镁骨组织工程支架的打印制备及性能特征

0 引言 Introduction

骨组织工程能有效解决传统骨缺损修复中供源短缺、排异感染和免疫缺陷等问题，具有极大的医疗价值[1-2]。支架是骨组织工程3要素之一[3]，不仅要诱导细胞分化和附着，还要提供力学支撑，因此，支架的研究对于骨缺损修复具有重要意义。

可降解吸收骨支架的研究与应用被认为是临床治疗的一次革命，有效避免了传统非降解植入材料带来的二次手术损伤和并发症[4-5]。目前研究较多的可降解材料主要为聚合物和磷酸钙基陶瓷材料等[6-7]，分别存在组织相容性差和韧性太低等问题。针对传统材料的局限性，镁具有其他材料无法比拟的优点：①良好的生物相容性[8]，是人体常量元素之一，参与体内代谢过程；②良好的力学相容性[9]，密度和弹性模量接近自然骨，可有效缓解应力遮挡效应；③可降解性[10]，因其低的标准电极电位，易发生腐蚀反应，且不会引起体内中毒；④镁的资源丰富，价格相对低廉。因此，镁是一种潜力巨大的新型骨组织工程支架材料。

传统的支架制备方法包括颗粒滤除法、冷冻干燥法、静电纺丝法等[11-13]，可实现高分子、陶瓷等生物材料多孔支架的制备，目前对于制备多孔镁支架的研究鲜有报道。Witte等[14]、Zhang等[15]和Tan等[16]分别采用铸造法、粉末冶金法和激光加工等方法制备多孔镁支架，并研究了支架的力学及生物学性能，但这些方法制备的支架在结构的精确性和孔洞的连通性等方面存在明显问题。3D打印技术为增材制造的一种，通过逐层堆积材料的方式构造实体，具有结构精确可控的工艺特点[17-19]，其高柔性、高集成性的成形效果为医疗器械的制造提供了新的工艺模式和潜在发展方向[20]，尤其在加工骨支架内部微孔结构和控制孔隙率等方面具有显著优势，有效弥补了传统工艺的不足[21-22]。Zhang等[23]、Yang等[24]分别采用3D打印技术制备了多孔生物玻璃支架和壳聚糖支架，因此实验将3D打印技术用于多孔镁支架的可控制备，研究打印参数对支架成形的影响，并探讨镁支架的力学性能与降解性能。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 材料学体外研究。

1.2 时间及地点 实验于2015年9月至2017年6月在贵州师范大学-贵州省人民医院数字骨科联合实验室完成。

1.3 材料 镁粉购自上海巷田纳米有限公司；2-羟乙基纤维素购自Sigma公司；聚乙二醇6000、三油酸甘油酯、氯化钠购自国药公司；氨水购自重庆江川化工集团有限公司；无水乙醇购自重庆川东化工有限公司；扫描电镜(Phenom Pro)购自上海复纳科学仪器有限公司；X射线衍射仪(X’Perd PRO)购自荷兰PANalytical公司；高温烧结管式炉(GWL-1200)购自洛阳炬星窑炉有限公司；万能材料试验机(CTM-2050)购自上海协强科技有限公司；恒温振荡摇床(SHA-B)购自常州天瑞仪器有限公司；精密电动搅拌器(JJ-1)购自江苏鸿科有限公司；电子天平(FA2004B)、pHS-3C型pH计购自上海佑科有限公司。

1.4 实验方法

1.4.1 浆料的制备 以去离子水为溶剂，加入3%(与总质量比)的2-羟乙基纤维素、0.5%(与总质量比)的聚乙二醇，待完全溶解加入氨水，调节溶液pH值至10-11，再加入18%(与总质量比)的无水乙醇和少量的三油酸甘油酯，搅拌至胶水状，之后少量多次地加入镁粉，在室温下搅拌120 min至完全均匀，制得固/(固+液)质量比为65%的均匀浆料。

1.4.2 多孔镁支架的制作 利用美国 Siemens PLM Software 公司开发的Unigraphics NX8.5软件建立支架的三维模型，如图1A所示，尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，丝直径φ=520 μm，丝间距?l=1 000 μm，层间距?z=350 μm。将制备的打印浆料装入气动挤出式3D打印系统的料桶内，在气压的推动下浆料从喷头挤出，同时喷头在计算机控制下按三维模型的路径在工作平台上运动，实现浆料的逐层堆叠，完成实体成形，如图1B所示。根据三维模型，选择打印参数为：喷头内径D=520 μm，料桶内气压P=150 kPa，喷头移动速度vt=200 mm/min。支架经常温真空干燥72 h后在氩气保护下烧结，最终得到具有一定力学强度的镁支架。具体烧结工艺为：以5 ℃/min速率由室温缓慢升温至400 ℃，保温2 h，再以10 ℃/min的速率升温至550 ℃，保温1 h，最后随炉冷却至室温。

1.4.3 试样的表征

形貌观察：将多孔镁支架在无水乙醇中超声震荡清洗1 h，再经常温真空干燥72 h。从中间剖开支架，采用扫描电子显微镜观察试样的外表面、横截面的形貌。

物像分析：用X射线衍射仪对烧结前后的材料粉体进行物相分析，以确定其物相组成及烧结过程中是否产生相转变。采用Cu靶Ka射线，电压40 kV，电流200 mA。

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0409/458.html