通过混合增材制造技术制备功能梯度材料支架，以提高其力学性能和亲水性

《Surface and Coatings Technology》：Functionally graded materials scaffolds by hybrid additive manufacturing for enhanced mechanics and hydrophilicity

　　

刘飞|陈旭|任志豪|王一茹|谢海琼|张凯菲|梁浩|袁成松

中国重庆400065，重庆邮电大学集成电路学院

摘要

受天然骨骼多相结构的启发，工程化支架在平衡机械性能与生物相容性以促进细胞增殖方面起着关键作用。本研究提出了一种创新的混合增材制造方法，结合浸渍固化与等离子体处理技术，制备出功能梯度材料支架，从而协同提升其机械性能与亲水性。通过成分与结构上的双梯度设计，可精确控制生物材料的沉积，实现聚合物与陶瓷在功能梯度材料支架中的渐变分布。该支架具有富含羟基磷灰石的外层以提高亲水性，以及聚乳酸核心以增强强度，这些特性已通过扫描电子显微镜、微CT、计算流体动力学分析及力学测试得到验证。等离子体蚀刻还能有效激活复合材料中的羟基磷灰石颗粒，使其官能团暴露出来，从而使支架的亲水性提升了169.7%。力学测试和有限元分析表明，该支架在保持较高初始模量与峰值强度的同时还具备一定延展性，而梯度设计则有助于避免突然失效。这种制造方法有效提升了功能梯度材料支架的机械性能与亲水性，为骨组织工程提供了良好的应用平台。

引言

人类骨骼体现了结构与材料的完美结合，是进化过程中形成的，兼具矿物质的强度与有机材料的韧性[1]、[2]。因此，理想的骨支架应同时具备机械强度[3]、生物相容性[4]、生物活性[5]、导骨性以及可降解性[6]——这些都是支持并引导骨修复与再生的重要因素[7]。由于具有优异的机械性能与生物相容性，合成聚合物常被用于骨再生研究[8]、[9]。然而，它们较差的生物活性与亲水性限制了其在生物医学领域的应用潜力[10]。纳米材料的引入为提升聚合物基体的生物活性提供了新途径[11]、[12]。羟基磷灰石是一种研究较为广泛的生物活性陶瓷，因其出色的组织相容性、优异的抗菌性能、无毒性以及pH适应性，被视为骨组织工程中的理想材料[13]、[14]。

由于能够促进骨组织的再生、增殖与分化，羟基磷灰石已成为复合支架中的重要组成部分[15]。赵等人[16]利用3D打印技术制备了连续碳纤维增强的羟基磷灰石复合支架，并将其植入大鼠体内，观察到新骨形成显著增加。值得注意的是，较高的羟基磷灰石与碳纤维比例会导致支架的延展性降低。王等人[17]也发现，含有30%羟基磷灰石的聚乳酸/羟基磷灰石复合支架能显著促进兔股骨中新骨的增殖，但羟基磷灰石的加入也会降低复合材料的机械强度。最近的研究进一步强调了羟基磷灰石在复合生物材料中的多重优势，尤其是其对成骨性能的提升作用[18]。将羟基磷灰石引入聚合物骨支架中，可增加表面粗糙度、润湿性及表面能，进而促进细胞黏附并助力细胞增殖。这种协同效应不仅提升了生物相容性，还有助于更有效的骨再生，凸显了羟基磷灰石在提升复合生物材料功能性能方面的关键作用[19]。

尽管如此，要实现理想的骨支架仍需面临一个关键的权衡：提升亲水性的努力往往要以牺牲机械完整性为代价[20]。这种微妙的平衡对于模拟天然骨骼的韧性至关重要，因为支架的机械强度是其承受体内生理负荷的基础[21]。与此同时，亲水性也是骨愈合的关键因素，它有助于实现细胞黏附、增殖与分化等重要过程[22]。功能梯度材料的应用使得可以调控材料性能，促进应力均匀传递，从而防止复合材料出现分层或断裂现象[23]、[24]。这种梯度结构设计的灵感源自仿生学，因为在生物组织中普遍存在材料成分的梯度变化[25]。例如，人体内从软骨到骨骼的过渡过程中，材料性能会逐渐变化，从而实现无缝的承重与机械适应。

