《Journal of Functional Biomaterials》：A Transport-Driven Conceptual Framework for the Biodegradation of FFF-Printed PLA/PHB Structures: Integrating Evidence from Complementary Experimental Studies
编辑推荐：
熔融长丝制造（fused filament fabrication, FFF）打印的聚乳酸/聚羟基丁酸酯（poly(lactic acid)/polyhydroxybutyrate, PLA/PHB）结构的生物降解受材料组成、结构设计与降解环境之间复杂相互作用
熔融长丝制造（fused filament fabrication, FFF）打印的聚乳酸/聚羟基丁酸酯（poly(lactic acid)/polyhydroxybutyrate, PLA/PHB）结构的生物降解受材料组成、结构设计与降解环境之间复杂相互作用的支配。尽管这些因素已被广泛研究，但它们通常被独立评估，限制了对这些因素共同影响降解行为的全面理解。本研究综合了一系列关于FFF打印PLA/PHB系统的互补实验研究证据，以建立一个传输驱动的概念框架，用于解释生物降解机制。综合结果表明，结构孔隙率会增加流体吸收（致密结构约10%，多孔结构约20%），并促进更大的质量损失（45天后为25–40%）；材料改性（包括增塑剂和陶瓷添加剂）会影响降解过程中的局部pH演变和机械稳定性。降解响应也强烈依赖于周围介质：PBS保持相对稳定的pH，生理盐水和Hank's溶液促进酸化，而尿素基介质导致碱化。总体而言，这些观察表明，流体吸收和扩散持续地调节材料组成、支架结构和降解环境之间的相互作用，从而控制生物降解的进程。基于这些受实验支持的关系，研究人员提出了一种传输驱动的概念框架，为FFF打印PLA/PHB结构的生物降解提供统一的定性解释。这项工作并非提供新的实验数据，而是提供一种整合性视角，可能有助于解释降解行为、支持可降解支架的合理设计，并为未来的定量和预测模型奠定基础。
该论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。在组织工程中，聚乳酸（poly(lactic acid), PLA）和聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate, PHB）基可降解聚合物具有良好生物相容性、可调力学性能和受控降解行为，结合熔融长丝制造（fused filament fabrication, FFF）可制备外形与内部结构可定制的支架。生物降解不仅影响支架的力学完整性，也影响局部理化环境和细胞响应；降解速率需与组织再生速率匹配。然而，现有研究通常将材料组成、结构设计和降解环境分开考察，无法解释它们对降解行为的综合作用。ISO 10993-9、ISO 10993-13和ASTM F1983等标准主要规定测试和评估原则，并未提供统一的机制框架。已有证据表明流体吸收、扩散和局部化学变化等传输现象在降解中起核心作用，但这些现象往往在不同实验中孤立研究。因此，研究人员整合了五组关于FFF打印PLA/PHB系统的互补实验证据，提出一个传输驱动（transport-driven）的概念框架，以定性统一解释生物降解机制。综合结论是：材料组成、支架结构和降解环境并非独立作用，而是通过流体吸收与扩散等传输过程相互联系；该框架为可降解支架的理性设计和未来定量模型提供了基础。
在方法上，该研究并未开展新的实验，而是整合研究人员前期五项互补研究中的实验证据；这些研究均围绕FFF打印PLA/PHB体系，涵盖不同材料组成（含增塑剂如寡聚乳酸（oligomeric lactic acid, OLA）、乙酰柠檬酸三丁酯（acetyl tributyl citrate, ATBC）、三醋酸甘油酯（triacetin, TAC），以及陶瓷添加剂磷酸三钙（tricalcium phosphate, TCP））、不同结构设计（致密与多孔支架）和不同降解介质（PBS、生理盐水、Hank's溶液、尿素基培养基），通过比较流体吸收、pH演变、质量变化和力学性能等指标提取共性规律。
结果部分保留原文小标题如下。
3.1 结构设计调控流体吸收与降解（Structural Design Regulates Fluid Uptake and Degradation）：通过对比致密与多孔支架的实验数据，研究人员发现多孔结构因更大的比表面积和相互连通的路径而具有更高流体吸收（约20%，致密结构约10%），45天后质量损失达25–40%，表明孔隙率通过增加降解介质的可及性加速水解降解。
3.2 材料组成改变降解行为（Material Composition Modifies Degradation Behaviour）：含不同增塑剂的体系在降解过程中表现出不同的pH演变，部分体系出现明显酸化，而较高OLA浓度下pH响应更稳定；增塑剂提高聚合物链运动性，促进流体吸收。含TCP的样品在降解后压缩模量下降幅度因支架结构和介质不同而异，表明陶瓷添加剂有助于维持较稳定的力学响应。
3.3 降解环境决定化学演变（Degradation Environment Determines Chemical Evolution）：通过在不同介质中的体外降解实验，PBS保持相对稳定的pH；生理盐水和Hank's溶液快速酸化至约pH 2；尿素基介质逐渐碱化至接近9。该影响在早期测量点即已出现，说明环境在降解初期就开始决定化学路径。
3.4 传输过程连接材料、结构和环境（Transport Processes Link Material, Structure, and Environment）：综合上述结果，结构孔隙率、材料组成和介质共同决定流体吸收与扩散；流体吸收启动水解链断裂，扩散受限可导致局部pH变化和自催化降解。因此，传输过程是连接三因素的共同机制。
讨论部分指出，该框架并非提出新的降解机制，而是将已有机制置于更高层次的概念整合中；它强调材料组成、结构和环境通过传输过程功能连接。该框架是定性的，基于FFF制备PLA/PHB系统的体外水解降解，不能直接外推至体内条件或其他聚合物体系；未来需将实验观察与传输建模和降解动力学结合，发展预测性模型。
研究结论部分翻译如下：FFF打印的PLA/PHB结构的生物降解受材料组成、结构设计和降解环境的综合作用支配，而非任何单一因素单独决定。通过综合五项互补研究的实验证据，本工作提供了对生物降解的整合性解释，并确定传输过程（尤其是流体吸收和扩散）是连接这些因素的核心机制。综合实验结果表明，结构孔隙率增强流体吸收和降解，材料改性影响局部化学条件和力学稳定性，降解介质决定不同的降解路径。这些观察共同支持所提出的传输驱动概念框架，表明传输过程构成连接材料组成、支架结构和降解环境的共同机制。从实践角度看，该框架强调在设计与评估可降解支架时，必须同时考虑材料组成、支架结构和降解环境。尽管所提出的框架是定性的，并非预测性数学模型，但它为解释生物降解实验提供了整合性基础，支持可降解支架的理性设计，并为未来基于传输的定量模型奠定了基础。
