生物活性蒙脫石/聚醚醚酮支架的3D打印

李冬英，李品，王浩宇，徐勇，陳玫瑰，杜浩城

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

由于事故、疾病、軍事訓(xùn)練以及晚年骨質(zhì)流失、骨修復(fù)和骨替換的必要性急劇增加[1-2]。而常規(guī)的自體骨移植或異體骨移植具有疾病傳播和免疫排斥風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。骨組織工程支架為骨缺損修復(fù)和替換提供了優(yōu)質(zhì)的策略。因此，許多研究人員致力開發(fā)用于骨組織支架應(yīng)用的生物復(fù)合材料[5-6]。

聚醚醚酮(PEEK)在骨組織工程中的應(yīng)用得到越來越多研究人員青睞。PEEK具有優(yōu)異的機(jī)械性能和生物相容性，其彈性模量接近人類皮質(zhì)骨[7-8]。因此，其被廣泛應(yīng)用于骨組織的承重部位[9]。然而，PEEK具有疏水性和非降解特性，并且具有生物惰性，不利于細(xì)胞增殖分化。

蒙脫石(MMT)是一種硅酸鹽礦物，具有層狀結(jié)構(gòu)[10-11]。MMT的每個(gè)單體結(jié)構(gòu)均由2個(gè)二氧化硅四面體之間夾著氫氧化鋁的八面體片組成“三明治”結(jié)構(gòu)，且表面具有大量的羥基，因此，其具有良好的親水性和大比表面積，為細(xì)胞增殖和分化提供了良好的成核平臺[12-13]。已有研究表明：通過在聚合物基質(zhì)中加入MMT可以改善生物活性。例如，PALUSZKIEWICZ等[14]將MMT加入殼聚糖中，發(fā)現(xiàn)與純殼聚糖相比，復(fù)合材料磷灰石層結(jié)晶速度要快的多。DONG等[15]采用靜電紡絲技術(shù)將MMT與聚乳酸(PLA)/聚己內(nèi)酯(PCL)混合制備復(fù)合支架。與PLA/PCL支架相比，成骨樣MG-63細(xì)胞在復(fù)合支架表面突出更多，肌動(dòng)蛋白熒光染色證實(shí)細(xì)胞在PLA/PCL-MMT內(nèi)形成更多的肌動(dòng)蛋白絲。

近年來，能快速制造復(fù)雜形狀支架的3D打印技術(shù)受到研究者廣泛關(guān)注[16-18]。SLS是一種粉末燒結(jié)自由成型的3D打印技術(shù)。在SLS系統(tǒng)中，利用輥?zhàn)訉⒎勰┢戒佋诜鄞采?，通過激光可以制備形狀明確、多孔結(jié)構(gòu)可控、相互連接的支架[19-20]。其工藝特性為大多數(shù)類型的材料制備提供了機(jī)會。

本研究將MMT引入PEEK中以增強(qiáng)其生物活性，并采用SLS技術(shù)法制備了PEEK/MMT多孔支架。用X射線衍射儀(XRD)分析了MMT對PEEK結(jié)晶度的影響。然后，通過礦化實(shí)驗(yàn)對其生物活性進(jìn)行了評估。此外，通過降解和斷面形態(tài)表征，研究了PEEK/MMT支架的降解行為和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究使用的PEEK粉末(純度為99.99%)，購自興旺(東莞)塑料原料有限公司。MMT粉末由拓億新材料(廣州)有限公司提供。

1.2 支架制備

首先，將PEEK和MMT混合。然后，采用激光燒結(jié)制備復(fù)合支架，見圖1。將4.5 g PEEK和0.5 g MMT放入含有去離子水的燒杯中。在連續(xù)磁力攪拌下將懸浮液均勻分散1 h，過濾、洗滌3次后收集粉末。最后，將混合粉末在60 ℃的烘箱中烘干，得到預(yù)制備支架粉末。

圖1 復(fù)合粉末制備及支架打印示意圖Fig.1 The schematic diagram of the preparation of composite powder and printing of scaffold

