＊張鶴鳴 張建飛 周子雄 李宗漢

（邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院 湖南 422000）

引言

人體骨缺損一直以來是骨組織工程領(lǐng)域和臨床治療的難點(diǎn)，受人們的關(guān)注度很大。由于自體骨取得渠道不多，會存在排異反應(yīng)，而人工骨在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了一種溫和、便捷的方式，減輕了骨缺損患者的疼痛煎熬，由此聚己內(nèi)酯在骨組織修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用很大。

聚己內(nèi)酯[1]（Polycaprolactone，PCL）是一種有機(jī)高分子材料，熔點(diǎn)低、有一定的生物相容性[2]，廣泛應(yīng)用于骨組織工程領(lǐng)域，是骨組織工程支架中常用的材料。在骨組織工程支架聚合物材料中，聚己內(nèi)酯具有低熔點(diǎn)（60℃）、低溫成型、成本低[3]的優(yōu)點(diǎn)，因此使用聚己內(nèi)酯進(jìn)行實驗。

硅藻土[4]（Diatomite，DE），由數(shù)億年前硅藻的化石殘骸組成，硅藻土由具有二氧化硅細(xì)胞壁的單細(xì)胞水生生物殘骸組成，它是一種無定形的二氧化硅骨架。硅藻土細(xì)胞壁上微孔排列較為規(guī)律，具有十分良好的物理特性。常用于助濾劑、增強(qiáng)填料和藥物輸送等領(lǐng)域[5]。它有可能成為骨支架的有效材料。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）[6]是3D打印的一種技術(shù)，原理是用激光光束，通過電腦分切面，選擇當(dāng)前界面燒結(jié)粉末，通過調(diào)節(jié)激光功率等工藝制備出聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架。本文采用SLS技術(shù)制備了一種聚己內(nèi)酯/硅藻土復(fù)合多孔骨支架，通過SEM、失重率和pH值檢測，表征了浸泡在磷酸緩沖液（PBS）中的降解性能能力。具體研究了聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架的力學(xué)性能、顯微鏡下的形貌、降解的質(zhì)量損失和pH值。

1.實驗部分

(1)實驗原材料

聚己內(nèi)酯（瑞典佩什托普粉末，東莞市遠(yuǎn)成塑化原料有限公司代理），熔點(diǎn)為59～61℃，密度為1.146g/mL。硅藻土助濾劑（靈壽縣德行礦產(chǎn)品有限公司）。磷酸緩沖液（PBS）（0.1M，pH=7.4）（福州飛凈生物科技有限公司）進(jìn)行降解實驗。

(2)聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架制備

聚己內(nèi)酯和硅藻土粉末經(jīng)過稱量，通過磁力攪拌，取出濕粉末再用干燥箱干燥后研磨，最后得到硅藻土0%、3%、5%、7%、9%五種比例的混合粉末。聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架制備流程圖如圖1所示，通過電腦軟件生成多孔支架模型，軟件會自動進(jìn)行切割截面的處理。接著，通過鋪粉輥，將聚己內(nèi)酯/硅藻土粉末從供應(yīng)平臺傳送到粉末燒結(jié)平臺。在此過程中，需要設(shè)定11%的激光功率、500mm/s的打印速度、0.1mm的線間距以及交叉打印的參數(shù)。一層粉末經(jīng)過印刷激光掃描燒結(jié)。鋪粉輥會自動鋪上下一層所需打印的粉末。燒結(jié)的支架尺寸為Φ10mm，厚10mm。

圖1 聚己內(nèi)酯/硅藻土復(fù)合骨支架制備示意圖

(3)pH與降解實驗

在37℃的PBS溶液中浸泡，將聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架放入試管中，分別進(jìn)行7d、14d、21d、28d的PBS緩沖液的浸泡（降解實驗），PBS緩沖液每7d更換一次。在聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架進(jìn)行浸泡前的干燥樣品稱重為M0。達(dá)到相應(yīng)天數(shù)時，將聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架取出，樣品經(jīng)蒸餾水沖洗，放入干燥箱中40℃干燥24h，干燥后的樣品記為Mt。在更換PBS緩沖液時，測試前7d PBS溶液的pH值。樣品的失重率（ML）通過公式（1）計算。

(4)主要實驗儀器

電子天平（型號JE-2002）用于對聚己內(nèi)酯/硅藻土粉末和聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架重量的稱量。用噴金儀（型號為JS-1600）進(jìn)行表面金離子濺射。力學(xué)測試儀（型號為ZQ-990LA）進(jìn)行拉伸測試。干燥箱（型號為101-3AS）進(jìn)行聚己內(nèi)酯/硅藻土粉末和聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架的干燥工作。X射線衍射儀（XRD）（型號AL-2700B）對樣品進(jìn)行衍射角度分析。

