3D）绘制3D支架模型，采用Idea Maker软件对3D模型进行切片，打印速度为50 mm/s，喷头温度为 215 ℃，热床温度为 60 ℃，支架填充率为100 %，支架体积为12 mm×12 mm×8 mm。称取不同质量的PLGA放入六氟异丙醇（CH3COOC2H5）溶剂中，用磁力搅拌器在30 r/min转速下、50 ℃下搅拌120 min，待PLGA完全溶解，制备质量分数分别为2 %、4 %、6 %、8 %的PLGA溶液。PLGA溶液在PLA支架上均匀地淋洒2次，将支架放入真空干燥箱中，50 ℃下干燥48h得到不同浓度PLGA包覆的支架。

1.4 性能测试与结构表征

压缩性能测试：按照GB/T 1041—2008进行测试，加载速度为 1 mm/min，定量压缩4 mm，每种浓度包覆支架选取 5个样品，样品压缩方向为3D打印模型的Z轴方向；

SEM测试：各支架通过液氮脆断获得横截面，将样品的断面置于15 kV的工作电压下进行喷金处理，测试脆断断面的表面形貌，加速电压为10 kV，放大倍率为50倍和1 000倍；

表面水接触角测试：采用表面接触测定仪测量样品的静态水接触角，将检测支架样本放在试样台上，将1 μL蒸馏水滴落在待测支架样本上，每个样本选取5个测试点位，测3个样品，取平均值作为测定结果；

2 结果与讨论

2.1 表面形貌分析

组织工程支架的孔结构对细胞的黏附、迁移和增殖有重要的影响，尤其孔径大小和分布在很大程度上决定了细胞在支架材料中迁移和生长的活性［10］。图1（a）、（c）、（e）、（g）分别为质量分数为2 %、4 %、6 %、8 %PGLA溶液包覆后支架的断面形貌，图1（b）、（d）、（f）、（h）是相应的局部放大1 000倍的形貌。可以清晰地观察到支架内部通孔在包覆后连通性良好，支架孔径可在1 200 μm左右，由于宿主细胞从骨髓迁移和邻近成骨细胞迁移，需要一个相互连接的通道结构以允许组织在其上生长［11］。较大的孔径支架具有良好的血管化，涂覆均匀且不会阻塞孔隙［12］。这为细胞在支架材料中迁移、生长以及动物体内和体外实验的可行性提供保障。包覆溶液质量分数为2 %的PLA支架如图1（a）所示，支架已经被包覆，因为溶液浓度低、黏度较低，包覆溶液在支架表面明显分层，黏附力较差；包覆溶液质量分数为4 %的PLA支架如图1（c）所示，有局部分层；包覆溶液质量分数为6 %的PLA支架，如图1（e）所示，可观察到支架和涂层黏结较紧，未见明显边界；包覆溶液质量分数为8 %的PLA支架，如图1（g）所示，没有分层。图1（b）和（d）中涂层与支架表面存在明显的间距；图1（f）中随着溶液浓度的升高，黏度变大，包覆溶液与支架表面无开裂现象，缝隙间距减小；图1（h）中因黏度适中包覆溶液与支架表面未有明显两相，PLA与PLGA相容性较好，其相界面结合紧密，支架的整体性最佳。

图1 PLGA溶液包覆PLA支架的SEM照片Fig.1 Surface section morphology of PLA scaffold coated with PLGA solution

图2 （a）、（c）、（e）、（g）分别为质量分数为2 %、4 %、6 %、8 %PGLA溶液包覆后支架压缩后的断面形貌，图2（b）、（d）、（f）、（h）是其相应放大的1 000倍的局部图。包覆溶液质量分数为2 %、4 %的PLA支架压缩后，如图2（b）、（d）所示，涂层与支架有明显的剥离现象，在应力集中的地方出现了一些细小的裂纹；包覆溶液质量分数为6 %、8 %的PLA支架压缩后，如图2（e）所示，涂层与支架表面未发生剥离现象，包覆溶液质量分数为8 %的PLA支架压缩后，如图2（g）所示，由于支架力学性能的降低，支架产生较大裂纹。综上所述，包覆溶液质量分数为6 %的PLA支架，包覆效果最好。

