直接墨水书写生物活性PCL/锂皂石骨植入物的多尺度调控：设计-工艺-结构-功能的协同优化

本研究针对非承重骨科植入物在结构完整性、表面介导骨整合和定制几何形状方面的临床需求，开发了一种基于直接墨水书写(DIW)的聚己内酯(PCL)/锂皂石(LP)复合植入物可调控策略。通过优化墨水配方和打印取向，系统研究了形状保真度、力学性能和细胞响应之间的复杂相互作用。研究发现0°打印取向可增强丝状排列表面形貌，显著促进成骨细胞附着、增殖和矿化；而90°打印取向由于改善丝间结合而获得更高力学性能。增加LP负载量(最高30%)通过提高墨水粘度改善形状保持，使杨氏模量提升110%，并通过引入亲水和生物活性信号增强表面活性。该研究为临床需求提供了可调控的生物活性和表面活性植入物工程策略。

　　

在骨科修复领域，个性化骨植入物的开发一直面临重大挑战。传统制造方法难以满足患者特异性几何形状的需求，而现有3D打印技术又常在结构完整性、表面活性和力学性能之间难以平衡。聚己内酯(PCL)作为FDA批准的生物材料虽具有良好生物相容性，但其杨氏模量低于天然骨组织且骨传导潜力有限。与此同时，临床对非承重骨科应用(如引导骨再生、颅颌面重建等)的需求日益增长，这些场景既需要植入物提供结构稳定性，又要支持表面介导的骨整合。这些矛盾需求促使研究人员探索新型制造策略。

为解决这些问题，Hongyi Chen等人在《Biomedical Technology》发表研究，开发了基于直接墨水书写(DIW)的PCL/锂皂石(LP)复合植入物工程框架。研究通过调节墨水配方和打印取向，系统研究了形状保真度、力学性能和细胞响应之间的复杂相互作用。主要技术方法包括：采用旋转流变仪分析墨水流变性能；通过X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)评估结晶度；利用微计算机断层扫描(micro-CT)和扫描电镜(SEM)进行三维结构表征；通过人成骨细胞(HOB)培养评估细胞活性、增殖和矿化能力；使用万能试验机测试力学性能。

研究结果部分，3.1节流变性能显示：LP加载有效增加零剪切粘度η₀，增强剪切稀化行为，并延长松弛时间τ。3.3节结晶度评估发现：LP作为成核位点，当负载密度超过10%时显著提高PCL结晶度；90°打印样品比0°取向具有更高结晶度。3.4节结构表征表明：增加LP浓度增强丝状保留，但导致更明显的丝间界面；0°取向增加表面粗糙度和润湿性，接触角从101.9°(PCL 90°)降至79.4°(PCL/30LP 0°)。3.5节力学性能测试显示：90°取向样品表现出更高杨氏模量(E)、极限抗拉强度(UTS)和断裂应变(FS)；LP加载使E增加达110%，但降低UTS和FS。3.6节体外评估证实：PCL/30LP样品细胞存活率>97%；0°取向引导细胞沿丝状排列；LP簇吸引细胞并促进附着；PCL/30LP的代谢活性和钙沉积显著高于纯PCL。

研究结论与讨论部分强调，这项工作揭示了DIW打印中材料特性、打印取向、结构完整性和细胞相互作用间的复杂关系。与熔融沉积建模(FDM)不同，DIW打印的90°取向样品因更好的丝间结合而表现出更优力学性能。0°取向虽降低力学性能，但其表面图案引导细胞排列，增强增殖和矿化。增加LP浓度提高墨水粘度、形状保持、表面活性和机械模量，但也导致团聚效应。该研究为临床需求提供了可调控策略，平衡了植入物的结构、力学和生物活性，在颅颌面重建等非承重骨科应用中具有重要价值。未来结合机器学习或响应性生物材料，可进一步发展个性化治疗策略。