王文曉，李俊儒，李欣琳，張傳偉，何田，王曉，張鵬飛

(1.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071； 2.青島大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，山東青島 266071)

由于骨折、腫瘤或骨質(zhì)退變等情況引起的骨缺損及其相關(guān)疾病，已經(jīng)成為危害人類身體健康、降低人們生活質(zhì)量的一大問(wèn)題，而骨缺損修復(fù)仍然是一個(gè)巨大的臨床挑戰(zhàn)[1-2]。目前，自體骨移植和同種異體骨移植被廣泛應(yīng)用于骨缺損的治療。但這些技術(shù)都有其不可避免的缺點(diǎn)，如供體短缺、手術(shù)復(fù)雜、潛在的疾病傳播和排斥反應(yīng)等，使得骨移植手術(shù)往往難以達(dá)到理想的療效[3-5]。

因此骨組織植入物的研究對(duì)于骨缺損患者十分重要，組織工程研究為解決這類問(wèn)題提供了一大途徑，骨組織工程在開(kāi)發(fā)具有更好力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性和骨誘導(dǎo)性的骨替代材料方面具有巨大的潛力[6]。組織工程學(xué)的主要目的是設(shè)計(jì)生物支架，用以修復(fù)、維持或改善因創(chuàng)傷或疾病造成的組織損傷而破壞的組織功能及其臨床應(yīng)用[7]，將骨組織工程支架植入缺損部位，使細(xì)胞可以附著在支架上并進(jìn)行增殖、分化，長(zhǎng)成新骨[8]。多孔結(jié)構(gòu)支架具有良好的承重耐性和減震吸能效果，可以通過(guò)調(diào)整多孔結(jié)構(gòu)和尺寸來(lái)控制其力學(xué)性能，使得植入假體的模量與人骨相匹配，從而避免應(yīng)力遮擋，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)也有利于物質(zhì)交換，促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化，加快骨修復(fù)的過(guò)程[9]。

為了獲得理想的支架多孔結(jié)構(gòu)，選擇合適的成型工藝是關(guān)鍵。目前，傳統(tǒng)的支架制備方法，如靜電紡絲、顆粒浸出、冷凍干燥等，很難精確控制孔的大小、孔隙率、孔形狀和孔的連通性，構(gòu)建的多孔結(jié)構(gòu)支架的微觀結(jié)構(gòu)是不可控的[10]，而且制備過(guò)程復(fù)雜，殘留的溶劑難處理，給后續(xù)的實(shí)驗(yàn)造成了很多的不方便[11-12]。3D打印可以通過(guò)層層堆疊的方式將材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)的模型變成實(shí)物，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以得到與設(shè)計(jì)幾乎完全相同的多孔支架，人們可以準(zhǔn)確控制支架的孔結(jié)構(gòu)和尺寸，而且還可以根據(jù)不同患者的具體情況，實(shí)現(xiàn)骨支架的微觀內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)和宏觀外形尺寸的個(gè)性化制備[13]。

當(dāng)材料的性能與宿主骨組織匹配后，微孔形狀細(xì)微變化對(duì)成骨細(xì)胞的黏附和增殖有很大影響。Arun等[14]對(duì)孔隙率為68.46%～90.98%的六種支架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、滲透性和應(yīng)力集中進(jìn)行了全面研究，結(jié)果表明，孔形狀影響Ti6Al4V骨支架的透氣性、剛度、強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)。Bael等[15]研究了局部曲率和孔洞形狀，結(jié)果表明鈍角比銳角更容易引起細(xì)胞堵塞。Kanhed等[16]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制支架的孔隙分布，HAP生物陶瓷復(fù)合支架的力學(xué)和生物學(xué)性能得到顯著改善?？到ǚ宓萚17]提出了基于3D打印的可變模量金屬假體微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的多孔微結(jié)構(gòu)有效降低了金屬假體模量，緩解了應(yīng)力遮擋。

筆者設(shè)計(jì)了獨(dú)特的正四面體自鎖多孔支架模型，采用熱塑性材料PLA作為原材料，通過(guò)FDM 3D打印技術(shù)制備出形貌規(guī)則、具有不同孔隙率的骨組織工程支架，對(duì)支架的表面形態(tài)、孔隙率、水接觸角、吸水率進(jìn)行了表征，并對(duì)支架的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PLA粒：分子量100 000，4032D，美國(guó)Nature‐Works公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

FDM 3D打印機(jī)：HORI Z400型，北京匯天威科技有限公司；

超景深視頻顯微鏡：DVM6型，新加坡徠卡公司；

光學(xué)接觸角及3D形貌測(cè)量系統(tǒng)：Theta型，瑞典Biolin公司；

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：WDM-100型，山東科測(cè)測(cè)試技術(shù)有限公司。

1.3 多孔支架的設(shè)計(jì)

