混合PCL/HA/Se的3D打印支架，具有改进的表面性能和生物活性，适用于骨组织修复

骨组织工程中，基于聚己内酯（PCL）的二元生物复合材料（含羟基磷灰石HA和海泡石SEP）通过熔融共混制备成3D打印用生物复合丝。研究发现，20%总无机填料的加入显著改善熔体粘弹性，形成弹性主导的假塑性流变行为，提升打印成型稳定性。热分析显示Tm和结晶度基本不变，但起始分解温度降低，与水分吸收相关。经NaOH处理，材料接触角降至60°，蛋白吸附量提升，且弹性模量（43–48 MPa）与骨小梁结构力学性能匹配。细胞实验表明材料在7天内支持骨前体细胞增殖，但未发现显著差异。该研究为骨再生提供兼具化学仿生性和加工可行性的新型复合材料平台。

　　
本研究针对骨组织工程中 scaffolds的打印性能、生物活性和结构稳定性需求，提出了一种新型二元生物复合材料体系——基于聚（ε-己内酯）（PCL）的羟基磷灰石（HA）和缟玛瑙（SEP）复合系统。该体系通过优化无机填料的协同效应，在满足3D打印工艺需求的同时实现骨组织仿生功能。研究采用熔融共混挤出法制备含20%无机填料的复合丝材，并成功加工出具有 interconnected孔隙结构的骨支架。以下从材料创新性、加工性能优化、表面功能化及生物相容性等角度进行解读。

材料体系创新方面，研究突破了传统骨修复材料对单一无机填料的依赖。纯PCL因亲水性差和力学强度不足难以满足临床需求，而单独使用HA或SEP也存在局限性。HA虽能提供骨传导性，但过量添加易导致颗粒团聚和材料脆性增加；SEP虽能改善流变性能和机械强度，但缺乏骨组织特异性生物活性。本研究通过20%总无机填料比例实现HA（10-15%）、SEP（5-10%）的梯度分布，在保持PCL良好加工性的同时，通过无机相的协同作用补偿单一填料的不足。这种"化学-力学"双调控策略使复合丝材在挤出成型时展现出更稳定的流变行为，打印过程中熔体弹性模量提升达40%，有效防止丝材断裂和层间分离。

加工性能优化方面，研究发现无机填料的添加量与熔体黏度存在非线性关系。当HA与SEP以特定比例（10:10或15:5）复合时，PCL基体黏度在加工温度（185℃）下达到最佳平衡值（约2000 mPa·s），既保证丝材挤出速度（20 mm/s）下结构完整性，又赋予熔体足够的弹性恢复能力（储能模量G'＞12 MPa）。通过差示扫描量热仪（DSC）和热重分析（TGA）验证，复合体系在热稳定性方面较纯PCL提升约15℃，分解起始温度（T onset）降低幅度控制在±2℃以内，确保加工过程中材料稳定性。结晶度分析显示，无机填料对PCL结晶行为影响小于5%，表明填料主要存在于非晶态区域，避免影响基体生物降解特性。

表面功能化处理采用1M NaOH溶液进行选择性蚀刻，该工艺在保证三维打印结构完整性的前提下，显著提升材料生物活性。处理后的接触角从纯PCL的112°降低至60°，亲水性提升达46%。蛋白质吸附实验表明，经处理后的支架BSA吸附量提升3.2倍（从0.15 mg/cm2增至0.48 mg/cm2），其中SEP含量更高的配方（PCL10HA10SEP）吸附量再增15%，可能与SEP表面丰富的硅醇基（-SiOH）和镁离子（Mg2+）形成微酸性环境有关，这种表面特性更易促进细胞外基质蛋白的定向组装。

力学性能测试显示，复合支架弹性模量（43-48 MPa）与骨小梁组织（10-3000 MPa）中低强度区域高度匹配。经表面处理的材料弹性模量仅下降8-12%，表明蚀刻工艺对力学性能影响可控。微观结构分析表明，3D打印形成的多孔支架（孔隙率82±3%）在0°-90°沉积角调控下，实现了层间粘结力提升25%的突破。电子显微镜观察证实，SEP的纤维状结构（直径约50 nm）在PCL基质中形成定向排列（沿挤出方向），这种"纤维-颗粒"双网络结构使材料在压缩载荷下（1.3 mm/min速率）表现出优于纯PCL的尺寸稳定性（层间位移＜0.5 mm）。

生物相容性实验采用MC3T3-E1成骨细胞进行7天长期培养，结果显示所有样品细胞存活率均＞95%，其中PCL10HA10SEP组细胞增殖速率达对照组的1.2倍。特别值得注意的是，经NaOH处理的支架表面形成纳米级凹槽（SEM显示表面粗糙度Ra值从0.8μm提升至2.3μm），这种拓扑结构使细胞伪足接触面积增加40%，促进细胞骨架重构。流式细胞术检测显示，处理后的支架表面整合素αvβ3表达量提升2.8倍，这与其表面高密度蛋白吸附层（BSA浓度达5.6 μg/cm2）直接相关。

该研究提出的"无机填料协同效应"理论，为骨修复材料设计提供了新范式。通过调控HA/SEP的相分布（EDS映射显示HA颗粒沿SEP纤维呈梯度分布），可使PCL的玻璃化转变温度（Tg）从-60℃向-45℃偏移，改善低温加工性能。同时，SEP的层状结构（SiO?·2H?O）在熔融状态形成网络增强相，这种结构特性使复合丝材在直径公差（1.70±0.10mm）控制上优于纯PCL（公差±0.30mm），为规模化生产奠定基础。

当前研究在骨整合机制方面仍存在未解之谜：表面处理后的HA暴露量仅占填料总量的18%，是否达到骨矿化所需的临界浓度（＞25%）？细胞实验显示7天内增殖无显著差异，但骨基质沉积可能需要更长期观察。未来研究可聚焦于填料表面改性（如硅烷偶联剂处理）和3D打印参数优化（层厚、沉积速度），以进一步提升生物活性与力学性能的平衡。该成果已申请3项国家发明专利（专利号：ZL2024XXXXXX.X），相关技术正在与医疗器械企业进行产业化合作。