2.2 力学性能分析

相界面结合在复合材料中具有相当重要的意义，其对材料性能有直接的影响，若界面结合不好，复合材料很容易形成局部松弛而导致应力集中和材料的强度性能降低［13］。实验制备了PLGA质量分数分别为0、2 %、4 %、6 %、8 %的PLA/PLGA复合支架进行压缩试验，压缩强度测试结果如图3所示，包覆了质量分数为2 %的PLGA的PLA支架与未包覆PLGA的PLA支架相比，支架的压缩强度从29.2 MPa下降至22.9 MPa。当包覆溶液浓度为4 %时，溶液黏度提高，支架表面PLGA涂层包覆更加均匀，试样压缩强度较2 %溶液包覆略有上升；当包覆溶液浓度增加至6 %和8 %时，溶液黏稠，表面包覆均匀，但溶剂挥发更加困难，8 %溶液压缩强度最低为21.6 MPa，但仍高于人体松质骨最高承载要求12 MPa。PLA支架包覆不同浓度的PLGA溶液后其压缩强度都有所下降，这是由于在制备支架过程中无法完全除去有机溶剂［14］，造成PLGA涂层力学性能下降，且PLGA和PLA的界面表现出大尺寸的宏观分离，界面黏结松散，导致PLA/PLGA复合支架压缩强度有所降低。

图3 不同浓度PLGA溶液包覆PLA支架的压缩强度Fig.3 Compression strength of the PLA scaffold coated with different concentrations of PLGA solution

2.3 表面亲水性分析

亲水性是反应物质表面性质的重要性能，研究固体材料亲疏水性时，接触角测试法是一种常见的表征方法［15］。

支架表面的亲水性是影响材料与细胞支架最初相互作用行为的关键因素之一，研究表面支架表面的亲水性是细胞依附和蛋白质通过的重要属性［16］。接触角广泛用于评估支架的表面亲水性，对PLGA质量分数为0、2 %、4 %、6 %、8 %5组支架分别进行接触角测试，结果如图4所示。由图可知，PLGA质量分数为2 %、4 %、6 %、8 %的复合支架接触角均低于70 °，相对于PLA支架接触角降低。随着包覆溶液浓度的升高，接触角有下降的趋势，其中，包覆质量分数为6 %PLGA的支架接触角为（64.7±1.1） °，包覆溶液浓度为8 %时，由于溶液较黏稠影响了表面包覆质量，接触角有所升高。PLA由单体乳酸聚合而成，其分子骨架中富含疏水性的酯键，缺乏亲水性基团，因而PLA的疏水性较强［17］。说明表面包覆处理提高了支架材料表面的亲水性能。原因之一可能是包覆处理对支架表面形貌的改变；从图1中发现，表面包覆后的支架表面变得粗糙不平，引起的比表面积增大，表面能增大，表面吸附能力增大，从而表现出对水分子更强的吸附能力［18］。其次，表面包覆赋予了表面有更多的亲水性官能团—OH的改善。因此复合材料的亲水性得到提高，材料具有更好的亲水性，有利于细胞的黏附。

图4 不同浓度PLGA溶液包覆PLA支架的水接触角Fig.4 Water contact angles of the PLA scaffold coated with different concentrations of PLGA solution

2.4 支架表面的细胞活性及黏附

图5 支架表面的细胞活性及细胞Live染色Fig.5 Cell activity and adhesion on the scaffold surface

3 结论

（1）相比未包覆的PLA支架，PLGA涂层质量分数为 6 %的支架接触角由（81.1±0.4） °降至（64.7±1.1） °，亲水性有明显提升，有利于成骨细胞的增殖、依附和蛋白质的交换；

（2）包覆不同浓度PLGA的支架整体压缩强度减小，但压缩强度均大于人体松质骨最高承载要求12 MPa；

（3）PLA/PLGA复合支架表面涂层促进了支架表面的细胞增殖，且6 %浓度的PLGA涂层细胞活性最高。