源自Polymesoda erosa贝壳的生物源性羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）调控三维（three-dimensional, 3D）打印聚乳酸（polylactic acid, PLA）/聚己内酯（polycaprolactone, PCL）骨组织工程支架的结构–性能–表现关系

《Next Materials》：Biogenic hydroxyapatite derived from Polymesoda erosa shells tunes structure–property–performance in 3D-printed PLA/PCL scaffolds for bone tissue engineering

　　

三维（3D）打印聚合物–陶瓷支架在骨组织工程（bone tissue engineering, BTE）中具有前景，但平衡刚度、压缩完整性、降解与生物活性仍具挑战。本研究将Polymesoda erosa来源的生物源性羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）作为熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）制备PLA/PCL支架的可持续磷酸钙填料进行研究。研究人员制备并表征了含0、40、45和50?wt% HA的PLA/PCL/HA丝材与支架，采用扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（scanning electron microscopy–energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM–EDX）、元素映射、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱（attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）、压缩测试、磷酸盐缓冲盐水（phosphate-buffered saline, PBS）降解及模拟体液（simulated body fluid, SBF）生物矿化进行分析。SEM–EDX证实含HA丝材与支架中存在Ca–P分布，XRD与FTIR验证打印支架中HA得以保留。HA掺量提高了支架结晶度、表面粗糙度、孔隙率与Ca–P暴露程度。弹性模量从PLA/PCL的142.11?MPa增至PLA/PCL/50HA的368.73?MPa，证实HA诱导刚化效应。然而，50?wt% HA时压缩强度由33.42?MPa显著降至19.90?MPa，源于填料团聚、孔隙不规则与应力集中。稳定pH?7的PBS中降解随HA掺量增加而上升，42天失重由PLA/PCL的1.63%升至PLA/PCL/50HA的8.50%。SBF浸泡产生富Ca、非化学计量类磷灰石沉积，表明矿化增强。PLA/PCL/45HA在刚度、压缩完整性、降解与矿物沉积间取得最佳平衡。这些发现证明了Polymesoda erosa来源HA在开发可持续、生物活性3D打印骨支架中的潜力。

该研究发表于《Next Materials》。目前骨组织工程（bone tissue engineering, BTE）在治疗临界尺寸骨缺损方面具有重要意义，但成功骨修复仍依赖能在早期愈合阶段提供临时力学支撑并保持结构完整的支架，同时还需促进细胞黏附、增殖、成骨分化、血管化与细胞外基质重塑，单一支架体系难以兼顾上述功能，使支架材料设计仍处于研究核心。现有三维（three-dimensional, 3D）打印虽可精确控制几何与孔隙结构，但挤出成型中材料配方与工艺参数共同决定性能。聚乳酸（polylactic acid, PLA）与聚己内酯（polycaprolactone, PCL）因生物相容性、可降解性与可打印性被广泛用于3D打印支架，PLA提供较高刚度，PCL提供延展性与较慢降解，二者共混适用于临时骨支撑结构，但其本征生物活性低、矿化组织诱导能力弱，限制应用。羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）因与骨矿物相化学相似、具骨传导性、生物相容性与生物活性而被广泛引入聚合物基体，近年来自鱼骨、鱼鳞、珊瑚、贝壳及水牛骨废弃物等天然废弃资源的生物源性HA受到关注，具备可持续性、资源高值化与骨仿生矿物组成优势。其中Polymesoda erosa贝壳在印度尼西亚沿海丰富存在，含99.67?wt% CaCO?，700?°C烧结可得纯相HA，Ca/P摩尔比1.69，粒径78.25?±?1.18?nm，结晶度65.40%，适合作为骨仿生陶瓷增强体。PLA/PCL/HA复合材料结合热塑性加工优势与磷酸钙生物活性，但高性能不能仅由组成预测，高陶瓷含量下刚度与生物活性提升可能伴随结构均匀性与压缩完整性下降。现有研究常单独考察打印性、力学或生物性能，缺乏统一的结构–性能–表现框架，且生物源性HA研究多强调可持续性，较少阐明填料负载如何权衡刚度、压缩强度、降解与体外矿化，Polymesoda erosa来源HA在3D打印PLA/PCL支架中作为可调设计参数的作用尚不清楚。因此研究人员假设增加HA含量可提升刚度与矿化相关表现，但过量会因团聚、孔隙不规则与脆性降低结构规则性与压缩完整性，并通过系统评价热行为、形貌、矿物组成、结晶度、压缩性能、PBS降解与SBF矿化倾向来验证，最终明确在高HA加载范围内能提供力学可靠性、可控降解与生物活性相关表现平衡的HA水平，为可持续PLA/PCL骨支架设计提供依据。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：以印度尼西亚巴布亚查亚普拉Youtefa湾等地收集的Polymesoda erosa贝壳为HA原料来源，采用溶剂浇铸–挤出法制备PLA/PCL（75/25?wt%）复合浆料并加入0、40、45、50?wt%生物源性HA，经室温与45?°C干燥后使用Wellzoom挤出机150?°C制备1.75?mm丝材，采用Bambu Lab A1 Mini打印机以0.4?mm喷嘴、220?°C打印温度、60?°C床温、0.2?mm层高、80%填充密度、蜂窝填充、30?mm?s^?1填充速度打印Autodesk Fusion设计的支架；通过差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（SEM–EDX）与元素映射、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）进行热学、形貌、成分与结构表征；采用万能试验机按类ASTM流程以5?mm?min^?1进行压缩测试获取应力–应变曲线与力学性能；在37?°C、pH≈7.4磷酸盐缓冲盐水（PBS）中浸没14、28、42天并定期换液评估降解失重；在37?°C、pH?7.4模拟体液（SBF）中浸没3、7天并定期换液，通过SEM–EDX评价生物矿化沉积与元素组成。