自鎖(SIL)多孔結(jié)構(gòu)在減重、絕緣、能量耗散和吸收沖擊能量方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[18]，傳統(tǒng)的SIL結(jié)構(gòu)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但是不能承受面內(nèi)載荷[19]。通過(guò)FDM 3D打印技術(shù)，可以改進(jìn)SIL結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而使SIL結(jié)構(gòu)能夠承受面內(nèi)應(yīng)變。與傳統(tǒng)的單元裝配方式不同，筆者新設(shè)計(jì)的3D打印SIL結(jié)構(gòu)是根據(jù)支桿之間的連接生成的。

SIL結(jié)構(gòu)的示意設(shè)計(jì)如圖1所示。在圖1a中，l和t分別代表四面體單元的支桿長(zhǎng)度和厚度。該設(shè)計(jì)由一些相同的單元以特定的模式連接而成，四面體形狀的單元被組裝成立體支架結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)單獨(dú)的單元被其相鄰的單元固定在特定的位置。使用拓?fù)銼IL組件的優(yōu)勢(shì)之一是避免應(yīng)力集中，對(duì)集中力承載能力的研究指出，單個(gè)單元的失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支架的失效[20]，這表明四面體支架具有缺陷容限。

圖1 自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

先前研究表明，孔徑對(duì)支架中細(xì)胞的生長(zhǎng)有顯著影響，平均孔徑尺寸范圍從200 μm至1 000 μm被認(rèn)為是最佳的尺寸[21]。筆者設(shè)計(jì)的正四面體多孔支架，每個(gè)單元邊長(zhǎng)l為2.0 mm，其孔隙率分別為40%，45%，50%，55%，60%，能夠保證孔徑尺寸t處于200~1 000 μm的范圍內(nèi)。單元數(shù)量為5× 5× 6，這樣，支架整體尺寸為10.0 mm× 10.0 mm×9.8 mm。

1.4 多孔支架的制備

使用工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)基于FDM工藝打印3D多孔支架。首先利用三維建模軟件建立多孔支架的三維模型，以STL格式輸出，并將處理好的STL文件在切片軟件中進(jìn)行位置擺放與打印參數(shù)調(diào)整，之后進(jìn)行切片，將切片好文件以gcode格式輸出，將gcode文件輸入3D打印機(jī)用于支架模型打印。將PLA顆粒放入真空烘箱中80 ℃干燥12 h，然后通過(guò)單螺桿擠出機(jī)熔融擠出，單螺桿溫度為190 ℃，牽引成直徑為(1.75±0.05) mm的3D打印用線材。打印頭工作溫度設(shè)置為210 ℃，打印板工作溫度為40 ℃，層厚為0.05 mm，打印速度為40 mm/s，此外，設(shè)置透水底墊，使打印好模型容易從平臺(tái)上取下。

常見(jiàn)的打印噴嘴的直徑一般為0.2 mm、0.4 mm，而筆者設(shè)計(jì)的支架每個(gè)單元的支桿厚度很小，我們需要直徑更小的噴嘴，所以選擇了直徑為0.1 mm的打印噴嘴，如圖2所示。但是由于所能找到的噴嘴裝配方式與現(xiàn)有打印機(jī)并不匹配，所以對(duì)打印噴頭和限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行了改進(jìn)，利用不銹鋼高壓內(nèi)絲直通來(lái)連接噴嘴和喉管，并且對(duì)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行了加長(zhǎng)。最終可以順利打印出筆者設(shè)計(jì)的支架模型。

圖2 打印噴嘴

1.5 樣品表征

(1) 形態(tài)分析。

利用超景深視頻顯微鏡觀察支架的表面結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

(2) 孔隙率測(cè)量。

PLA多孔支架的孔隙率可以利用稱重法計(jì)算得出：

式中：ω為PLA支架的孔隙率；W0為實(shí)心PLA立方體的質(zhì)量；W1為PLA支架的質(zhì)量。

(3) 親水性測(cè)試。

用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試5組支架的水接觸角，分析各組支架的親水性能。為了測(cè)試支架的吸水性能，將制備的支架置于燒杯中，并向每個(gè)燒杯中加入適量蒸餾水至完全浸沒(méi)支架。通過(guò)比較吸水前后的質(zhì)量差異，比較各組支架之間的吸水性能，以吸水后1，2，3 h為測(cè)試時(shí)間節(jié)點(diǎn)。吸水率計(jì)算為：

式中：m為PLA支架的吸水率；M0為支架吸水前的質(zhì)量；M1為支架吸水后的質(zhì)量。

(4) 力學(xué)性能。

通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試多孔支架的力學(xué)性能。按GB/T 1041-2008 對(duì)5組3D PLA支架(10.0 mm× 10.0 mm× 9.8 mm)分別進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，使用的傳感器為100 kN稱重傳感器，進(jìn)給速度設(shè)置為1 mm/min。輸入實(shí)際面積，輸入支架高度，手動(dòng)調(diào)節(jié)壓床高度，記錄支架的力-位移曲線，根據(jù)支架的高度和表面積計(jì)算得到支架的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算支架的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量。

