通过3D打印技术制备具有仿生结构的协同效应Akermanite/PMMA/氧化锆复合材料，用于骨科应用

《Journal of Materials Research and Technology》：Synergistic Akermanite/PMMA/Zirconia Composites with Nature Inspired Structure via 3D Printing for Orthopaedics

本研究利用生物绘图仪3D打印技术制备了25% Akermanite/PMMA/25% Zirconia复合材料，设计了固体、5通道和6通道莲花根状结构。通过SEM、Micro-CT、抗菌测试和细胞活力评估发现，6通道结构具有最佳抗菌活性（抑制圈达21 mm）、细胞存活率（96%±2%）和最低溶血率（3.13%±0.8%），同时平衡了孔隙率（67±3%）与抗压强度（120.5 MPa）。结构优化验证了多通道设计对骨整合的促进作用，为骨科植入物开发提供了新方案。

　　这项研究聚焦于一种新型的骨水泥材料，旨在通过仿生设计和增材制造技术提升其在骨科领域的应用潜力。研究人员利用生物打印机（Bio Plotter）技术，制造了三种具有不同结构的25%阿克曼石（AKT）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/25%氧化锆（ZrO?）复合材料：固体结构、五通道结构和六通道结构。这些结构灵感来源于莲藕的多孔结构，具有较高的孔隙率和良好的生物相容性，为骨组织再生提供了更优越的条件。

在制造过程中，研究人员首先将PMMA粉体与液态甲基丙烯酸甲酯（MMA）按一定比例混合，形成具有特定流变特性的生物墨水。随后，通过生物打印机逐层打印，构建出具有多通道结构的骨水泥支架。通过调整打印参数，如挤出压力、喷嘴速度和温度，确保了结构的精确性和一致性。制造出的样品在显微结构、孔隙率、机械性能和生物活性等方面进行了系统分析，旨在探索不同结构对材料整体性能的影响。

显微镜（FESEM）分析结果显示，这些复合材料具有均匀的相分布和强的界面结合。五通道和六通道结构的孔隙率分别为53±1%和67±3%，表明六通道结构具有更高的孔隙率。高孔隙率不仅有助于细胞迁移和血管化，还能促进新骨生长，这在骨组织工程中是至关重要的因素。此外，孔隙结构的均匀性有助于改善材料的机械性能，使其在保持足够强度的同时具备良好的生物活性。

通过微CT分析，研究人员进一步验证了不同结构的内部孔隙连通性和几何特性。五通道结构的孔隙网络相对紧密，而六通道结构则具有更复杂的孔隙连接，这有助于提高材料的渗透性和离子交换能力。孔隙率的增加在一定程度上降低了材料的机械强度，但同时也为细胞和营养物质的传输提供了更多可能性。这些结构在模拟自然骨组织的多孔特性方面表现出色，能够促进细胞的附着和增殖，提高材料的生物相容性。

在抗菌性能方面，六通道结构表现出最显著的抗菌效果。通过ISO 5833:2002标准的营养琼脂扩散法测试，六通道结构对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌圈分别达到21±0.6 mm和16±1.2 mm，远高于固体结构和五通道结构。这一结果表明，六通道结构能够更有效地释放抗菌离子，抑制细菌的生长。这种抗菌性能对于减少植入物感染风险具有重要意义，尤其是在长期植入手术中。

细胞活力测试则进一步验证了这些材料的生物相容性。通过Live/Dead细胞染色法，研究人员评估了不同结构对MC3T3-E1成骨细胞的促进作用。在第1天，六通道结构的细胞活力达到96±2%，而五通道结构为85±5.4%，固体结构为60±7%。随着培养时间的延长，六通道结构依然保持较高的细胞活力，第7天时达到91±0.7%。这表明六通道结构在促进细胞附着和增殖方面表现优异，能够为骨组织的生长提供更适宜的微环境。

在血液相容性方面，六通道结构的溶血率最低，仅为3.13±0.8%，而固体结构为4.89±2%，五通道结构为4.61±1.6%。溶血率低于5%表明这些材料具有良好的血液相容性，适合用于植入式医疗器械。这一特性不仅有助于减少对血液成分的破坏，还能提高材料在体内环境中的稳定性和安全性。

压缩测试结果显示，固体结构的抗压强度最高，达到145.6 MPa，而五通道结构为132.8 MPa，六通道结构为120.5 MPa。虽然六通道结构的机械性能有所下降，但其较高的孔隙率和更复杂的通道设计使其在生物活性方面表现出色。这种结构能够在保持一定机械强度的同时，为细胞和营养物质的传输提供更广阔的空间，从而提高材料在骨组织工程中的应用价值。

此外，研究人员还对不同结构的生物活性进行了评估。通过模拟体液（SBF）测试，观察到六通道结构在浸泡过程中表现出更高的pH值变化，这表明其具有更强的离子释放能力。这种能力有助于促进骨组织的形成，同时也能改善材料的抗菌性能。通过这些测试，研究人员发现六通道结构在生物活性方面表现最优，能够在多种性能指标上达到最佳平衡。

从统计分析的角度来看，这些结构在物理、机械和生物性能方面均表现出显著差异。使用JMP Pro进行的单因素方差分析（ANOVA）结果显示，不同结构的孔隙率、抗菌效果和细胞活力均存在显著差异（p < 0.05）。这表明结构设计对材料性能具有重要影响，六通道结构在多个方面均优于其他结构，显示出其在骨科应用中的巨大潜力。

综上所述，这项研究通过仿生设计和增材制造技术，成功开发出具有优异生物活性和机械性能的新型骨水泥材料。六通道结构在抗菌性、细胞活力和血液相容性方面表现最佳，同时在孔隙率和机械强度之间取得了良好的平衡。这些特性使其成为骨组织工程和骨科植入物领域的理想候选材料。未来，这种材料有望在更广泛的临床应用中发挥作用，包括颌面外科和颅骨植入物等，从而进一步拓展其应用范围。