3. Results and discussion

3.1. Physicochemical properties

3.1.1. Thermal behavior of PLA/PCL/HA composites

研究人员通过差示扫描量热法（DSC）发现所有支架玻璃化转变温度（glass transition temperature, T_g）为60.12–63.52?°C，熔融温度（melting temperature, T_m）为146.23–148.62?°C，HA掺入未显著改变PLA/PCL主要热转变；PLA/PCL/40HA与PLA/PCL/45HA的T_g轻微升高反映HA与聚合物界面相互作用限制链运动，PLA/PCL/50HA的T_g降低反映过高HA下载填料分散不均；熔融焓（melting enthalpy, ΔH_m）从PLA/PCL的20.83?J/g分别降至9.36、15.06、9.77?J/g，部分源于复合总质量中聚合物分数降低；未观察到明显结晶峰故未报告结晶焓（ΔH_c），结晶度由X射线衍射（XRD）得出。

3.1.2. Filament morphology, EDX analysis, and elemental mapping

扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（SEM–EDX）显示纯PLA/PCL丝材表面致密光滑，仅均布C、O，无Ca、P；掺HA后表面变粗糙并出现共定位Ca、P信号，证实磷酸钙域进入基体；Ca+P质量分数从PLA/PCL/40HA的15.61%升至PLA/PCL/45HA的21.19%与PLA/PCL/50HA的31.38%，PLA/PCL/50HA中致密Ca–P区提示打印前部分HA团聚，影响流动与层间结合，PLA/PCL/45HA在Ca–P暴露与丝材均匀性间更平衡；能量色散X射线光谱（EDX）所得Ca/P为半定量分布指标而非精确化学计量。

3.1.3. Structural, morphological features and elemental composition

扫描电子显微镜（SEM）显示纯PLA/PCL支架表面较光滑、孔形规则；掺HA后表面变粗糙、孔形均匀性下降，高HA下尤为明显，适度粗糙度有利细胞–材料相互作用，但PLA/PCL/50HA的不规则粗糙反映团聚、微孔、缺陷与层间连续性下降，削弱载荷传递致压缩强度降低；能量色散X射线光谱（EDX）证实含HA支架存在Ca、P信号，改变表面化学并提供骨仿生界面，但结果为半定量区域依赖，用于确认Ca、P存在与相对富集而非精确化学计量；HA加载在形貌与成分层面均改性支架，提高矿物暴露与表面Ca–P富集，但过量引入结构异质性，PLA/PCL/45HA优于PLA/PCL/50HA。

