聚乳酸/羟基磷灰石梯度支架的数字化光固化成型：结构-成分双重梯度设计助力多组织再生

本研究通过数字化光处理(DLP)技术，创新性地制备了具有结构和成分双重梯度的聚乳酸(PLA)/羟基磷灰石(HA)复合支架。采用多通道蠕动泵精确调控35-55 wt% HA梯度分布，结合三周期极小曲面(TPMS)结构设计，成功实现力学性能的连续过渡。该策略为骨软骨等多层组织界面再生提供了可定制化解决方案，突破传统离散层状支架的局限性。

　　

在组织工程领域，修复具有复杂分层的组织界面（如骨-软骨连接处）始终是重大挑战。传统离散层状支架存在界面剥离风险，且无法模拟天然组织的连续梯度特性。针对这一难题，意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）应用科学与技术系Lince实验室的研究团队创新性地将数字化光处理(DLP)技术与材料科学相结合，开发出具有结构和成分双重梯度的聚乳酸(PLA)/羟基磷灰石(HA)复合支架。这项突破性研究发表在《Applied Materials Today》期刊，为复杂组织再生提供了全新解决方案。

研究团队采用三大关键技术：1）通过20小时球磨制备亚微米级HA粉体（D₅₀=0.38 μm），优化35-55 wt%固含量浆料的流变性能；2）利用多通道蠕动泵实现四种HA含量（35/42/48/55 wt%）的连续梯度灌注；3）基于三周期极小曲面(TPMS)数学模型设计孔隙率80%的陀螺结构，并通过MSLattice软件实现结构梯度调控。

【材料表征与工艺优化】

流变测试显示所有浆料均呈现剪切稀化行为，在160 s^-1剪切速率下粘度均<5 Pa·s，满足打印要求。固化深度测试发现HA含量增加会增强光散射效应，55 wt%浆料在相同曝光能量下固化深度比35 wt%提高23%。

【梯度结构验证】

EDX元素分析证实成分梯度样本中Ca/P信号强度呈渐进变化，热重分析显示四个区域的HA实际含量与设计值误差<4.2%。显微CT显示结构梯度样本的单元尺寸从底部3.2 mm渐变至顶部1.8 mm，实现孔径的连续过渡。

【力学性能调控】

压缩测试揭示重要规律：致密样本中，35 wt% HA的PLA复合材料表现出最优力学性能（弹性模量1.23 GPa），高于55 wt%样本（0.75 GPa）。而梯度样本（35-55 wt%）性能介于两者之间（0.98 GPa），证实了梯度设计的可控性。陀螺结构样本由于80%孔隙率，模量降低两个数量级，但展现出相同的梯度调控趋势。

【生物学初步评价】

溶胀实验显示HA的引入使PLA吸水率从2.1提升至2.4，显著改善材料亲水性。MTT实验证实所有样本浸提液对人真皮成纤维细胞活力无负面影响（存活率110±12%），满足ISO 10993-5生物相容性要求。

这项研究的意义在于首次实现DLP技术下PLA/HA支架的双重梯度一体化制造，突破传统多步加工的局限。通过精确调控HA梯度分布（35-55 wt%）与TPMS结构参数，成功模拟了天然组织界面的力学渐变特性。特别值得注意的是，研究者创新性地采用多通道蠕动泵实现四种浆料的动态混合，相比传统多喷头系统更易实现连续梯度。未来通过优化HA表面改性（如硅烷化）和引入天然聚合物（如明胶），可进一步提升界面结合力和生物活性。该技术为骨软骨等复杂组织再生提供了全新平台，通过计算机流体力学(CFD)辅助设计，有望实现更精准的渗透性调控，推动个性化组织工程支架的临床转化。