综述：增材制造金属颗粒增强聚乳酸生物复合材料在生物医学应用中的最新进展

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Recent Advances in Metal Particle Reinforced Polylactic Acid Biocomposites via Additive Manufacturing for Biomedical Applications

本文系统综述了增材制造（AM）技术制备聚乳酸（PLA）基金属增强生物复合材料的最新进展。文章重点探讨了钛（Ti）、镁（Mg）、银（Ag）等金属填料对PLA力学性能（如拉伸强度、弹性模量）和生物功能（如抗菌、骨整合）的协同增强作用，并深入分析了材料挤出（ME）等制造工艺的优化策略，旨在为开发高性能、定制化的生物医学植入物和支架提供全面指导。

　　

聚乳酸（PLA）的固有特性与局限性

聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解、生物相容性良好的热塑性聚酯，因其源自可再生资源（如玉米淀粉、甘蔗）且加工性能优异，在生物医学领域备受关注。其分子链主要由乳酸单元通过酯键连接而成，可通过直接缩聚或开环聚合（ROP）等方法合成。PLA的立体化学组成（如L-乳酸与D-乳酸的比例）决定了其结晶度，进而影响其力学性能。例如，高L-乳酸含量的PLLA通常形成半结晶结构，而PDLLA则多为无定形结构。

尽管PLA在药物递送系统、临时植入物和组织再生方面展现出巨大潜力，但其固有的力学性能缺陷严重限制了其在承重或高性能应用中的使用。纯PLA的拉伸强度约为50-70 MPa，压缩强度约为60-70 MPa，弹性模量约为3.5-4 GPa。这些数值虽然与人体皮质骨的下限范围（拉伸强度50-150 MPa，压缩强度100-200 MPa，弹性模量7-30 GPa）有部分重叠，但在高应力环境下仍显不足。此外，PLA还存在韧性差、冲击强度低、热稳定性不足以及降解行为难以预测等问题。

增材制造（AM）与金属增强策略

为了克服PLA的上述局限性，研究人员开发了多种增强策略，其中将金属颗粒（如钛、不锈钢、镁、银）引入PLA基体形成生物复合材料，并结合增材制造（AM）技术进行加工，已成为一种前沿且有效的方法。

增材制造，特别是材料挤出（ME）技术（如熔融沉积成型，FDM），因其能够制造复杂、定制化的几何形状，在生物医学应用中显示出巨大优势。该技术通常涉及两个关键步骤：首先通过熔融挤出将PLA与金属粉末均匀混合并制备成可打印的复合丝材；随后利用FDM等工艺进行逐层打印。

然而，该过程也面临诸多挑战，如金属颗粒在聚合物基体中的分散不均匀、聚合物与金属之间的界面结合力不足、打印过程中喷嘴堵塞风险增加，以及层间粘附力有限导致的力学性能各向异性等。因此，对打印参数（如喷嘴温度、打印速度、层高、填充密度）进行系统优化至关重要。研究表明，较高的喷嘴温度（通常高于PLA熔点）有助于改善PLA的流动性，从而更好地包覆金属颗粒并增强界面结合；而较慢的打印速度则允许更充分的层间融合，提高力学强度。此外，较小的层高虽然会增加打印时间，但通常能带来更好的表面光洁度和更高的力学性能。

金属增强剂的性能与作用机制

不同的金属填料为PLA复合材料带来了独特的性能提升，主要涵盖力学增强、抗菌活性和生物降解调控三个方面。

• •
  力学性能增强：金属颗粒的加入能显著提高PLA的拉伸强度、压缩强度和弹性模量。例如，研究表明，在PLA中加入15%的钛（Ti）颗粒，可使复合材料的弹性模量从纯PLA的2 GPa提升至4 GPa，实现翻倍增长。不锈钢（316L）的加入也被证明能将PLA的弹性模量提高多达六倍。镁（Mg）和银（Ag）等金属的加入，除了提供力学增强外，还能通过调控PLA的结晶行为来改善其韧性。
• •
  抗菌效应：银（Ag）和铜（Cu）是两种具有显著抗菌活性的金属。银纳米颗粒通过释放Ag⁺离子，能够破坏细菌细胞膜、干扰DNA复制和关键酶活性，从而发挥广谱抗菌作用。研究表明，在PLA-PEI纳米复合材料中加入2%的银，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）均表现出明显的抑菌圈。铜离子则通过类似的机制，在较低成本下提供有效的抗菌保护，并具有促进血管生成（Angiogenesis）的潜力。
• •
  生物降解调控：PLA在生理环境中通过酯键水解而降解，其降解速率对临床应用至关重要。镁（Mg）作为一种可生物降解的金属，其降解行为与组织愈合过程具有良好的匹配性。将镁颗粒引入PLA基体，不仅可以中和PLA降解产生的酸性副产物，维持局部pH环境的稳定，还能通过释放Mg²⁺离子促进成骨细胞（Osteoblast）的增殖和分化，从而加速骨整合（Osseointegration）过程。

界面结合与表面处理

金属与聚合物基体之间的界面结合强度是决定复合材料最终性能的关键因素。由于金属表面通常为亲水性，而PLA为疏水性，两者之间的界面结合力往往较弱，导致应力传递效率低下，力学性能提升受限。

为了改善界面结合，研究人员采用了多种表面处理策略。例如，使用多巴胺（Polydopamine）或硅烷（Silane）偶联剂对金属颗粒进行表面涂层处理，可以增加其与PLA基体的化学相容性，促进颗粒的均匀分散，并形成更强的化学键合。此外，在PLA基体中加入马来酸酐接枝PLA（MA-g-PLA）等相容剂，也能有效提高界面粘附力，从而显著提升复合材料的拉伸强度和韧性。

生物医学应用

金属增强PLA生物复合材料在生物医学领域展现出广阔的应用前景，特别是在组织工程、骨科和牙科植入物方面。

• •
  组织工程支架：利用增材制造技术，可以精确控制支架的孔隙结构、孔径大小和连通性，为细胞生长、营养输送和废物排出创造理想的三维微环境。例如，PLA/Mg复合支架不仅具有良好的力学支撑性能，其释放的Mg²⁺离子还能有效促进成骨细胞附着、增殖和分化，加速新骨形成。研究表明，PLA-6% Mg复合支架在细胞活力测试中表现出优于纯PLA的性能。
• •
  骨科与牙科植入物：PLA基复合材料可用于制造可生物降解的骨钉、骨板和牙科修复体。这些植入物在完成其临时支撑功能后，能够在体内逐渐降解并被新生组织替代，从而避免了二次手术取出的需要。例如，PLA/Ti复合材料结合了PLA的生物降解性和钛的优异力学性能与生物相容性，是承重骨缺损修复的理想候选材料。在牙科领域，PLA/Al₂O₃纳米支架被证明能显著提高牙科树脂的弯曲强度和压缩强度。

挑战与未来展望

尽管金属增强PLA生物复合材料取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首先，实现金属颗粒在PLA基体中的均匀分散和强界面结合仍然是一个技术难点。其次，金属离子的释放速率和浓度需要精确控制，以避免潜在的细胞毒性。此外，增材制造工艺的可重复性和打印件的表面质量仍有待进一步提高。

未来的研究应致力于开发更有效的表面改性方法和相容剂，以优化界面性能；开展更全面的体内研究，以评估材料的长期生物相容性和安全性；并探索更多种类的金属及其组合，以开发出性能更优异、功能更多元化的生物复合材料，最终推动其在临床上的广泛应用。