本研究采用熔融共混与选择性浸出相结合的方法制备了聚乳酸/聚乙二醇（PLA/PEG）支架。该方法可精确调控孔隙率和孔径，从而构建出具有三层结构的支架。同时，在生理环境中评估了其力学性能。
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本文内容
摘要
摘要
近年来，功能梯度支架（FGS）在组织工程器械制造中发挥了关键作用。这一生物材料研究新兴领域的重要性在于，需要开发出能够模拟各种组织复杂功能的植入物，包括从一种结构或成分连续过渡到另一种结构或成分的能力。在这一背景下，一个备受关注的研究课题是骨-软骨界面组织的适宜支架设计。本研究通过熔融共混聚乳酸（PLA）、氯化钠（NaCl）和聚乙二醇（PEG）制备了具有梯度孔径的三层支架。通过调控NaCl的粒径分布和PEG的溶解性，实现了对孔径分布的控制。对支架的形貌和力学性能进行了表征，发现制备方法、孔结构与压缩力学行为之间存在相关性。采用自行设计的界面强度测试方法，定量评估了层间界面的粘附强度。此外，为了模拟人体生理环境，还在37 °C的磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中进行了力学测试。本文所提出的方法能够高度调控孔隙率、孔径分布及力学性能，从而提供了一种简单且环境友好的途径，用于制备具有定制化特性的三层支架。
引言
近年来，由于人们对塑料废弃物以及减少使用不可再生资源的日益关注，可生物降解聚合物在学术界和工业界的重要性不断上升1-7。特别是，生物相容性和可生物降解的合成聚合物已广泛应用于多个生物医学领域，如药物控释8,9、可吸收缝合线8,10、生物过程强化11和组织工程12。
组织工程致力于开发能够恢复和维持病变或受损组织正常功能的装置。大多数天然组织由不同类型的细胞和细胞外基质（ECMs）以特定的空间层级结构组成。例如，关节软骨（AC）包含多个区域，其胶原纤维和胶原结合蛋白的类型与取向各不相同。此外，软骨与骨具有显著不同的层级结构。在此背景下，制备每层具有工程化特性的多层支架，可综合考虑这些复杂系统的各个局部微环境，从而实现对异质性组织的替代13,14。
根据支架的细胞/生物学和（或）物理化学特性，组织工程采用的主要策略可分为单相、双相和三相。双相和三相方法（BTA）采用两种或三种不同的孔隙结构、材料或填料来制备多层功能性装置。此外，只要能够在其物理特性上形成梯度，也可使用单一材料来实现双相或三相装置12。
细胞迁移在形态发生、炎症反应、伤口愈合以及肿瘤转移过程中发挥关键作用。当材料表面至核心存在化学-物理特性的梯度时，可促....
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方案
1. 支架制备
- 在实验室搅拌机中研磨 NaCl 20 分钟，并在 100 °C 的加热器上干燥。
- 将干燥后的 NaCl（每次 45 g）放入筛分机中，在不发生共振的最高可用频率下筛分 30 分钟。收集六种盐的粒径分级：500 µm 至 1000 µm（M 500）；300 µm 至 500 µm（M 300）；100 µm 至 200 µm（M 100）；90 µm 至 100 µm（M 90）；45 µm 至 65 µm（M 45）；最后为粒径小于 45 µm 的 M 10，如图 1所示。
- 将所有材料真空干燥过夜，以避免加工过程中发生水解断裂。针对每种材料选择适当的温度，以最大化干燥程度，同时对于聚合物而言不得超过其玻璃化转变温度。因此，PLA 选择 T = 90 °C，PEG 选择 T = 25 °C，NaCl 选择 T = 105 °C。
- 将 PLA、PEG 和 NaCl 按质量百分比 20/5/75 配比加入密炼机中，在 T = 190 °C 和转速 n = 60 rpm 下混合，持续加工直至扭矩达到恒定值，通常约需 10 分钟。随后迅速收集所得物料。
- 使用在 210 °C 下运行的实验室压机制备单层样品，将共混物置于直径为 10 mm、高度为 3 mm 的圆柱形模具中，在常压下保持 60 秒，随后在 180 bar 压力下保持 3 分钟。之后在维持 180 bar 压力的条件下冷却至室....
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结果
通过样品形貌观察和图像分析计算孔径分布，分别对NaCl颗粒尺寸对支架孔隙结构的定性和定量影响进行了评估。 图 2a-f 显示了通过沥滤含有不同NaCl颗粒尺寸的材料所得单层支架的扫描电镜显微照片。
更详细地说，M 500（图 2a）显示出平均直径为 500 µm 的孔隙，这可能是由于在熔融混合过程中直径大于 500 µm 的盐颗粒发生破碎所致。从同一图中可明显看出，孔隙结构特征为数量较少的不规则孔隙，连通性较差，周围由约 10 µm 厚的孔壁包围。图 2b 展示了 M 300 的形貌。在此情况下，孔隙的平均直径处于熔融混合过程中所填充盐颗粒的相同尺寸范围（300–500 µm），从而证实熔融混合过程中未发生颗粒破碎。与 M 500 层相比，M 300 的孔壁更薄（约 5 µm）。M 100（图 2c
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讨论
第一个关键步骤是优化筛分效率。精确控制氯化钠颗粒的尺寸对于制备具有理想孔径分布的支架至关重要。另一个关键步骤是在样品从模具中取出时避免薄聚乳酸单层发生断裂。图像处理分析结果可能无法代表整个器件的整体情况。
在拉伸试验过程中，样品可能会从设备上撕裂脱落。
在筛分步骤之前，需确保盐已充分干燥，以便更好地控制氯化钠颗粒的尺寸。这一问题尤其对于最小的盐颗粒尺寸尤为重要，因其具有极强的吸湿性。在压缩成型步骤之前，应在模具表面涂覆一层薄薄的聚四氟乙烯（Teflon）喷雾涂层，以利于后续将样品从模具中取出。图像处理分析必须基于从支架不同区域拍摄的多张图像进行，以确保所选图像具有整体代表性的特征。最后，在进行拉伸测试之前（特别是在潮湿环境中进行的测试），应仔细检查粘合剂与样品之间的粘附情况。
该技术的主要局限在于无法获得连续的孔径梯度。事实上，此处所述方法仅能实现离散的孔径梯度，因其基于不同层的组装。在大多数情况下，结构明确的多层支架可能优于连续梯度支架，但并非总是如此。通过增加层数可在.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作由 INSTM 提供经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚乳酸 | NatureWorks | PLA 2002D | |
| 聚乙二醇 | Sigma | 83797-1KG-F | |
| 氯化钠 | Sigma | 793566-5KG-D | |
| 磷酸盐缓冲液 | Sigma | P5368-10PAK | |
| 实验室混合器 | Brabender | PLE 330 - Plasticorder | |
| 实验室压片机 | Carver | ||
| 扫描电子显微镜 | Phenom-world | ProX | |
| 万能材料试验机 | Instron | 3365 (UK) | |
| BioPuls 浴槽 | Instron, Norwood | ||
| 筛分机 | Endecotts | E.V.F.1. | |
| 真空烘箱 | ISCO | NSV9035 | |
| 精密天平 | Sartorius | AX224 |
参考文献
- Scaffaro, R., Morreale, M., Lo Re, G., Mantia, F. P. La Degradation of Mater-Bi®/wood flour biocomposites in active sewage sludge. Polymer Degradation and Stability. 94 (8), 1220-1229 (2009).
- Scaffaro, R., Botta, L., Passaglia, E., Oberhauser, W., Frediani, M., Di Landro, L.
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