3D打印PHA复合材料中壳聚糖限域羟基磷灰石/Mg(OH)?生物陶瓷畴的界面集成与水化介导释放行为

《Ceramics International》：Interfacial integration and hydration-mediated release behavior of chitosan-confined hydroxyapatite/Mg(OH) 2 bioceramic domains in 3D-printed PHA composites

　　

摘要

制备了壳聚糖限域的羟基磷灰石/Mg(OH)₂结构域，以改善3D打印聚羟基烷酸（PHA）复合材料的界面连续性并在水化过程中调节释放行为。虾壳来源的壳聚糖、鱼鳞来源的富含羟基磷灰石的微米颗粒（HMP）以及Mg(OH)₂经三聚磷酸盐交联形成壳聚糖/HMP/Mg(OH)₂（CHM）微球。将微球与马来酸酐相容化的PHA（CPHA）进行熔融共混，并以直接共混的天然PHA（nPHA）/HMP配方作为参考。CPHA/CHM表现出更连续的聚合物-微球界面，在10 wt% CHM时达到20.6 ± 1.3 MPa的抗张强度。四种代表性打印配方的平均开孔率为56.8–58.2%。在10 wt%添加剂用量下，CPHA/CHM的压缩屈服应力为7.8 ± 0.6 MPa，而nPHA/HMP为5.7 ± 0.7 MPa。在相同的名义添加剂用量下，含CHM的复合材料表现出较低的吸水率和质量损失，同时在浸提物中检测到多糖相关物种。模拟体液试验显示，表面逐渐形成富含钙磷的沉积物，溶液中钙和磷酸盐浓度的下降幅度较小，pH变化更为缓和。浸提物筛查结果显示，CPHA/CHM 20 wt%的IL-6水平为LPS处理组的73.96%，大肠杆菌和金黄色葡萄杆菌的菌落计数在30天浸提物取样点降至零。结果揭示了不同配方在界面连续性、载荷响应、水化和浸提物活性方面的差异，但未确立扩散控制或晶体磷灰石的形成。

引言

生物陶瓷相被广泛掺入增材制造聚合物复合材料中，因为它们提供了矿物的反应活性和表面成核位点，而聚合物相提供了熔融加工性能和形状保持能力 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。近期的含陶瓷支架系统表明，仅组成并不决定性能；相分布、界面接触和水相可达性也会影响矿物沉积和材料稳定性 [9], [10], [11], [12]。海洋废弃物在此背景下十分有用，因为鱼鳞可转化为富含羟基磷灰石的颗粒，虾壳可提供壳聚糖，而聚羟基烷酸（PHA）提供了一种适合熔融加工的的生物降解热塑性基质 [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。

将亲水性矿物颗粒直接添加到相对疏水的热塑性塑料中会导致颗粒拔出、界面间隙、局部应力集中和优先水通道区域。虽然增加的矿物暴露可能加速模拟体液（SBF）响应，但也可能增加吸水率和机械性能损失。因此，陶瓷-界面设计必须在矿物可达性与富含聚合物相的连续性之间取得平衡 [26], [27], [28]。

内部聚合物-陶瓷边界将载荷传递与水化和可释放物种的可达性联系起来。吸水率、质量损失、溶液组成和释放曲线可以揭示这种水相响应的差异，尽管需要直接的扩散或渗透性测量来量化传输。在此，利用这些测量来比较两种复合材料系列的水化和释放行为。

通过水包油乳化和聚磷酸盐（TPP）离子交联形成的壳聚糖微球可以包裹无机颗粒并改变它们对水相介质的可达性 [29], [30], [31]。将此类微球纳入热塑性基质中可以减少矿物-基质的直接接触，同时保留富含水合多糖的结构域。这种一体化加工路线相比直接颗粒填充或后加工涂层仍较少被探索。

利用虾壳来源的壳聚糖和鱼鳞来源的富含羟基磷灰石的HMP（图1a、b）制备了共负载Mg(OH)₂的CHM微球（图1c）。将微球分散在马来酸酐相容化的PHA（CPHA）中，然后进行丝材挤出和熔融沉积成型（图1d）。直接共混的nPHA/HMP配方作为参考。由于系列间基体和添加剂组成均不同，该比较评估的是综合配方，而非各组分单独的贡献。研究了界面形貌、所选打印配方的拉伸响应、开孔率和压缩性能、水化、质量损失、溶液相离子变化、SBF诱导的Ca-P沉积以及基于浸提物的响应。

章节摘要

材料

商用聚羟基烷酸（nPHA，EM 5400F）购自深圳艾康曼生物科技有限公司（中国）。先前的研究将该牌号描述为聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)（PHBV），报道了重均分子量（M_w）为5.92 × 10⁵ g mol^?1，数均分子量（M_n）为3.26 × 10⁵ g mol^?1，以及多分散性指数为1.82 [32]。这些是同一商用牌号的文献值，而非本批次的测量值；确切的

HMP表征与微球制备

对单独提取的HMP的表征显示，在约25.9°、31.8°、32.2°、32.9°、34.1°、39.8°、46.7°、49.5°和53.2°（2θ）处出现衍射峰，使用六方磷灰石标记法分别归属于羟基磷灰石的(002)、(211)、(112)、(300)、(202)、(310)、(222)、(213)和(004)衍射峰 [38]（图S6a）。相邻的(211)、(112)和(300)特征在粉末图谱中可以区分。使用Cu Kα辐射的(300)和(002)位置得到近似晶格参数a ≈

结论

通过将CHM微球嵌入马来酸酐相容化基质中，将壳聚糖限域的富含羟基磷灰石的HMP/Mg(OH)₂结构域纳入3D可打印PHA基复合材料中。四种代表性打印配方的平均开孔率为56.8–58.2%。与直接填充的nPHA/HMP系列相比，CPHA/CHM表现出更少的开放界面间隙，在10 wt% CHM时达到20.6 ± 1.3 MPa的抗张强度，并在相应的

CRediT作者贡献声明

Dung-Yi Wu：可视化、验证、资源、调查。Nuo Xu：写作—初稿、项目管理、调查、形式分析、数据整理。Chi Hui Tsou：写作—审阅与编辑、写作—初稿、方法论、资金获取、形式分析、概念化。Chin-San Wu：写作—审阅与编辑、验证、监督、方法论、形式分析。Shan-Shue Wang：资源、调查

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

支持本研究发现的数据可在合理要求下从通讯作者处获取。

资金声明

作者感谢四川省科技支撑计划（2026JDRC0041）的资助；以及四川省科学与工程学院研究生创新基金（C2026063）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

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