WE43镁合金增强3D打印PLA复合材料的骨组织工程性能评估：结构-功能关系与生物相容性研究

本研究针对传统骨植入材料存在的应力屏蔽、二次手术等问题，通过溶剂蒸发-挤出法制备含不同浓度(5%/10%/15%)WE43镁合金的3D打印PLA复合材料支架。系统评估显示10%WE43组在机械强度(弹性模量6.45 GPa)、降解速率(18.2%重量损失)与细胞相容性(形成细胞簇)间取得最佳平衡，为开发兼具可降解性和成骨活性的个性化骨修复材料提供了新策略。

　　

在骨科临床实践中，金属植入物如钛合金虽具有优异机械性能，但存在应力屏蔽效应和需二次手术取出等问题；而单纯聚乳酸(PLA)又面临降解速率慢、力学强度不足的局限。如何开发兼具生物可吸收性和仿生力学性能的骨修复材料，成为再生医学领域的重大挑战。

为突破这一技术瓶颈，研究人员创新性地将生物活性金属WE43镁合金(含4%钇和3%稀土元素)与PLA复合，采用溶剂蒸发结合双次挤出工艺制备了含5%、10%、15%WE43的3D打印线材。通过熔融沉积成型(FDM)技术构建立方体支架后，系统研究了镁含量对材料尺寸稳定性、孔隙特征(汞孔隙仪测定)、力学性能(Instron 5565A测试)、降解行为(7周PBS浸泡)及细胞响应(h-FOB成骨细胞模型)的影响。

关键技术方法包括：1) 复合线材制备采用125 g/L氯仿溶液共混-蒸发工艺；2) 3D打印参数设定为180°C喷嘴温度/60°C热床温度；3) 生物活性通过14天SBF浸泡结合SEM/EDX和ICP-MS多维度评估；4) 细胞实验涵盖Alamar Blue活力检测、ALP活性(pNPP法)和钙离子浓度(o-甲酚酞络合酮比色法)测定。

3.1 尺寸稳定性与成型质量

研究发现5%WE43组尺寸偏差最小(5.05±0.09 mm)，而15%WE43组出现高度收缩(4.91±0.10 mm)和表面粗糙度增加。SEM显示所有样品表面均存在挤出导致的脊沟结构，WE43颗粒均匀分散(图3)。

3.3 孔隙特征

汞孔隙仪检测揭示10%WE43组具有最大孔隙率(23.6%)和适中孔径(5.19 μm)，而15%WE43组孔径最小(3.17 μm)。这种多级孔隙结构有利于营养输送和细胞迁移，接近松质骨(50-90%孔隙率)的生物学要求。

3.4 降解行为

7周降解实验显示10%WE43组失重率达18.2%，显著高于纯PLA(0.1%)。SEM观察到WE43颗粒溶蚀形成的表面凹陷(图5)，EDX检测到降解产物中含Mg、Ca、P元素，证实了镁离子促进PLA水解的协同降解机制。

3.5 力学性能

15%WE43组展现最优机械性能，压缩强度达740.6±20.1 MPa，弹性模量6.45±1.07 GPa，与皮质骨(6-30 GPa)匹配，可有效避免应力屏蔽。但维氏硬度测试显示纯PLA最高(0.31 GPa)，可能与镁颗粒影响压痕形变有关。

3.6 生物活性与细胞响应

SBF浸泡14天后，10%WE43组Ca/P离子消耗最显著(ICP-MS)，表明其促进羟基磷灰石沉积能力最强。h-FOB细胞实验显示，10%WE43组细胞簇形成明显(图10)，但7天时15%WE43组因Mg²⁺过量释放(42.6 mg/L)导致活力下降。ALP活性检测发现5%WE43组成骨分化诱导效果最佳，提示适宜镁浓度对激活碱性磷酸酶催化中心具有关键作用。

这项发表于《Biomaterials Advances》的研究证实，10%WE43/PLA复合材料在成型精度(宽度偏差<8%)、降解速率(3周启动降解)和生物相容性(细胞簇形成)之间实现了最佳平衡。其创新价值在于：1) 通过WE43合金调控PLA降解动力学，解决传统聚合物降解滞后问题；2) 6.45 GPa弹性模量有效匹配天然骨力学需求；3) 镁离子持续释放创造促成骨微环境。该工作为开发新一代个性化骨修复支架提供了重要理论依据和技术路径，特别适用于需要长期力学支撑的承重骨缺损修复场景。未来研究可进一步优化孔隙互连结构，并探索稀土元素(Y/RE)对成骨分化的特异性调控机制。