3D打印聚(L-乳酸)哈弗斯骨支架的微球晶表面构建及其生物相容性优化研究

本研究针对聚(L-乳酸)(PLLA)骨支架细胞亲和性低、局部炎症等问题，提出融合熔融沉积建模(FDM)3D打印与同质外延结晶(EC)技术的协同策略，通过吡啶二酸酐(PMDA)和1,3-苯基双噁唑啉(1,3-PBO)两步开环反应构建长支链结构，调控PLLA变形稳定性与结晶行为。优化同心圆间隙与挤出速率参数后，微球晶表面显著增加纳米级细胞附着位点，促进小鼠骨髓巨噬细胞(iBMDM)和胚胎成纤维细胞(NIH-3T3)的粘附增殖，为组织工程支架设计提供新思路。

　　

在骨组织工程领域，如何构建兼具仿生结构与生物活性的支架始终是核心挑战。传统聚(L-乳酸)(PLLA)支架虽具备可降解性和生物相容性，但表面光滑、细胞亲和性差，易引发局部炎症反应。更棘手的是，常规3D打印技术受限于微米级精度，难以制造促进细胞附着的纳米拓扑结构。与此同时，PLLA材料本身的结晶行为与力学稳定性矛盾亟待解决——既要保证支架在体内微环境中的结构完整性，又要实现与组织再生匹配的降解速率。这些矛盾制约着骨缺损修复的临床转化。

针对上述问题，四川省自然科学基金等项目支持的研究团队创新性地将熔融沉积建模(FDM)3D打印与同质外延结晶(EC)技术相结合，通过两步化学修饰和工艺优化，成功制备出具有微球晶表面的仿生哈弗斯骨支架。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，揭示了微观形貌调控与生物相容性的内在关联，为功能性骨支架设计提供了全新范式。

研究团队运用三大关键技术：首先采用吡啶二酸酐(PMDA)和1,3-苯基双噁唑啉(1,3-PBO)两步开环反应构建长支链(LCB)结构，通过流变学分析和FT-IR验证分子链改性效果；其次基于计算机辅助设计(CAD)构建仿哈弗斯骨单元的同心圆模型，系统优化FDM打印的挤出速率与层间间隙参数；最后通过溶剂蒸发诱导结晶法，在支架表面定向生长20-50μm的微球晶结构。

FT-IR和动态流变学分析
红外光谱显示PMDA先与PLLA末端羟基反应引入羧基，再与1,3-PBO发生开环缩合形成支链结构。流变测试证实改性后复数黏度提升2个数量级，表明成功构建可缠结的长支链网络。

微球晶形貌调控
SEM显示优化挤出速率(0.8mm/s)与同心圆间隙(150μm)时，支架表面形成完整β晶型球晶，其纳米纤维状次级结构提供大量细胞锚定位点。XRD证实结晶度从25%提升至42%。

生物相容性验证
体外实验表明，微球晶支架上iBMDM细胞24小时粘附率提高3.2倍，NIH-3T3细胞增殖活性增加178%。免疫荧光显示细胞伪足深入球晶间隙，形成机械互锁效应。

该研究突破性地实现了多尺度协同调控：宏观上通过FDM精确复制哈弗斯骨单元结构，介观上利用LCB改性平衡力学强度与降解性能，微观上借助EC技术构建仿生球晶拓扑。这种"结构-性能-功能"一体化设计策略，不仅解决了PLLA支架细胞亲和性差的行业难题，更开创了聚合物支架表面功能化新路径。研究揭示的纳米拓扑-细胞行为关联规律，对神经导管、皮肤再生等其它组织工程领域具有重要借鉴价值。未来通过引入生长因子负载等功能扩展，这类仿生支架在复杂骨缺损修复中展现出广阔前景。