使用自制的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)制備PEEK和PEEK/MMT這兩種樣品支架。首先,選用自帶軟件設(shè)計(jì)多孔支架模型(Φ10×5 mm3)，將文件轉(zhuǎn)換為STL.格式，然后對STL.文件進(jìn)行切片，生成激光加工對象。將復(fù)合粉末均勻鋪展于加工平臺上，加工過程中恒定加工參數(shù)：激光功率為2.25 W，激光速率為15 mm/s,粉層厚度為0.1 mm，掃描間距為1.00 mm。

1.3 表征

采用XRD(AL-2700B，丹東奧龍射線儀器集團(tuán)有限公司)分析樣品的物相組成，用Cu～Ka輻射，步進(jìn)角度為0.02°，采樣時(shí)間為0.3 s，測量范圍為3～30°。使用Phenom proX掃描電子顯微鏡(SEM)(復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司)，在10 kV的加速電壓下對復(fù)合材料表面形貌和彎曲斷面形貌進(jìn)行了觀察。用安裝在SEM上的能量色散光譜儀(EDS)對樣品元素組成進(jìn)行分析。

1.4 生物活性和降解性能

采用模擬體液浸泡PEEK和PEEK/MMT，觀察其表面磷灰石的生長情況，評價(jià)其生物活性。簡而言之，將每種類型的支架的4個(gè)樣本浸入在37 ℃的動(dòng)態(tài)水浴控制下的模擬體液中浸泡28 d，每2 d更新一次溶液。以預(yù)定的時(shí)間間隔，針對每種類型的支架，收集樣品，洗滌3次，然后,在40 ℃下干燥24 h。最后，利用SEM和EDS檢查磷灰石層的形成。

為了研究樣品的可降解特性，以PEEK支架作為對照，將4個(gè)PEEK/MMT樣品支架放在37 ℃和pH值為7.4的磷酸緩沖溶液下浸泡28 d，每2 d更換一次溶液。待浸泡時(shí)間完成后，取出洗滌干燥，并使用SEM表征表面形態(tài)進(jìn)一步分析降解特征。

2 結(jié)果和討論

圖2(a)～2(c)展示了PEEK，MMT和PEEK/MMT表面形貌。通過SEM可以觀察到復(fù)合粉末中更小尺寸的MMT附著在PEEK顆粒的表面和周圍。通過能譜分析儀對各樣品的元素組成進(jìn)行了分析，見圖3。其中，PEEK中C元素占86.41%，O元素占10.77%；MMT中，O元素占72.96%，Si元素占16.64%，Al元素為4.77%，Mg元素占1.58%，Na元素占1.09%。更重要的是，在PEEK/OMMT中，C元素占37.85%，O元素占41.11%，Si元素占11.82%，Al元素占3.31%，Mg元素占0.86 %，Na元素占0.87%。能譜分析結(jié)果表明：PEEK/MMT復(fù)合材料成功混合。

圖2 PEEK，MMT和PEEK/MMT粉末SEM觀察及EDS元素分析Fig.2 SEM images and EDS analyses of PEEK, MMT and PEEK/MMT powders

由SLS制造的PEEK/MMT支架見圖3。PEEK/MMT支架呈現(xiàn)為棕褐色，側(cè)面有凹陷和突出，但并無分層。0.96 mm孔徑均勻分布在支架中，并形成相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。支架的微孔對細(xì)胞附著和生長、血管和組織向內(nèi)生長、營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸以及廢物排出等方面起到重要作用[21]。

圖3 PEEK/MMT支架尺寸和均勻分布的多孔結(jié)構(gòu)Fig.3 PEEK/MMT scaffold size and evenly distributed porous structure

PEEK，MMT和PEEK/MMT支架的XRD衍射分析見圖4。PEEK在2θ=18.7°，20.7°，22.9°和28.9°附近有主要特征峰。MMT的層間距衍射峰出現(xiàn)在2θ=5.62°，與(001)基反射相對應(yīng)[22]。石英的礦物相(PDF卡片01-070-7344)，方解石礦物相(PDF卡片01-085-1108)和菱鐵礦礦物相(PDF卡片00-008-0133)被認(rèn)為是組成MMT的物相[23]。在2θ=20.87°和2θ=26.63°觀察到石英的反射，2θ=22.4°和2θ=29.51°觀察到方解石的反射，2θ=24.69°觀察到菱鐵礦的反射。PEEK/MMT復(fù)合支架中既出現(xiàn)了PEEK的特征峰，又保留了MMT的特征峰。證實(shí)了MMT的存在，且混合和燒結(jié)過程并未改變PEEK晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 PEEK，MMT粉末和PEEK/MMT支架XRD檢測圖Fig.4 XRD patterns of PEEK, MMT powder and PEEK/MMT scaffold

