3D打印PCL/镁橄榄石支架结合定向胶原与脱矿骨基质在颅骨再生中的体外评估：力学增强与细胞迁移促进新策略

本研究创新性地结合3D打印与定向冷冻铸造技术，开发了具有径向排列微通道结构的PCL/FO（镁橄榄石）复合支架。该支架通过添加胶原（Collagen）与脱矿骨基质（DBM）显著提升机械性能（杨氏模量达100 MPa）、降解可控性（12%/月）及细胞增殖能力（2.4倍），为颅骨修复（Cranioplasty）提供了兼具力学支撑与生物活性的理想平台。

　　

Forsterite fabrication

镁橄榄石（FO）采用溶胶-凝胶燃烧法合成。以六水合硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6H₂O）和正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体，甘氨酸为燃料，硝酸为催化剂。先将甘氨酸（2.22 M）与硝酸镁（2 M）溶液混合，再加入TEOS（2 M）。溶液表面形成的TEOS透明层经搅拌后与硝酸混合，80°C加热形成凝胶，最终在900°C煅烧2小时获得FO粉末。

Forsterite characterization

XRD图谱显示FO具有高结晶度特征峰（JCPDS 96-901-3095），同时在27.8°和31.1°处存在顽火辉石（MgSiO₃）特征峰。根据Scherrer公式计算，FO粉末平均晶粒尺寸约为37.3 nm。FESEM显示颗粒呈球形且轻微团聚，粒径分布为100-500 nm。

Discussion

颅骨缺损中存在干细胞稀缺、血管形成不足及界面融合不匹配等问题，因此无细胞支架成为实现颅骨重建的关键策略。本研究通过融合3D打印与冷冻铸造技术，构建了支持细胞迁移和组织整合的新型支架。颅骨的核心功能是保护大脑，因此高机械强度至关重要。PCL/FO复合支架通过FO的增强作用显著提升力学性能，而定向冷冻铸造形成的胶原-DBM径向微通道网络不仅模拟天然细胞外基质（ECM）结构，还通过释放镁离子和DBM中的生物活性因子协同促进成骨分化与血管生成。

Conclusion

本研究成功开发了一种用于颅骨再生的3D打印可降解复合支架。PCL-FO基质提供力学支撑，胶原与DBM通过冷冻铸造植入纤维间隙，显著增强生物相容性与细胞迁移能力。添加10% FO使机械强度较纯PCL提升42%，且4周体外降解率控制在12%，完美平衡结构稳定性与生物降解需求。径向排列的微通道结构促进细胞浸润（2.4倍增殖提升），镁离子持续释放与DBM的成骨诱导特性共同赋能支架的生物活性。该多级结构设计为颅骨缺损修复提供了创新性解决方案。