石墨烯增强与梯度螺旋结构协同优化3D打印天然牙源性支架用于骨修复研究

本研究创新性地利用临床废弃牙齿作为可再生资源，开发了一种结合石墨烯（graphene）机械增强与仿生梯度Gyroid结构设计的3D打印羟基磷灰石（HA）支架系统。通过热处理标准化（500?°C）、石墨烯掺杂（0.3?wt%）及结构优化，显著提升了支架的打印性、力学性能（抗压强度达6.2?MPa）及细胞相容性（存活率>95%），为个性化负载响应型骨修复提供了可持续、高性能的解决方案。

　　

热标准化与材料表征

研究首先通过热重分析（TGA）确定了牙齿粉末的热分解行为，显示有机质在200–600?°C显著降解。选取90?°C、150?°C、500?°C和700?°C四个温度处理组，发现500?°C处理后的粉末具有最佳性能：傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示有机峰（如N–H、C=O）消失，磷酸盐峰（1090、1040?cm^?1）凸显；X射线衍射（XRD）证实羟基磷灰石（HA）结晶度提高；扫描电镜（SEM）和粒度分析显示颗粒均匀（D₅₀=16?μm），打印适应性最优。

光固化性能与打印性评估

通过数字光处理（DLP）技术评估不同温度处理粉末的打印性。500?°C组在曝光能量-固化深度关系中呈现适中斜率（0.39），打印结构孔洞边缘清晰、形变最小，而低温组（90?°C）和高湿组（700?°C）分别因颗粒不均和团聚导致打印缺陷。该组粉末具备窄粒度分布和良好分散性，被选为后续石墨烯复合的基础材料。

石墨烯复合支架的结构与光固化特性

在500?°C牙粉中掺入0.1–0.4?wt%石墨烯制备光固化浆料。扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）证实石墨烯以片状结构均匀分散。随石墨烯含量增加，光敏性略有下降（固化深度减小），但所有组别仍满足DLP打印要求。拉曼光谱和XRD显示复合物中HA晶相未改变，且石墨烯特征峰（D、G波段）因低浓度和基质干扰未被检出，EDS定量显示碳含量随添加量上升。

石墨烯增强支架的力学性能

压缩和三点弯曲测试表明，石墨烯显著提升力学性能：0.3?G-T组抗压强度达4.2±0.3?MPa（较纯HA提升200%），抗弯强度达4.1±0.3?MPa。超过0.3?wt%后性能略降，源于石墨烯团聚。断裂面分析显示，纯HA组呈脆性断裂，而石墨烯组呈现粗糙断面和延性变形，表明石墨烯通过桥接颗粒、延长裂纹路径增强韧性。

功能梯度Gyroid结构设计与多物理场模拟

设计四种Gyroid结构：高孔隙均匀（HP-U, 78%）、高孔隙梯度（HP-G）、低孔隙均匀（LP-U, 63%）和低孔隙梯度（LP-G）。有限元分析（FEA）显示，LP-G在100?N轴向载荷下应力分布最均匀，位移控制最佳。计算流体动力学（CFD）模拟表明，LP-G中心大孔设计提升平均壁剪切应力（WSS）25%，且渗透率保持在生理范围（10^?11–10^?8?m²），利于营养传输和细胞迁移。

梯度Gyroid支架的实验力学验证

DLP打印并烧结后，LP-G组抗压强度最高（6.2?MPa），失效模式为45°剪切带断裂，而高孔隙组为层状坍塌。梯度设计均优于均匀结构，证明径向梯度提升了载荷传递和结构稳定性。

体外生物相容性与细胞增殖评估

MTT法测试L929成纤维细胞活性：所有石墨烯组（0–0.4?wt%）和结构组（HP-U、HP-G、LP-U、LP-G）在1、3、5天均维持>95%存活率，无显著毒性。表明材料具备优良细胞相容性，支持纤维细胞增殖。

结论与展望

研究通过热处理标准化、石墨烯增强和梯度结构设计，实现了牙源性HA支架的打印性、力学性和生物相容性协同优化。LP-G结构结合0.3?wt%石墨烯赋予最高力学性能和流体力学适应性，为个性化骨修复提供新策略。未来需关注材料批次一致性、复杂载荷验证和体内成骨效能评估。