在类似小梁骨的支架上使用锶替代纳米羟基磷灰石进行多巴胺涂层处理，用于骨组织工程

《Journal of Applied Polymer Science》：Polydopamine Coating in Trabecular Bone-Like Scaffolds With Strontium-Substituted Nanohydroxyapatite for Bone Tissue Engineering

骨组织工程中PLA/HASr/PDA复合支架的制备与性能优化。通过3D打印技术制备具有骨小梁仿生结构的PLA/HASr支架，并采用聚多巴胺（PDA）涂层改善表面亲水性和生物活性。研究发现，PDA涂层使支架接触角降低至31.2°，显著提升水合性；同时增强Ca2?和Sr2?离子释放，促进蛋白质吸附（增加约10%），并加速骨矿化过程。该材料组合在力学性能（抗压模量提升）和生物相容性方面均表现优异。

　　
本文探讨了一种结合仿生骨结构、锶掺杂羟基磷灰石（HASr）及聚多巴胺（PDA）表面修饰的多功能复合 scaffold 的制备与性能优化。研究采用熔融沉积成型（3D打印）技术制备了具有三维骨小梁结构的 PLA/HASr 复合 scaffold，并通过 PDA 涂层进一步改善其表面特性，为骨组织工程提供了创新解决方案。

### 1. 研究背景与意义
全球范围内骨损伤发病率持续上升，传统自体移植存在手术创伤大、供区受限等问题。骨组织工程（BTE）通过仿生 scaffold 提供三维支架促进新骨再生，但现有材料存在生物活性不足、表面亲和力差等缺陷。研究团队基于细胞骨重塑动力学模型，开发出具有智能仿生结构的 scaffold，并引入 HASr 和 PDA 修饰，旨在协同增强骨再生能力。

### 2. 材料与方法创新性
#### 2.1 智能仿生结构设计
研究基于 Komarova 骨重塑数学模型（结合偏微分方程组描述骨细胞动态），通过 MATLAB 进行数值模拟，生成具有天然骨小梁结构的三维 scaffold。这种仿生几何设计（孔隙率>70%，孔径 200-500 μm）可最大化细胞接触面积，促进骨长入和血管化。

#### 2.2 多组分协同改性
（1）** HASr 纳米复合**：将 10% w/w 的锶掺杂羟基磷灰石颗粒（Ca/P=1.58±0.02）通过熔融共混工艺嵌入 PLA 基体，显著提升材料骨诱导性。EDS 元素映射显示元素分布均匀，SEM 颗粒形貌分析表明平均粒径 50-80 nm，符合 ideal 纳米填料尺寸（20-100 nm）。

（2）** PDA 智能表面修饰**：采用 dopamine 溶液（3 mg/mL，pH 8.5）浸泡处理，在 scaffold 表面形成 5-10 μm 的致密 PDA 薄层。FTIR 分析证实特征峰（1500 cm?1：羧基，1500-1300 cm?1：酚羟基）的存在，结合 SEM 界面形貌观察，证实 PDA 在 PLA/HASr 表面形成梯度吸附结构。

#### 2.3 全流程表征体系
建立了包含 6 大类 12 项指标的全面评价体系：
- **表面特性**：接触角测试（接触角仪精度 ±0.5°）、蛋白质吸附（BSA 100 μg/mL）
- **化学组成**：FTIR（4000-400 cm?1）分析化学官能团，XRD（Shimadzu XDR-6000）检测结晶度（CrI=ΔHm/ΔHf）
- **机械性能**：压缩测试（10 kN 负载，速率 0.5 mm/min）测定弹性模量（E=3.2-4.5 GPa）
- **离子释放**：ICP-OES 分析 Ca2?（稳态释放 8.2-12.4 μg/mL）和 Sr2?（持续释放 3.6-5.1 μg/mL）
- **生物矿化**：SBF 模拟实验（pH 7.4，离子浓度：Ca2? 2.5 mM，PO?3? 10 mM）
- **微观结构**：SEM-EDS（分辨率 1 nm）和三维重建（Isosurface 生成）

### 3. 关键实验结果与机制解析
#### 3.1 表面特性优化
- **接触角显著降低**：PLA（88.3°）→ PLA/HASr（64.4°）→ PLA/HASr-PDA（31.5°±5.8°）
- **界面化学增强**：PDA 涂层引入 12 种活性官能团（羟基、氨基、吲哚基），使表面 zeta 电位从 -12 mV 提升至 +8 mV
- **粗糙度提升**：碱性处理使表面粗糙度从 1.2 μm 提升至 3.8 μm，PDA 涂层后达 6.2 μm

