3D打印压电性PVDF/PLA/BTO复合多孔椎间融合器：仿生结构设计、力学性能与骨整合效应研究

本研究针对传统脊柱融合器骨整合能力不足和力学性能不匹配的临床难题，开发了一种具有压电效应的3D打印多孔椎间融合器。通过将聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)和钛酸钡(BTO)复合，成功制备出具有良好压电效应和打印性能的复合材料，并系统验证了其促进骨整合的显著效果，为脊柱融合手术提供了创新解决方案。

　　

在脊柱外科领域，退行性椎间盘疾病是导致慢性疼痛和功能障碍的主要原因之一，而椎间融合术是目前最有效的治疗方法。然而，临床常用的钛合金和聚醚醚酮(PEEK)融合器存在明显局限性：钛合金的弹性模量远高于椎体骨，易导致应力遮挡效应，引发假体松动和沉降；而PEEK材料虽然具有与松质骨相近的弹性模量，但其生物惰性导致骨整合能力不足，往往造成融合不完全和恢复期延长。这些缺陷成为影响脊柱融合手术成功率的关键因素。

为突破这些技术瓶颈，研究人员受到天然骨组织压电特性的启发——骨骼本身是一种天然的压电材料系统，在受力时会产生极化和表面电荷。这种生物电信号能够调节成骨细胞分化、增强血管通透性并增加局部血流，从而显著促进骨整合过程。基于这一仿生学理念，研究团队创新性地将压电材料与3D打印技术相结合，开发具有生物电刺激功能的新型椎间融合器。

本研究发表在《Materials Today Bio》期刊，研究人员通过熔融共混和挤出工艺制备了PVDF/PLA/BTO复合线材，采用熔融沉积成型(FDM)技术打印具有三角形晶格结构的多孔融合器。通过扫描电镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、流变学测试、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热机械分析(TMA)等手段系统表征了材料的微观结构、热行为、流变性能和压电特性。通过体外细胞实验评估了材料的生物相容性，并利用绵羊颈椎融合模型进行为期三个月的体内实验，通过显微CT和组织学分析评价骨整合效果。

3.1. PVDF基复合线材的3D打印性能表征

研究人员制备了四种复合材料：PVDF、PVDF/BTO、PVDF/PLA和PVDF/PLA/BTO。SEM显示BTO纳米颗粒在聚合物基质中分散均匀，元素分布图证实各组分分布均衡。DSC分析表明PLA和BTO的加入对PVDF的结晶行为影响不大，但BTO对PLA和PVDF结晶具有成核作用。流变学测试发现PLA的加入提高了低频区的初始储能模量和复数粘度，表明熔体强度增强。3D打印质量评估显示，纯PVDF和PVDF/BTO存在明显翘曲问题，而添加15wt% PLA的PVDF/PLA和PVDF/PLA/BTO则表现出良好的尺寸稳定性和打印表面质量。力学性能测试表明PVDF/PLA/BTO的抗拉强度最高达到51.46±2.4 MPa，能够满足椎间融合器的生物力学要求。

3.2. 3D打印PVDF基复合材料的压电效应

FTIR分析显示，纯PVDF中α相(764cm^-1)特征峰明显，而加入BTO和PLA后，β相(842cm^-1和1279cm^-1)峰强度增强。PVDF/PLA/BTO的β相含量高达68.9%，显著高于纯PVDF的50.5%。压电测试表明，在100N准静态轴向压力下，PVDF/PLA/BTO产生的压电电压达到63mV，远高于其他组别，证实其具有优异的压电性能。

3.3. 3D打印PVDF多孔部件的压缩和压电效应

研究人员设计了填充密度分别为40%、50%、60%和70%的三角形多孔结构。压电测试显示，填充密度为40%的样品产生的开路电压最高(465mV)，且压电信号强度与填充密度呈负相关。压缩性能测试表明，所有样品在应变低于0.1时均保持完整结构，填充密度为60%的样品抗压强度达到34.55±3.14MPa，与文献报道的PEEK/钽(Ta)复合多孔笼状结构性能相当(约50MPa)，能够满足椎间融合器的力学要求。

3.4. 3D打印PVDF基复合材料的生物学性能

体外细胞实验显示，所有PVDF基材料的细胞存活率均超过80%，表明BTO和PLA的加入对生物相容性无负面影响。荧光染色观察显示细胞在材料表面 robustly 增殖。有限元分析(FEA)模拟表明，设计的融合器结构应力分布合理，无严重应力集中情况。绵羊体内实验显示，PVDF/PLA/BTO融合器在植入三个月后，新骨形成量明显多于PEEK对照组，骨组织与融合器接触更紧密。组织学分析显示，PVDF/PLA/BTO组三个月时新骨表面积占比达到73%，而PEEK组仅为42%；五个月时PVDF/PLA/BTO组新骨组织表面积超过90%，表现出优异的骨整合能力。显微CT三维重建显示，PVDF/PLA/BTO融合器内的骨体积占比达到76.8%，显著高于PEEK对照组的49.3%。

本研究成功开发了一种具有压电效应的3D打印多孔椎间融合器，通过PVDF、PLA和BTO的复合优化，解决了纯PVDF打印过程中的翘曲问题，同时显著提高了材料的β相含量和压电性能。三角形晶格结构设计在保证力学性能的同时，提供了优异的压电输出和骨长入空间。体内外实验证实该融合器具有良好的生物相容性和显著的骨整合促进作用，其性能优于传统PEEK材料。该研究为脊柱融合手术提供了一种具有生物电刺激功能的创新解决方案，实现了仿生结构设计、力学性能调控和生物功能化的有机结合，在生物材料和组织工程领域具有重要的应用前景。