基于增材制造与静电纺丝技术的聚己内酯/石墨烯复合支架设计、制备与性能评价

这篇研究创新性地结合增材制造（AM）和静电纺丝技术，开发了具有多尺度结构的聚己内酯（PCL）/石墨烯复合支架。通过优化工艺参数，实现了87%的纳米纤维定向排列，机械性能提升186%，细胞增殖增强23%。该研究为兼具力学强度与生物活性的骨组织工程支架提供了新策略，填补了混合制造技术系统化研究的空白。

　　

1 引言

骨组织工程面临的关键挑战是如何模拟骨骼复杂的层级结构。传统生物移植物存在免疫排斥等问题，而合成支架需平衡力学性能与生物活性。静电纺丝（electrospinning）能制备促进细胞黏附的纳米纤维（20-5000 nm），但力学强度不足；增材制造（AM）可精确控制三维拓扑结构，却难以引导细胞生长。本研究通过融合两种技术，以聚己内酯（PCL）为基材，石墨烯（graphene）为功能填料，开发多尺度复合支架。

2 材料与方法

2.1 材料制备

采用液相剥离法制备石墨烯纳米片（≈500 nm，3-4层），通过溶液混合（PCL/乙酸）和熔融共混（150°C）分别制备静电纺丝和3D打印材料。优化后的静电纺丝参数包括17 kV电压、2 mL/min流速，3D打印参数为90°C喷嘴温度、330 μm纤维直径。

2.2 支架设计与制造

• 2D纳米纤维膜：旋转收集器制备的PCL/1 wt.%石墨烯（RG1）纤维直径249±78 nm，拉伸模量达53±5 kPa。
• 3D微纤维支架：PCL/3 wt.%石墨烯（G3）压缩模量54.15±5.69 MPa，匹配松质骨力学需求。
• 混合支架：将RG1纳米纤维垂直纺丝于3D支架表面，通过图像分析确认87%纤维与微纤维呈0°-10°排列（图6）。

2.3 表征技术

• FTIR：1721 cm^-1处羰基峰证实PCL与石墨烯的氢键相互作用（图1）。
• TGA：石墨烯负载量误差<10%（表4-5）。
• SEM：混合支架纳米纤维直径300±45 nm，均匀覆盖微纤维（图5）。

3 结果与讨论

3.1 2D纳米纤维膜特性

• 生物活性：RG1组细胞增殖率最高，因石墨烯促进细胞间信号传导（图4a）。
• 力学性能：旋转收集的RG1拉伸强度达998±5 kPa，比静态收集高3%（图3）。

3.2 混合支架性能

• 表面润湿性：PCL/3 wt.%石墨烯混合支架接触角118.55°±1.95°，呈疏水性（图7a）。
• 力学增强：G3组压缩模量较纯PCL提升51%，且纳米纤维层未显著影响整体力学性能（图7b）。

4 结论与展望

该研究证实混合制造技术可协同提升支架的力学强度（微纤维）与生物活性（纳米纤维）。未来需深入探究石墨烯浓度对纤维形貌的调控机制，并通过动物实验验证骨再生效果。单层石墨烯改性或可优化表面亲水性，为临床转化提供新思路。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加主观推断）