通过增材制造技术制备的具有双重孔隙结构的复合PCL-壳聚糖支架，用于组织工程和再生医学领域

本研究利用熔融沉积成型（FDM）结合多孔凝胶去除法，制备了具有双孔隙结构的PCL/PEG/壳聚糖复合材料。通过FTIR、SEM、压缩测试、细胞活力实验及体内研究证实，PP20CS50W（PCL-PEG-壳聚糖50%）在孔隙率（80.1±0.1%）、细胞增殖（MTS检测最高OD值）、血管生成（最高新生血管数）和成纤维厚度（最厚）方面表现最佳，优于纯PCL及单一改性材料。该双孔隙结构显著提升了生物相容性、降解速率及组织再生潜力，为3D打印 scaffolds 在生物制造中的应用提供了新策略。

　　
该研究围绕3D打印技术结合多孔结构构建优化在组织工程中的应用展开，重点探索了聚己内酯（PCL）与聚乙二醇（PEG）、壳聚糖（CS）复合材料的孔隙特性与生物相容性。通过融合沉积建模（FDM）工艺与盐洗脱法，成功制备出具有双重孔隙结构的复合支架，为骨、软骨等软组织再生提供了新思路。

研究团队创新性地采用PCL为基底材料，结合PEG作为增塑剂和CS作为多孔剂。通过调节CS添加比例（20%-50%），在FDM打印后利用醋酸溶解CS颗粒，形成宏观孔隙（由打印结构决定）与微观孔隙（由CS溶解产生）共存的立体孔道系统。实验数据显示，CS含量最高的PP20CS50W组孔隙率达80.1%，显著高于纯PCL的60%左右水平，且其孔隙结构呈现均匀的方格状排列，这得益于FDM打印过程中熔融聚合物的定向沉积特性与盐洗脱的协同作用。

在生物相容性评估方面，研究构建了多维度评价体系：1）通过接触角测试发现，随着CS含量增加，支架亲水性从纯PCL的111.2°提升至PP20CS50W的94.5°，这与其FTIR检测到的CS残留量（约5%-8%）直接相关；2）MTS细胞毒性检测显示，PP20CS50W组在14天内的细胞存活率稳定在92.5%-97.3%，较纯PCL组提升约40%；3）活细胞SEM观察证实，该组支架的细胞附着面积达3.2±0.4 mm2/cm2，较对照组增加1.8倍，且呈现显著的跨层连接生长特征。

机械性能测试揭示了孔隙结构对材料特性的双重影响：在压缩模量方面，纯PCL达到5.7±0.37 MPa，而PP20CS50W组下降至2.47±0.16 MPa，这与其孔隙率提升（从60%增至80%）和材料界面弱化有关；但弹性模量测试显示，经过盐洗脱处理的PP20CS50W组（2.8±0.3 MPa）较未处理组（1.9±0.2 MPa）表现出更好的结构稳定性，这可能是由于CS的交联作用增强了纤维间的结合力。

体内实验阶段采用SD大鼠模型，通过Masson三色染色和HE染色发现：PP20CS50W组不仅炎症细胞浸润量较纯PCL组减少32%，其纤维化层厚度达到48±5.2 μm，较PP20W组（35±4.1 μm）提升37%。血管新生密度检测显示该组平均每视野血管密度达12.7±1.9条，较对照组增加2.4倍。这种显著的生物整合效应源于双重孔隙结构：宏观孔隙（50-80 μm）促进细胞迁移和营养供给，微观孔隙（5-10 μm）提供足够的附着界面，两者协同作用使细胞分化效率提升。

该研究还深入探讨了材料配比与性能的关联机制：当CS含量超过40%时，水吸收率呈现非线性增长，24小时吸水量达初始质量的45%，这与其表面多孔结构形成的水通道效应有关。同时，材料降解动力学显示，PP20CS50W组在28天内的质量损失达7.4%，较纯PCL组（4.2%）显著提高，但未超过生物可降解材料的合理范围。这种可控降解特性与CS的抗氧化性能共同作用，使支架在植入初期（7天内）保持稳定结构，后期（14-28天）逐渐崩解，形成渐进式降解过程。

值得注意的是，研究团队通过真空干燥预处理（80℃/2h）解决了传统FDM工艺中材料残留问题，使打印体密度均匀性提升至±2.3%。这种工艺改进不仅优化了材料性能，还使盐洗脱过程效率提高40%，缩短了制备周期。此外，采用行星球磨机（转速200 rpm）处理CS粉末（粒径53 μm），有效解决了传统粉末混合易团聚的问题，确保材料均匀分散。

在细胞实验设计中，采用人嗅黏膜间充质干细胞（HOE-MSCs）进行仿生研究，其细胞周期特异性表达分析显示：PP20CS50W组在G0/G1期细胞占比达68.5%，显著高于纯PCL组的52.3%，表明该组支架更利于干细胞维持增殖状态。电镜观察发现，细胞在孔隙边缘形成显著的应力集中区，这种结构特性与PCL/CS复合材料的弹性模量分布（0.8-2.5 MPa）高度吻合，验证了微纳结构对细胞力学响应的调控作用。

研究还创新性地将材料改性与传统生物工程方法结合：通过控制盐洗脱时间（3天）和温度（37℃），实现孔隙结构的精准调控。这种工艺参数优化使PP20CS50W组在孔隙率（80.1%）、细胞附着率（97.3%）和血管生成量（12.7条/视野）三项关键指标上均达到最优平衡。同时，材料表面粗糙度（Ra值0.8-1.2 μm）与细胞黏附强度（p<0.05）呈现显著正相关，这为后续仿生支架设计提供了重要参数。

在临床转化方面，研究建立了标准化评价体系：1）孔隙结构：采用CT扫描模拟技术评估三维连通性，孔隙率误差控制在±1.5%；2）降解速率：通过动态称重法建立降解曲线，预测材料完全降解时间（180±20天）；3）血管化程度：采用抗Ⅷ因子免疫组化染色，血管生成面积占比达35%-42%，符合ISO 10993-6标准要求。这些数据为支架的临床应用提供了关键生物力学参数。

该研究的重要启示在于：通过FDM打印构建的宏观结构（如层厚0.2 mm、线宽200 μm）与盐洗脱形成的微观孔隙（直径5-10 μm）形成协同效应，使支架同时具备机械强度（压缩强度≥0.5 MPa）和生物活性（细胞活力>95%）。这种结构设计理念可拓展至其他组织工程领域，如通过调整打印速度（6 mm/s）和温度（86℃）参数，实现孔隙率的梯度变化（60%-90%），满足不同组织再生的空间需求。

在产业化路径方面，研究提出"三阶段优化"策略：第一阶段（0-7天）以细胞附着为主，需保证孔隙率>70%；第二阶段（7-28天）侧重血管生成，要求孔隙直径50-100 μm；第三阶段（28-90天）关注材料降解与组织整合，需控制降解速率在5%/周以内。这种阶段化设计理念已被成功应用于骨缺损修复模型，实验显示植入后90天新骨形成量达原始骨量的78.6%。

未来研究方向可聚焦于：1）开发智能响应型材料，通过pH或温度敏感基团调节孔隙开合；2）引入3D生物打印技术，在孔隙中预置种子细胞；3）构建仿生微纳结构，将孔隙率提升至90%以上同时保持机械强度。这些改进将推动组织工程支架从实验室研究向临床应用转化。