聚乳酸绿色凝胶构建多孔支架的创新机制与生物医学应用研究

为解决传统聚乳酸(PLA)加工需高温或有机溶剂的局限，瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)团队通过系统筛选20种生物基溶剂，开发出基于乙基乳酸(EL)、γ-戊内酯(GVL)、二氢左旋葡萄糖烯酮(Cyrene?)和异山梨醇二甲醚(DMI)的PLA绿色凝胶体系。研究发现相分离诱导快速凝胶化(EL/GVL)可形成刚性支架，而结晶诱导慢速凝胶化(Cyrene?/DMI)产生柔性支架，为生物可降解材料加工提供了环境友好的新策略。

　　

在生物医学领域，聚乳酸(PLA)因其优异的生物相容性和可降解性被广泛应用于缝合线、骨科固定装置等医疗产品。然而传统PLA加工面临两大困境：熔融加工需要170-200°C高温，会破坏温度敏感的生物活性成分；溶液加工则依赖有毒石油基溶剂，存在环境和健康风险。如何实现PLA的绿色、低温加工，同时保持材料的多孔结构和力学性能，成为制约其生物医学应用的关键瓶颈。

瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的Wuchao Wang、René M. Rossi和Kongchang Wei团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，通过创新性地开发PLA绿色凝胶体系，为这一难题提供了突破性解决方案。研究人员采用溶解度参数筛选结合实验验证的方法，从20种生物基溶剂中优选出4种低毒高沸点溶剂（EL、GVL、Cyrene?和DMI），系统研究了其凝胶形成机制及后续支架制备工艺。

关键技术包括：基于Hansen溶解度参数建立三维溶剂筛选模型；通过流变学表征凝胶的剪切稀化和自恢复特性；采用X射线衍射(XRD)分析凝胶晶体结构；结合注射成型与溶剂交换制备多孔支架；利用差示扫描量热法(DSC)和扫描电镜(SEM)分别表征材料热学性能和微观形貌。

3.1 生物基溶剂筛选

通过改进的Hansen三维空间模型，研究人员发现具有-COO-结构的溶剂（如EL、GVL）和极性环状溶剂（如Cyrene?、DMI）最有利于PLA溶解。实验证实这四种溶剂在120°C下能完全溶解PLA颗粒，且沸点>150°C的特性为后续加工提供了宽泛的温度窗口。

3.2 PLA绿色凝胶形成

研究发现溶剂化学结构决定凝胶机制：含-COO-的EL和GVL通过相分离实现快速凝胶化（<1小时），而Cyrene?和DMI则通过结晶过程缓慢成胶（>4小时）。流变学测试显示所有凝胶均具有剪切稀化和自恢复特性，其中低浓度(4wt%)EL凝胶的自恢复率可达88%。

3.3 多孔支架制备

通过注射成型结合水相溶剂交换，成功制备孔隙率85%的PLA支架。相分离形成的EL/GVL支架呈现致密微孔结构，压缩模量达15MPa；而结晶形成的Cyrene?/DMI支架具有海绵状结构，模量仅为0.5MPa。DSC分析表明前者结晶度更高，这与XRD检测到的α晶型(2θ=16.9°)形成机制相符。

该研究不仅建立了生物基溶剂筛选的标准化流程，更揭示了溶剂特性-凝胶机制-支架性能的构效关系。相分离诱导的快速凝胶化适用于需要刚性支撑的医疗器件，而结晶诱导的慢速凝胶化则更适合柔性组织工程支架。这种绿色加工技术突破传统高温工艺限制，为载药支架、细胞支架等生物医学产品的开发开辟了新途径。特别值得注意的是，研究中发现的"溶剂依赖性凝胶机制"为其他生物可降解聚合物（如PHBV、纤维素）的加工提供了普适性指导原则，推动整个生物材料领域向更环保、更精准的方向发展。