2 結(jié)果與討論

2.1 支架形態(tài)

圖3為支架的表面形態(tài)圖。由圖3可以看出，整個(gè)支架呈現(xiàn)比較規(guī)則的逐層結(jié)構(gòu)，能觀察到明顯的正四面體結(jié)構(gòu)。但是，在正四面體單元大小一致的情況下，單元孔徑越大，支桿越細(xì)，支架的成型狀況就越差，對(duì)設(shè)計(jì)圖的還原度就越低，這是由于打印機(jī)精度限制的原因，暫時(shí)無(wú)法解決。在支架成型的過(guò)程中，最不容易打印的部分為兩個(gè)正四面體單元頂點(diǎn)相互接觸處，因?yàn)榇颂帪槟Ｐ偷募舛瞬糠郑叽缣?，打印機(jī)就無(wú)法完全還原。

圖3 支架的表面形態(tài)圖

現(xiàn)在3D打印可以制造具有不同結(jié)構(gòu)、孔徑、孔隙率和可控方向的復(fù)雜支架，這些是傳統(tǒng)生物制造方法難以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)Solidworks軟件創(chuàng)建正四面體自鎖多孔支架的原型設(shè)計(jì)，每個(gè)正四面體單元的邊長(zhǎng)為2 mm，支桿厚度為250～330 μm，而且與水平面并不平行。然而，由于擠出打印噴嘴中的高壓阻力，擠出打印方法的最小打印特征分辨率通常超過(guò)100 μm。在形成具有高孔隙率的3D結(jié)構(gòu)時(shí)，快速和連續(xù)的移動(dòng)-停止過(guò)渡極大地限制了當(dāng)前普通商用3D打印機(jī)的精度和打印分辨率。而且現(xiàn)有的FDM 3D打印機(jī)采用的是在多個(gè)水平面上進(jìn)行掃描，然后層層堆疊的方式進(jìn)行打印的，并不是完全意義上的3D打印，對(duì)于微小的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型效果很差。因此，具有較大尺寸的正四面體支架可以通過(guò)3D打印機(jī)輕松生產(chǎn)，但目前的3D打印方法還無(wú)法完全還原這種微小尺寸的正四面體支架。

2.2 支架孔隙率

不同組別支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及其實(shí)際制得支架的孔隙率見(jiàn)表1。由實(shí)際測(cè)得的支架的孔隙率數(shù)據(jù)可得，支架整體的孔隙率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)單元的孔隙率的，這是因?yàn)橹Ъ懿⒉皇怯烧拿骟w單元完全充滿的，由于SIL正四面體單元獨(dú)特的裝配方式，導(dǎo)致在支架中還存在很多其他的空隙。另外，隨著設(shè)計(jì)的單元孔隙率增大，雖然支架的孔隙率也隨之增大，但是增大幅度漸漸減小，其原因有兩個(gè)，一是正四面體單元的外部尺寸固定，單元之間的空隙不隨孔徑的增大而增大，二是打印工藝的限制，隨著支桿厚度的減小，導(dǎo)致支架的還原度降低。

表1 支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔隙率

2.3 親水性

親水性是組織工程支架的重要指標(biāo)之一，它直接影響細(xì)胞在支架上的黏附率。圖4顯示了5組支架的接觸角測(cè)試。由圖4可以看到，隨著支架中孔隙率的增加，5組支架的接觸角分別為120.52°，123.66°，136.94°，123.68°，119.55°，并無(wú)顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。筆者認(rèn)為孔隙率的變化并不會(huì)改變支架的親水性，事實(shí)上支架的親水性主要與材料本身的屬性有關(guān)。

圖4 PLA各組支架接觸角照片

表2為5組支架分別在1，2，3 h的吸水質(zhì)量百分比。從表2可以看出，隨著孔隙率的增加，支架的吸水性能也相應(yīng)提高。此外，5組支架在1，2，3 h的吸水率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，筆者認(rèn)為高孔隙率可以提高支架的吸水性能，加強(qiáng)支架內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，促進(jìn)細(xì)胞增殖。

表2 支架的吸水率 %

2.4 力學(xué)性能

支架的力學(xué)性能是其能否用于骨組織工程的重要指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，支架的力學(xué)性能受支架的材料成分和結(jié)構(gòu)的影響，筆者重點(diǎn)研究孔隙率對(duì)其力學(xué)性能的影響。

