用于骨再生的PLA/PCL/HA复合支架的制备与表征

《Materials Today Communications》：Fabrication and characterization of PLA/PCL/HA composite scaffolds potentially applicable to bone regeneration

　　

本研究的目的是设计并制备一种具有理想力学性能和互连多孔网络结构的三维支架。为此，研究人员采用溶剂浇铸/粒子浸出法制备了由聚乳酸/聚己内酯/纳米羟基磷灰石（PLA/PCL/HA）组成的骨支架。将不同重量百分比的聚乳酸和聚己内酯溶解于所选溶剂（通常为氯仿）中，并以盐/聚合物比为8:1向溶液中加入氯化钠晶体。最后将所得溶液倒入合适的模具中。干燥后，将复合材料置于适当溶剂中溶解盐晶体，得到多孔支架。结果表明，所制备的PLA/PCL/HA支架具有多孔且均匀的结构，羟基磷灰石颗粒均匀分布于聚合物基体中。FTIR和XRD测试证实了复合材料各组分的存在。接触角测量表明，PLA和HA的加入显著提高了表面亲水性；具体而言，接触角从纯PCL的约112.76±1.37°降至75PLA/25PCL-5HA复合材料的84.34±2.68°。压缩测试结果表明，增加支架组成中PLA的比例可提高力学强度。此外，适量HA的存在能够维持甚至增强这些性能。值得注意的是，样品刚度从纯PCL支架的0.470 MPa增加到75PLA/25PCL-5HA样品的2.968 MPa。这一显著增加证明了PLA与HA结合对改善支架力学性能的积极作用。

### 研究背景与意义

骨组织工程旨在通过三维多孔支架、细胞和生物活性因子的协同作用修复骨缺损。支架材料的选择与结构设计是决定骨再生成效的关键因素。聚乳酸（PLA）具有良好的生物降解性和较高的弹性模量，但其固有脆性、较差的热稳定性和较高的生产成本限制了其单独应用。聚己内酯（PCL）是另一种广泛应用的生物可降解聚酯，具有优异的柔韧性和生物相容性，但其表面疏水性及不足的生物活性妨碍了细胞黏附和增殖。羟基磷灰石（HA）作为骨矿物质的主要成分，具有优异的骨传导性和骨诱导能力，然而其固有脆性和体内缓慢的降解速率需要与聚合物复合加以克服。因此，将PLA、PCL和HA三者复合，有望在力学性能、柔韧性和生物活性之间实现协同平衡。尽管PLA/PCL/HA三元复合材料已通过静电纺丝和3D打印等方法制备研究，但采用溶剂浇铸/盐浸出法系统研究宽组成范围内力学性能的工作仍十分有限，尤其是关于结晶度、孔壁厚度、孔隙率与力学性能之间的内在关联尚未充分阐明。为此，本研究旨在通过盐浸出法制备PLA/PCL/HA复合支架，系统考察PLA/PCL比例（0/100至100/0）和HA含量（1–5 wt%）对支架结构和力学性能的影响，建立结构-性能关系，为骨组织工程支架的组成设计提供实验依据。该论文发表于《Materials Today Communications》。

### 主要技术方法

本研究采用溶剂浇铸/盐浸出法制备支架。研究人员首先将不同重量比的PLA和PCL溶解于氯仿中，以8:1的盐/聚合物比加入粒径125–250 μm的氯化钠颗粒作为致孔剂，浇铸入硅胶模具中成型；溶剂蒸发后浸入去离子水中溶出盐粒，获得多孔支架。HA纳米颗粒经超声分散后加入聚合物溶液，制备含1、3、5 wt% HA的复合材料。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）观察形貌、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团、X射线衍射（XRD）分析晶体结构、液体浸入法测定孔隙率、接触角测量评价润湿性、压缩测试评估力学性能以及落锤冲击试验测定能量吸收能力。所有样本取自实验室自制材料，无临床样本队列。

### 研究结果

#### FTIR分析

FTIR光谱确认了复合支架中PLA、PCL和HA三组分的共存。PLA的羰基（C=O）伸缩振动峰位于1753 cm?1，PCL的酯羰基峰位于1725 cm?1，二者的特征吸收峰在共混物中同时出现，且相对强度随聚合物比例呈规律变化。HA的磷酸根（PO?3?）振动峰出现在1036–1090、960和569–600 cm?1区间，但由于HA含量低（1–5 wt%）且聚合物基体信号占主导，这些峰的强度较弱。谱图中未出现新峰，表明三组分之间以物理混合为主，存在弱的分子间相互作用。

#### XRD分析

XRD图谱显示PCL在2θ约为21.55°、22.18°和29.46°处呈现尖锐的结晶衍射峰，PLA则呈现较宽的特征峰，表明其以非晶态为主。在共混物中，PLA相关衍射峰强度随PCL的加入而增强，这归因于PCL对PLA的异相成核作用，促进了PLA链的有序排列和结晶完善。75PLA/25PCL样品显示出较高的结晶峰强度，对应其较高的压缩强度；25PLA/75PCL样品则因PLA含量低而结晶峰较弱，力学性能相应降低。HA的衍射峰因含量低且与PLA峰重叠而未清晰显现，但其通过物理增强和界面相互作用影响力学性能。