3.1.4. Phase composition and functional groups

X射线衍射（XRD）证实Polymesoda erosa来源HA成功保留于打印支架中：纯PLA/PCL在约21.4°与23.7°有聚己内酯（PCL）（110）与（200）晶面反射，16–19°有聚乳酸（PLA）宽弱峰；掺HA后在约25.8°、31.7°、32.2°、32.9°、34.0°、39.8°、46.7°、49.5°出现HA特征峰且随含量增强，聚乳酸/聚己内酯（PLA/PCL）相关反射相对减弱，反映HA限制链重排、破坏有序性及陶瓷相主导衍射；傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）显示聚乳酸/聚己内酯（PLA/PCL）保留聚酯特征带，随HA增加在1031–1085?cm^?1与628–755?cm^?1磷酸盐带更明显，PLA/PCL/50HA出现O–H伸缩带，重叠区解释为HA与聚合物界面共存与非共价相互作用而非广泛化学重构。

3.1.5. Integrated analysis of porosity, pore morphology, and crystallinity

大孔尺寸由ImageJ从二维扫描电子显微镜（SEM）图像测得，纯PLA/PCL平均大孔642.14?±?16.44?μm，掺HA后降至587.21?±?12.92、543.66?±?17.18、463.79?±?11.05?μm，反映HA影响沉积与蜂巢规则性；微孔尺寸从16.47?±?1.74?μm增至23.19?±?2.94、23.35?±?1.77、25.45?±?1.10?μm，代表表面微孔或丝径缺陷，HA增加局部异质性与微孔；孔隙率从18.10%略增至18.20%、19.54%再明显增至29.44%（50?wt%），反映过量HA致多孔但不均匀结构；X射线衍射（XRD）结晶度指数从17.14%增至30.33%、38.49%、39.84%，反映结晶HA相贡献增大；但最高HA下大孔最小、微孔最大、孔隙率最高、形貌最不规则，表明高结晶度或孔隙率不等于更优性能，需在矿物掺入、孔规则性、填料分散与结构连续性间平衡，PLA/PCL/45HA提供更优折衷。

3.2. Mechanical properties

压缩测试显示弹性模量从PLA/PCL的142.11?MPa升至PLA/PCL/40HA的238.06?MPa、PLA/PCL/45HA的331.03?MPa、PLA/PCL/50HA的368.73?MPa，证实生物源性HA为刚性增强相，通过载荷转移、应力耗散与阻碍裂纹扩展提高抗变形与断裂抗性；宏观压缩后纯PLA/PCL保持较连续压缩结构，含HA支架损伤更明显，PLA/PCL/50HA变形最严重，反映过量HA降低压缩下完整性；压缩强度在PLA/PCL为33.42?MPa，PLA/PCL/40HA为32.33?MPa，PLA/PCL/45HA为30.68?MPa，差异不显著，但PLA/PCL/50HA显著降至19.90?MPa，说明HA刚化未伴随意料中的高填料下压缩完整性提升，过量HA通过团聚、微观异质性与不规则孔隙形成应力集中促早期失效，微孔增多也削弱承载连续性；PLA/PCL/45HA提供最平衡力学响应。

3.3. Degradation behavior

磷酸盐缓冲盐水（PBS）降解显示所有支架14至42天失重递增：PLA/PCL为0.696%、1.21%、1.63%；PLA/PCL/40HA为2.52%、2.60%、2.91%；PLA/PCL/45HA为2.86%、3.38%、4.57%；PLA/PCL/50HA为6.78%、8.17%、8.50%，pH稳定约7，失重主要反映稳定生理pH下支架响应；HA加速降解源于陶瓷相提高亲水性、孔隙率与微观异质性，促进水渗透与聚合物–陶瓷界面水解，PLA/PCL/50HA因不规则孔隙、微孔与团聚提供更多扩散通路、削弱网络并增大表面积致更快失重；42天扫描电子显微镜（SEM）显示PLA/PCL表面较光滑侵蚀有限，含HA支架表面渐粗糙、孔更明显、形态恶化加重，PLA/PCL/50HA最严重，涉及聚合物水解、HA释放与弱结合碎片脱落；过快降解或损害愈合期力学稳定，PLA/PCL/45HA较PLA/PCL/50HA具更优降解轮廓，在高于纯PLA/PCL与40HA降解同时保持更好结构完整性。