(5)統(tǒng)計學(xué)分析

在進(jìn)行實驗的過程中，保留了3組實驗樣品，作為平行實驗的依據(jù)，對所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.結(jié)果與討論

(1)失重率與pH變化

圖2是聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架降解天數(shù)與失重率、pH值關(guān)系變化。在PBS溶液中浸泡時間越長，聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架的失重率就越高，見圖2（a）。降解初期為7～14d，溶液浸入支架表面沒有燒結(jié)完好的部分，使聚己內(nèi)酯/硅藻土支架表面非結(jié)晶[7]部分脫落，降解21d至28d后降解速率變緩，因為非結(jié)晶部分經(jīng)過降解，支架剩余部分為分子含量大且為燒結(jié)完好的結(jié)晶態(tài)，導(dǎo)致降解速率變緩。

圖2 失重率、pH與降解時間的關(guān)系

圖2（b）為支架pH值變化，磷酸鹽緩沖液的酸堿度變化，說明了骨支架在進(jìn)行降解的過程中釋放了一些帶有酸性或堿性的物質(zhì)，并以所釋放物質(zhì)的多少來作為酸堿度指標(biāo)，聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架的降解過程可分為兩方面：一方面，聚己內(nèi)酯在PBS溶液中的水解過程；另一方面，骨支架中的聚己內(nèi)酯分子含量低的部分最先得到降解，低分子部分降解[8]后產(chǎn)生了酸性物質(zhì)，PBS溶液中充斥著少量酸性物質(zhì)，因此，隨著PBS浸泡天數(shù)的不斷推移，溶液的pH值得到逐步下降。

(2)微觀形貌分析

使用電子顯微鏡仔細(xì)觀察支架的微觀形貌來表征PCL/DE支架的降解性能，采用SEM（電子顯微鏡）了解到支架在PBS中浸泡28天后在其表面產(chǎn)生的變化，結(jié)果見圖3。其中，圖3（b）和圖3（d）的小型孔洞說明了，支架上有明顯硅藻土碎塊脫落的痕跡和侵蝕孔洞。其中，圖3（e）有一層燒結(jié)的薄膜，PBS浸泡后腐蝕空洞明顯，說明降解效果明顯。隨著硅藻土含量增多，支架上硅藻土碎塊周邊降解明顯，說明支架降解速率增快，其原因是硅藻土的微孔能夠包覆水分子，且硅羥基具有親水性[9]，因此硅藻土上的硅羥基和微孔改善了聚己內(nèi)酯疏水性能，使支架吸收液體速率加快。

圖3 （a）、（b）、（c）、（d）、（e）為PCL、PCL/3%DE、PCL/5%DE、PCL/7%DE、PCL/9%DE浸泡28d后的微觀形貌

(3)力學(xué)性能測試

支架的力學(xué)性能與不同硅藻土配比的關(guān)系見圖4所示。聚己內(nèi)酯的應(yīng)力為3.268MPa，磁力攪拌、離心機(jī)離心粉末的方法降低了硅藻土的團(tuán)聚現(xiàn)象，使支架分散性良好，有利于支架界面的結(jié)合[10]，因此3%、5%硅藻土/聚己內(nèi)酯力學(xué)性能增強(qiáng)，分別提升5%和18%。

圖4 支架的拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

(4)聚己內(nèi)酯XRD表征

使用XRD表征了聚己內(nèi)酯/硅藻土骨支架不同配比聚己內(nèi)酯和硅藻土的物相組成。如圖5所示聚己內(nèi)酯的特征衍射峰在2θ=21.4°和2θ=23.7°兩個特征峰，硅藻土的特征峰在2θ=21.8°和2θ=36.1°兩個特征峰[11]，其中，2θ=36.1°特征峰隨著硅藻土含量在聚己內(nèi)酯中的提高，使2θ=36.1°特征峰越來越明顯。

圖5 支架XRD物相分析

3.結(jié)論

通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備出聚己內(nèi)酯/硅藻土復(fù)合骨支架，通過拉伸力學(xué)性能測試、SEM微觀形態(tài)觀察、降解失重率和pH值變化，得出結(jié)果。（1）利用SLS制備出復(fù)合支架，PCL/DE支架能進(jìn)行降解，經(jīng)28天降解后各支架失重率僅約為1.1%、1.23%、1.33%、1.51%、1.66%，說明硅藻土的親水性能改善聚己內(nèi)酯一定的降解性能，使失重率最高提升0.56%。（2）將0%、3%、5%、7%、9%硅藻土配比的支架通過力學(xué)測試儀進(jìn)行拉伸試驗，含有3%硅藻土復(fù)合的支架力學(xué)性能約提升了5%，含有5%硅藻土復(fù)合的支架力學(xué)性能約提升了18%。因此采用SLS技術(shù)制備的PCL/DE支架在骨組織工程中有著應(yīng)用前景。