#### SEM形貌观察

SEM图像表明，所有支架均具有互连且相对均匀的孔隙结构，孔径范围为125–250 μm，与初始盐粒尺寸一致。高盐/聚合物比（8:1）确保盐粒相互接触，溶出后形成连续开放的孔隙网络。孔壁厚度随PLA含量增加而增大，纯PCL支架孔壁最薄，纯PLA支架最厚，这归因于PLA较高的黏度和半结晶特性。HA颗粒在1–5 wt%范围内均匀分散于聚合物基体中，仅在个别区域可见少量团聚。HA的加入使孔壁厚度呈系统性增加趋势，尤以75PLA/25PCL组成最为显著（13.0 μm→14.8 μm→16.5 μm），这归因于HA纳米颗粒充当成核位点、增加聚合物链间黏附并限制链运动。

#### 孔隙率测定

所有支架均呈现高孔隙率（约82–86%）。PLA/PCL比例对整体孔隙率影响较小，但随PLA含量增加，孔隙率呈轻微下降趋势；纯PCL支架孔隙率为86.03%，纯PLA支架为84.67%。加入1 wt% HA时孔隙率变化轻微，而3 wt%和5 wt% HA的加入使孔隙率显著下降，最低为75PLA/25PCL-5HA样品的82.71%。HA颗粒在聚合物孔壁上的积累和部分孔道的堵塞是孔隙率下降的主要原因。

#### 润湿性评价

接触角测量显示，PLA含量增加可提高支架亲水性，这是因为PLA结构中的极性酯基能与水分子形成氢键。HA的加入进一步显著降低了接触角：75PLA/25PCL样品中，添加1、3、5 wt% HA后接触角分别从110.24°降至103.62°、100.98°和84.34°。HA表面富含羟基（-OH）和磷酸根基团，其固有的亲水性（接触角约30°）以及HA颗粒增加表面粗糙度的物理效应共同促进了润湿性的改善。

#### 压缩力学行为

压缩测试结果表明，PLA/PCL比例显著影响支架的力学性能。弹性模量、屈服应力和极限应力均随PLA含量增加而增大。在0.4应变条件下，75PLA/25PCL样品添加5 wt% HA后强度损失仅为5%，而25PLA/75PCL样品在同等HA添加量下强度损失高达46%，表明PLA/PCL比例对维持HA加入后的力学性能至关重要。支架刚度从纯PCL的0.470 MPa增至纯PLA的4.472 MPa；75PLA/25PCL-5HA样品的刚度为2.968 MPa，屈服应力为0.164 MPa。添加HA后强度先下降后回升的规律可归因于界面脱粘与颗粒增强效应的竞争。孔壁厚度与压缩强度之间存在直接正向关联，较厚的孔壁增加了承力截面积，提高了支架的抗压能力。与人体松质骨（压缩强度0.1–30 MPa，弹性模量0.1–5 GPa）相比，所得支架的力学性能处于松质骨范围的下限。

#### 落锤冲击测试

落锤冲击试验显示，纯PCL样品因其优异的柔韧性和塑性变形能力而具有最高的能量吸收。随PLA比例增加，能量吸收下降，这与PLA的脆性特征一致。在75PLA/25PCL样品中加入1 wt% HA时能量吸收降低，归因于HA粒子与基体间黏附不良形成应力集中点；而当HA含量增至3–5 wt%时，能量吸收回升，HA颗粒作为裂纹扩展障碍延长了裂纹路径并增大了裂纹增长所需能量。

### 讨论与结论

研究结果表明，溶剂浇铸/盐浸出法可以成功制备具有均匀多孔结构和互连孔隙网络的PLA/PCL/HA复合支架。FTIR和XRD分析证实了三组分共存且以物理混合为主，PCL对PLA具有异相成核作用。孔壁厚度受聚合物组成和HA含量共同调控，孔隙率保持在骨组织工程所需的高水平。PLA和HA的加入显著提高了支架的亲水性，有利于细胞黏附。力学性能方面，PLA提供强度和刚度，PCL赋予柔韧性，适量HA在减少强度损失的同时发挥增强作用，其中75PLA/25PCL-5HA组成在维持力学性能与获得HA生物学优势之间达到了最佳平衡。该组成被认为是骨组织工程支架设计的优选方案。研究结论指出：（1）盐浸出法成功制备了适用于骨组织工程的PLA/PCL/HA复合支架，具有均匀的多孔结构；（2）SEM分析证实了支架孔隙互连性，孔径为125–250 μm，满足细胞浸润和营养传输的需求；（3）FTIR确认了各组分的特征官能团稳定存在；（4）润湿性测试表明PLA和HA均提高了支架的亲水性，接触角从纯PCL的112.76°降至75PLA/25PCL-5HA的84.34°；（5）压缩测试表明增加PLA比例可提高支架强度，75PLA/25PCL-5HA样品的力学性能最接近未添加HA的样品，成为兼顾力学性能与生物活性的优选组成。未来可借助透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）直接观察相分离形貌，并通过反应性增容、添加嵌段共聚物、增塑剂以及优化加工条件等策略改善界面相容性，减少相分离。