3.4. Biomineralization properties

模拟体液（SBF）浸没3、7天可见含HA支架表面矿物簇较纯PLA/PCL更明显，HA提供磷酸钙成核位点促类磷灰石沉积；能量色散X射线光谱（EDX）显示浸没后表面含Ca、P及O、Na、Mg，Na、Mg来自SBF离子掺入，证明为新矿物层而非仅原HA填料残Ca；原子Ca/P比3天分别为7.48、2.21、4.63、3.94，7天为6.51、7.91、16.61、12.06，均高于化学计量羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）Ca/P，沉积应描述为富Ca、非化学计量类磷灰石相，高值源于富Ca局域、早期富Ca前驱、可能CaCO?相或磷欠检测，能量色散X射线光谱（EDX）为半定量表面敏感技术，用于指示相对Ca–P富集与沉积而非确切化学计量与物相；尽管PLA/PCL/50HA矿化强，但力学与降解较差，PLA/PCL/45HA在明显矿化与较好完整性间平衡更优。

讨论部分总结指出，扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（SEM–EDX）、差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）、压缩、磷酸盐缓冲盐水（PBS）降解与模拟体液（SBF）结果共同构建了PLA/PCL/HA支架结构–性能–表现关系，但缺乏残留溶剂定量、扫描电子显微镜（SEM）断口分析与长期降解表征限制了对溶剂去除效率、失效机制与长期稳定性的详细解释，当前力学与降解解释为形貌支持与失重基础上的评价；未来需纳入残留溶剂分析、断口观察、长期降解、降解后力学保留、离子释放与评价及生物学评估以进一步确认安全性与转化潜力。

研究结论部分翻译如下：

源自Polymesoda erosa贝壳的生物源性羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）成功改性了三维（three-dimensional, 3D）打印聚乳酸（polylactic acid, PLA）/聚己内酯（polycaprolactone, PCL）支架的丝材特性、支架结构、力学行为、降解响应与矿化倾向。丝材的扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（scanning electron microscopy–energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM–EDX）分析证实打印前含HA复合材料中存在Ca–P分布，而50?wt% HA下的部分Ca–P团聚表明过量填料下分散均匀性降低。在打印支架中，增加HA含量增强了Ca–P暴露、结晶度、表面粗糙度、孔隙率、弹性模量、磷酸盐缓冲盐水（phosphate-buffered saline, PBS）诱导降解与模拟体液（simulated body fluid, SBF）诱导矿化。然而HA效应具组成依赖性：50?wt% HA时过量陶瓷加载促使孔隙不规则、微孔形成、填料团聚与结构异质性，降低压缩强度并加速降解中表面劣化。在所测配方中，PLA/PCL/45HA表现最平衡，结合了改善的丝材矿物分布、增强的刚度、相对保持的压缩强度、适中降解与明显的富Ca类磷灰石矿物沉积。

这些发现表明Polymesoda erosa来源HA可调控3D打印PLA/PCL支架的结构–性能–表现关系。在测试配方中，PLA/PCL/45HA表现出最平衡的性能，结合了改进的力学增强、保持的结构完整性、可控降解行为与初步SBF诱导矿化。本研究进一步显示来自本地贝壳废弃物的生物源性HA可作为组成依赖的矿物填料，用于优化熔融沉积建模（fused deposition modeling, FDM）制备的高HA负载PLA/PCL支架。然而本发现应视为初步材料层面证据，因未进行直接生物验证；具体而言，本研究未包括细胞响应、离子释放分析、残留溶剂定量及通过X射线衍射（XRD）或傅里叶变换衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）确认SBF后物相，因此所开发支架应视为用于进一步骨组织工程研究的初步材料平台，而非已确认的用于骨缺损修复的生物活性支架。未来研究应纳入长期降解、降解后力学保留、残留溶剂分析、离子释放评价、SBF后XRD/FTIR表征、体外细胞响应与体内骨再生评估，以进一步确认所开发支架的生物学安全性与转化潜力。