圖5為5組不同孔隙率的正四面體SIL多孔支架在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。5組支架在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相同，都經(jīng)歷了同樣的3個(gè)階段：階段一為彈性變形階段，此時(shí)壓縮過(guò)程剛剛開(kāi)始，組成支架的正四面體單元支桿發(fā)生彈性變形，應(yīng)力較小，應(yīng)變范圍變化也不大，且曲線上升趨勢(shì)逐漸變緩；階段二為平臺(tái)應(yīng)力階段，曲線上升趨勢(shì)更加緩慢，并無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，支架的吸能效果明顯，這是因?yàn)橹Ъ軆?nèi)部的部分正四面體單元支桿所受應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度后開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，但是由于支架中多孔結(jié)構(gòu)的存在，支桿在發(fā)生塑性變形后彼此并不會(huì)馬上接觸；階段三曲線上升加快，能量吸收能力下降明顯，由于應(yīng)變量隨時(shí)間持續(xù)增大，支架的空隙逐漸變小，四面體單元的支桿彼此接觸，整個(gè)支架接近于實(shí)心。

圖5 不同孔隙率的正四面體PLA多孔支架的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)壓縮實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析可以看出，正四面體自鎖多孔支架具有優(yōu)秀的承重性能和吸能效果。除此以外，從一層到另一層是連續(xù)斷裂的，當(dāng)頂層破壞時(shí)，底層完好無(wú)損，層狀結(jié)構(gòu)有助于提高能量吸收能力，且可防止整體性破壞。

一般來(lái)說(shuō)，孔隙率的逐漸增加會(huì)導(dǎo)致支架的機(jī)械性能變差。需要確定不同孔隙率下支架的力學(xué)性能大小。壓縮強(qiáng)度是在壓縮實(shí)驗(yàn)中，試樣破裂前所承受的最大壓縮應(yīng)力，壓縮彈性模量是材料在彈性變形階段所受壓縮應(yīng)力與應(yīng)變之比。圖6和圖7分別為不同孔隙率的正四面體SIL多孔支架的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。由圖6和圖7可知，隨著孔隙率的增加，支架的壓縮強(qiáng)度逐漸減小，壓縮彈性模量也隨之降低。

圖6 PLA多孔支架壓縮強(qiáng)度

圖7 PLA多孔支架壓縮彈性模量

關(guān)節(jié)軟骨是一種多組分單元，主要由三種組織成分組成：關(guān)節(jié)軟骨、鈣化軟骨以及軟骨下骨，在壓縮變形中，相較于軟骨，軟骨下骨具有較強(qiáng)的壓縮強(qiáng)度，具備與松質(zhì)骨相近的力學(xué)強(qiáng)度，起主要的承重作用，其壓縮強(qiáng)度為4～12 MPa，壓縮彈性模量為27～46 MPa，制得的PLA支架里組1的力學(xué)性能(壓縮強(qiáng)度為6.27MPa，壓縮彈性模量為33.25MPa)與其最為匹配。

3 結(jié)論

采用FDM 3D打印方法，制備了一種新型的正四面體自鎖多孔支架，探究了支架的表面形態(tài)、孔隙率和力學(xué)性能，得到以下結(jié)論：

(1) 制備得到的支架基本還原了設(shè)計(jì)圖，整個(gè)支架表現(xiàn)為逐層結(jié)構(gòu)，能觀察到比較清晰的正四面體單元，由于現(xiàn)有的打印機(jī)和打印工藝的限制，對(duì)于這種孔洞結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的多孔支架，達(dá)不到對(duì)設(shè)計(jì)圖的完全還原，但是相比較于傳統(tǒng)的支架制備方法，如靜電紡絲、冷凍干燥等，已經(jīng)可以很好實(shí)現(xiàn)對(duì)支架孔的形狀和大小的控制。

(2) 3D打印得到的支架孔隙率為71.25%，76.75%，80.47%，82.48%，83.28%，保持了比較高的孔隙率，有利于支架的輕量化、物質(zhì)交換和細(xì)胞生長(zhǎng)。

(3) 支架的孔隙率不會(huì)對(duì)其水接觸角產(chǎn)生影響，但會(huì)提高其吸水性能，從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化。

(4) 支架具有良好的承重耐性和減震吸能效果，并且多層結(jié)構(gòu)可防止整體性破壞。通過(guò)調(diào)整支架的孔隙率，可以對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行控制，使其與人骨的力學(xué)性能更加匹配，隨著孔隙率的增加，支架的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量逐漸降低。5組不同孔隙率支架的壓縮強(qiáng)度分別為6.27，3.53，2.29，1.64，1.24 MPa，壓縮彈性模量分別為33.25，19.23，16.33，13.92，11.99 MPa。其中在制備得到的5組支架中，組號(hào)為1的支架的力學(xué)性能與人體軟骨下骨的力學(xué)性能較為符合，能夠有效地緩解植入物與人骨的應(yīng)力遮擋。