#### 3.2 离子释放动力学
- **Ca2? 释放特性**：PLA/HASr-PDA 爆发释放量达 15.2 μg/mL（第 1 天），28 天累计释放 58.7 μg/mL（释放度 92%）
- **Sr2?协同效应**：Sr2? 释放速率较纯 PLA 高 3.2 倍（0.25 mg/mL/day），与 Qi 等报道的骨修复效果一致
- **离子浓度梯度**：在 5-20 μg/mL Ca2? 浓度范围内，成骨细胞增殖速率提升 40-60%（基于 Alamar Blue 检测）

#### 3.3 生物矿化行为
- **羟基磷灰石沉积**：PLA/HASr-PDA 在 SBF 中 24 小时形成 20-30 nm 厚的致密矿化层（Ca/P=1.89±0.03）
- **矿化动力学**：矿化速率常数 k=0.017 mm/day，显著高于纯 PLA（k=0.003 mm/day）
- **界面化学键合**：XPS 分析显示 PDA 引入 C-N 键（强度增加 2.3 倍），促进钙磷沉积

#### 3.4 力学性能提升
- **压缩强度**：PLA（8.7 MPa）→ PLA/HASr（14.2 MPa）→ PLA/HASr-PDA（21.5 MPa）
- **弹性模量**：从 3.2 GPa（PLA）提升至 4.8 GPa（PLA/HASr-PDA）
- **断裂韧性**：提升 35%（由 1.2 kPa·m1/2 增至 1.6 kPa·m1/2）

### 4. 机制创新与临床转化价值
#### 4.1 多尺度协同作用
（1）**纳米尺度**：HASr 颗粒（50-80 nm）通过界面应力场诱导 PLA 相变，形成 α' 相结晶（DSC 测定结晶度提升 14%）
（2）**微米尺度**：仿骨小梁结构（长径比 2.1:1）提供定向骨长入引导
（3）**宏观尺度**：3D 打印结构（层高 0.15 mm）实现连续孔隙网络（孔隙率 82%±3%）

#### 4.2 表面-体相协同效应
PDA 涂层不仅改善表面特性，更通过以下机制提升性能：
1. **化学桥接**：PDA 的 4-巯基与 HA 的 Ca2?形成配位键（结合能 25.6 kJ/mol）
2. **物理锚定**：涂层粗糙度增加 5 倍，机械结合强度提升 3 倍
3. **离子缓释**：PDA 多孔结构使 Sr2? 延迟释放（半衰期 72 h vs 24 h）

#### 4.3 临床转化潜力
（1）**手术适配性**：打印直径 1 mm 微孔可适配骨缺损小于 5 mm 的临床需求
（2）**降解同步性**：TGA 分析显示材料降解率（0.45%/day）与骨代谢速率（0.38%/day）匹配度达 85%
（3）**灭菌兼容性**：经 121℃/30 min 高压灭菌后，接触角变化 <2°，离子释放量波动 <5%

### 5. 技术经济性分析
（1）**生产成本**：3D 打印设备折旧（$120,000/台）与传统制造（压制成型）成本对比：
- 传统方法：$850/公斤 scaffold
- 3D 打印：$450/公斤 scaffold（规模化生产后）

（2）**维护成本**：PDA 涂层可重复使用 3 次以上（接触角稳定性 >80%）
（3）**临床效益**：预计减少骨移植手术次数 30%，降低并发症发生率 25%

### 6. 未来研究方向
（1）**动态仿生结构**：开发具有骨形态发生蛋白（BMP-2）释放功能的智能 scaffold
（2）**多细胞共培养系统**：集成成骨细胞（MC3T3-E1）和骨膜细胞（hBM-MC）
（3）**生物打印集成**：构建 3D 生物打印-化学修饰协同制备系统

该研究通过材料基因组学策略（结构设计→化学修饰→性能优化），成功制备出兼具机械强度（压缩强度 >20 MPa）和骨诱导性（BMP-2 激活率 65%）的新一代骨 scaffold，为临床应用提供了重要技术储备。后续研究将重点探索 scaffold 的血管化诱导机制及临床前动物实验验证。