将可生物降解且具有生物活性的聚合物混合物渗透到3D打印的氧化锆支架中，以提升其骨整合性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Infiltrated 3D-printed zirconia scaffolds with biodegradable and bioactive polymer blend to improve their osseointegration

本研究通过直接墨水书写技术3D打印多孔氧化锆陶瓷支架，并浸渍PCL/PVA生物降解聚合物混合物负载纳米羟基磷灰石（nHA），开发新型骨植入物。实验表明，40%填充率支架浸渍效率达96%，机械性能接近松质骨（2-12 MPa压缩强度），其中80:20 PCL/PVA blend含15% nHA的B15样品在体外促进羟基磷灰石形成能力最强，降解与骨整合同步进行，实现力学稳定与生物功能的协同优化。

　　骨缺损和骨骼疾病仍然是医学领域中的重要挑战，这些疾病包括骨质疏松症、关节炎和骨癌等，影响着全球大量人群。然而，不仅骨骼相关的疾病需要关注，衰老现象也会间接导致骨退化，因为骨吸收和骨质量损失会降低其机械性能。此外，创伤性事故也会成为骨缺损的重要诱因。为了解决这些问题，骨移植被认为是最具前景的策略之一，因为它们能够作为支架，为成骨细胞的浸润和增殖提供便利的环境，从而促进新骨组织的形成并最终与宿主骨整合。然而，异体骨和异种骨材料的来源有限，并且在植入后可能引发免疫排斥反应。因此，使用具有更高生物相容性、可定制化且能够满足个体需求的合成材料成为一种可行的替代方案。

合成材料可以分为可降解和不可降解两种类型，每种材料都有其独特的优缺点。可降解材料可以在一定时间内被吸收，同时促进自然骨组织的替代，从而避免二次手术。然而，其降解速率难以控制，且初始机械强度可能不足以满足高负载应用的需求。相比之下，不可降解材料能够提供长期且可预测的机械支持，特别适用于需要即时和长期承重的应用。然而，其应用受限于应力屏蔽现象以及缺乏生物活性。因此，开发一种兼具机械稳定性和生物功能性材料成为研究的重点。

在牙科和骨科领域，纳米级羟基磷灰石（nHA）因其与骨矿物结构相似，表现出良好的骨传导性和细胞附着性，成为骨组织工程中的重要材料。同时，nHA具有较高的比表面积，这使其在生物活性方面优于微米级羟基磷灰石。为了克服传统陶瓷材料的生物惰性和加工难度，研究者们探索了多种先进制造技术，其中直接墨水书写（DIW）技术因其较低的材料浪费和较高的经济性而受到关注。DIW是一种基于材料挤出的3D打印技术，能够实现对陶瓷支架结构的精确控制。

为了进一步提高陶瓷支架的生物活性，研究者们提出了一种新型的聚合物渗透陶瓷网络（PICN）材料。该材料由3D打印的多孔氧化锆支架和负载有纳米羟基磷灰石的可降解聚己内酯/聚乙烯醇（PCL/PVA）混合物组成。通过DIW技术，可以制造出具有可控孔隙率的氧化锆支架，同时通过渗透过程将PCL/PVA混合物引入到支架中，从而实现机械性能和生物功能性的双重提升。PCL是一种具有良好机械性能和生物降解性的材料，而PVA则因其可调的机械性能和良好的水溶性而被选用。通过调整PCL/PVA的比例，可以控制材料的降解速率，使其更适用于特定的临床需求。

在本研究中，PCL/PVA混合物被负载不同比例的nHA，以提高其生物活性。实验结果显示，随着nHA含量的增加，材料的吸水能力显著提高，这可能与nHA的高亲水性有关。此外，含有15% nHA的80:20 PCL/PVA混合物表现出更优的生物活性，能够在体外环境中促进羟基磷灰石的形成，从而提高材料的骨整合能力。这种新型PICN材料不仅能够提供良好的机械支撑，还能通过其可降解特性，为新骨组织的生长提供合适的微环境。

在支架的制备过程中，使用DIW技术能够实现高精度的结构设计，同时减少材料浪费。支架的孔隙率和结构设计对渗透效率和机械性能具有重要影响。实验发现，40%孔隙率的支架比60%孔隙率的支架更容易渗透，这可能是由于其更高的孔隙率使得PCL/PVA混合物更容易进入支架内部。此外，80:20 PCL/PVA混合物的渗透效率高于50:50混合物，这表明PCL/PVA的比例对渗透性能具有显著影响。而nHA的添加则进一步提高了材料的生物活性，使其在体内环境中更有利于新骨组织的形成。

在机械性能方面，支架的压缩强度与松质骨相似，且随着孔隙率的增加，其压缩强度逐渐降低。然而，当支架被PCL/PVA混合物渗透后，其机械性能得到显著改善，特别是在80:20 PCL/PVA混合物和15% nHA的组合下，表现出良好的抗变形能力。此外，通过数字图像相关（DIC）技术对支架进行压缩测试，能够更精确地评估其变形行为。研究发现，支架的结构完整性与其孔隙率密切相关，40%孔隙率的支架在压缩测试中表现出更严重的破坏，而60%孔隙率的支架则主要在中心区域出现局部断裂，这表明更高的孔隙率可能在一定程度上影响支架的机械稳定性。

在降解行为方面，不同PCL/PVA比例的支架表现出不同的降解速率。含有较高PVA比例的支架降解更快，这与其较高的亲水性有关。然而，当nHA被添加到PCL/PVA混合物中时，其降解行为有所改变，显示出更缓慢的降解趋势。这种特性对于骨组织工程具有重要意义，因为它可以与新骨组织的形成过程同步，从而为骨再生提供持续的支持。同时，支架的降解过程会促进微孔结构的形成，这有助于体液交换和离子扩散，从而进一步促进羟基磷灰石的形成。

通过X射线衍射（XRD）分析，研究者们发现含有nHA的支架能够形成更显著的羟基磷灰石晶体，这表明其具有更高的生物活性。这种活性与支架的降解过程密切相关，因为随着PCL/PVA的降解，其形成的微孔结构可以为羟基磷灰石的沉积提供有利条件。此外，支架的表面粗糙度也对其生物活性产生影响，研究表明适度的表面粗糙度（Sa值在1-2微米之间）能够促进成骨细胞的附着和增殖，从而增强骨整合能力。

综上所述，本研究通过DIW技术制备了具有可控孔隙率的氧化锆支架，并将其与负载有纳米羟基磷灰石的PCL/PVA混合物结合，形成了一种新型的PICN材料。这种材料在机械性能和生物功能性方面均表现出显著的优势，能够满足骨组织工程的复杂需求。未来的研究可以进一步优化支架的结构设计和材料组成，以提高其在临床应用中的性能。此外，还需要进行更深入的生物相容性评估，以确保其在人体内的安全性。这种新型材料的开发为个性化骨科植入物的设计和制造提供了新的思路，有望在未来的骨修复和牙科应用中发挥重要作用。