PEEK和PEEK/MMT支架生物活性評估見圖5。在PEEK支架表面基本沒有觀察到磷灰石的生長，表明PEEK缺乏誘導(dǎo)磷灰石礦化的能力，見圖5(a)。然而，PEEK/MMT復(fù)合支架上形成了大量聚集的磷灰石,見圖5(b)，它們表現(xiàn)出具有典型球狀形態(tài)，許多類磷灰石生長并幾乎覆蓋了PEEK/MMT支架的整個(gè)表面，形成了厚的磷灰石層。而相應(yīng)地EDS分析，PEEK/MMT支架的能譜圖中具有大量的Ca元素和P元素，這些主要來自生長的磷灰石層。說明復(fù)合支架具有良好的磷灰石形成能力，也證明了MMT增強(qiáng)了PEEK基質(zhì)的生物活性。MMT作為鋁硅酸鹽陶瓷，具有較大比表面積提供了磷灰石生長平臺，此外，MMT具有良好親水性，刺激了磷灰石的生長[24]。因此，PEEK/MMT支架具有好的生物活性。

圖5 PEEK和PEEK/MMT支架礦化表面形貌Fig.5 The surface mineralization of PEEK and PEEK/MMT scaffolds

圖6顯示了PEEK和PEEK/MMT支架的斷裂面形貌。PEEK支架的斷裂表面顯示出脆性斷裂的特征，而沒有明顯的塑性變形,見圖6(a)。但PEEK/MMT復(fù)合支架的斷裂表面表現(xiàn)出相對粗糙且不規(guī)則的表面，且基體具有韌性變形,見圖6(b)。以往研究也表明：當(dāng)斷裂表面到達(dá)填料顆粒時(shí)，填料顆粒周圍的PEEK分子將被拉伸，直至斷裂。牢固的界面結(jié)合會消耗大量的斷裂能，從而將斷裂模式從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂[25]。

圖6 PEEK和PEEK/MMT支架斷裂面形貌Fig.6 The fracture surface morphology of PEEK and PEEK/MMT scaffolds

在磷酸緩沖溶液浸泡實(shí)驗(yàn)中，通過支架形貌的變化研究了PEEK和PEEK/MMT支架的降解特性。如圖7所示，PEEK支架作為對照組，基本沒有產(chǎn)生降解。PEEK/MMT支架出現(xiàn)了密集的孔洞，這歸因于MMT燒結(jié)不完全，并脫落形成了孔洞，這些孔洞可能加速PEEK降解。

圖7 PEEK和PEEK/MMT支架降解實(shí)驗(yàn)的表面形貌Fig.7 The surface morphology of PEEK and PEEK/MMT scaffolds degradation experiments

通過失重率進(jìn)一步評估PEEK和PEEK/MMT支架的降解性能，見圖8。在整個(gè)降解過程中，PEEK支架的失重率極其微小，為0.12%。與同期的PEEK支架相比，PEEK/MMT支架在浸泡28 d后具有更大失重率，為1.29%。

圖8 PEEK和PEEK/MMT支架浸泡28 d后的失重率Fig.8 The weight loss rate of PEEK and PEEK/MMT scaffold after 28 days of immersion

3 結(jié)論

本研究將MMT引入PEEK基質(zhì)中，并利用SLS制備了PEEK/MMT支架， 以提高PEEK支架的生物活性。結(jié)果表明:MMT的加入不僅增強(qiáng)了PEEK/MMT支架的親水性，其大比表面積還為磷灰石生長提供了平臺。在復(fù)合支架中斷裂過程中，MMT的剝離和滑移使得能量消耗增加，支架斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)向韌性斷裂。此外，由于復(fù)合支架中MMT燒結(jié)不完全，在PEEK中造成脫落孔洞，這些孔洞對加速降解可能具有積極影響。