正是出于这种仿生需求，多材料增材制造技术得到了快速发展，这类技术旨在复制自然界的梯度结构，并实现机械功能与生物功能的结合[26]、[27]。通过调整材料成分以匹配周围的生物环境，功能梯度材料能够更好地与宿主组织融合，因此特别适用于骨支架、牙科植入物及其他医疗设备等领域[24]、[28]。

以往的研究曾探讨过梯度支架设计，即以聚乳酸核心提供机械强度，同时通过表面分布的羟基磷灰石来提升亲水性[29]。但在这类羟基磷灰石-聚乳酸复合体系中，羟基磷灰石相通常嵌入连续的聚乳酸富集表层中，导致许多陶瓷颗粒无法接触到生理环境；此外，聚合物基质还会限制羟基磷灰石中的活性氢键与水分子之间的相互作用，因此未能充分实现预期的亲水性与生物活性提升效果[30]。Ur等人[31]进一步指出，通过不同工艺制备的热塑性羟基磷灰石-聚乳酸支架通常会被聚乳酸富集的表层覆盖，羟基磷灰石颗粒大多埋藏在表面之下，这进一步降低了它们与生理环境的接触程度。为了解决这一问题，可采用等离子体蚀刻技术来改变支架的表面化学性质与纳米级粗糙度[32]。表面氧化与等离子体诱导的蚀刻作用可使表面变得更为粗糙，并部分去除聚乳酸富集层，从而暴露出被包裹的羟基磷灰石官能团，进而提升支架的亲水性[33]。

在本研究中，设计了三周期极小曲面支架，其细胞尺寸呈梯度变化，如图1所示。通过结合浸渍固化技术的混合增材制造工艺，成功制备出了模拟骨-软骨界面的双梯度支架。该支架在宏观尺度上精确复制了人骨软骨的孔隙结构与材料组成，沿轴向细胞尺寸呈梯度变化，且羟基磷灰石含量也可调控，从而模拟骨小梁的分布特征。此外，通过等离子体蚀刻技术进一步提升了支架的亲水性，该技术能够激活复合材料中封装的羟基磷灰石。这种方法不仅能够保留聚乳酸优异的机械性能，还能通过羟基磷灰石显著提升支架的亲水性，从而实现机械性能与生物活性的良好平衡。

章节摘录

梯度支架设计

为模拟从皮质骨到骨小梁的过渡过程中矿物含量的变化以及孔隙大小的渐变，设计了一种沿支架轴向孔隙大小逐渐减小的支架结构。如图2所示，该支架是为基于光聚合的制造工艺而设计的。靠近皮质骨端的较小孔隙在涂层过程中可为更多的羟基磷灰石附着提供更大的表面积；而较大的孔隙则可模拟

支架表征

扫描电子显微镜观察结果展示了支架的微观形态，如图5所示。该支架准确再现了三周期极小曲面结构，羟基磷灰石-聚乳酸材料梯度层的均匀性也相当良好（见图5a）。如图5b和c所示，支架表面嵌有大量羟基磷灰石颗粒，呈现出粗糙的形态。梯度层的曲率与支架核心部分一致，因为该支架的设计遵循了三周期极小曲面结构的极小曲面特性。此外

结论

本研究采用基于光聚合的混合增材制造浸渍固化工艺，制备出了模拟天然骨骼的三周期极小曲面双梯度支架。该工艺能够精确控制支架的结构与材料组成。等离子体技术通过暴露羟基磷灰石的活性颗粒，提升了陶瓷-聚合物复合材料的亲水性。主要研究结论包括：

浸渍固化工艺能够在复杂结构的表面成功形成成分梯度层

作者贡献说明

刘飞：写作——审稿与编辑、指导、资源提供、资金获取、概念构思。陈旭：写作——初稿撰写、软件使用、实验研究、数据整理。任志豪：资源提供、项目管理、定量分析、概念构思。王一茹：写作——初稿撰写、结果验证、方法设计。谢海琼：资源提供、资金获取、定量分析。张凯菲：可视化处理、实验研究、资金获取。梁浩：可视化处理、软件使用。袁成松：

关于写作过程中生成式人工智能与人工智能辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者使用了OpenAI ChatGPT来优化语言表达与可读性。在使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅与修改，并对论文内容的真实性承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52205250、52305247）以及重庆市教育委员会（编号：KJQN202500638）的支持。作者还要感谢重庆生物智能制造研究院为本文提供的样品制备与实验测试支持。