研究文章

体外比较评估3D打印聚乳酸与聚对苯二甲酸乙二醇酯-乙二醇改性表面的金黄色葡萄球菌生物膜形成

DOI：

10.3791/70394

⸱

2026年4月3日

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1Laboratory of Emerging Infectious Diseases, School of Medicine, Pontifícia Universidade Católica do Paraná

本文内容

摘要

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本研究采用静态、半静态和动态方法评估聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯改性塑料（PETG）3D打印材料上的生物膜形成情况 体外 模型。该方法有助于更安全的医疗器械开发，并推动3D打印生物材料中的生物膜研究。

摘要

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三维（3D）打印技术加速了定制化医疗器械的发展，但打印材料表面的生物膜形成仍是影响植入物安全性和性能的主要威胁。由于材料化学性质以及与打印工艺相关的表面特征可能影响细菌附着和对抗生素的耐受性，因此亟需建立标准化的体外（in vitro）评估方法，以实现对常用3D打印聚合物之间进行有意义的比较。本文采用一种多模型体外（in vitro）评估框架，从生物膜生物学的多个互补方面——包括早期黏附、成熟过程以及对抗微生物药物的耐受性——在静态和流动条件下，比较聚乳酸（PLA）与聚对苯二甲酸乙二醇酯改性材料（PETG）上的生物膜形成情况。S. aureus生物膜的建立与评估采用了定量（活菌载量和最小生物膜清除浓度[MBEC]）和定性（扫描电子显微镜）终点指标。在多种模型中，PLA和PETG均支持生物膜形成；然而，PLA通常表现出更高的早期黏附能力和更密集的生物膜结构。在静态实验中，PLA上的菌落形成单位（CFU）数值高于PETG，而万古霉素的MBEC值在两种材料之间相似。不同实验平台间观察到MBEC存在依赖于检测方法的差异，凸显了模型结构对表观抗微生物敏感性的影响。在动态流动条件下，相较于静态环境，生物膜负荷增加，但材料间的差异较小。综上所述，这些结果表明这两种聚合物均易受生物膜形成的影响，并证明了采用多模型框架评估与材料相关的生物膜行为，以及对3D打印医疗器械相关基材的抗微生物性能进行基准测试的重要价值。

引言

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3D 打印技术的最新进展推动了3D打印医疗器械的广泛应用，这得益于其成本效益高、精度高、结构设计复杂、材料利用率高以及可进行患者特异性设计等优势1,2。这些技术进步正在显著促进个性化骨科3,4,5,6、颅颌面7,8、牙科1,9以及脊柱10,11植入物的临床发展。

目前已有多种技术和材料可实现对设计参数的精确控制，从而优化表面特性并增强整体设备功能2,12,13。植入物的表面至....

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方案

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所有危险化学品（如戊二醛、二甲胂酸钠缓冲液、六甲基二硅氮烷 [HMDS] 和乙醇）均按照机构的环境健康与安全（EHS）政策进行操作。挥发性或有毒试剂的配制和使用均在经过认证的化学通风橱内进行，并穿戴适当的个人防护装备（实验服、护目镜和耐化学腐蚀手套）；易燃溶剂远离点火源存放。化学废弃物分类后收集于正确标识的容器中（包括含砷废物专用容器用于二甲胂酸钠，以及溶剂废物容器用于 HMDS/乙醇），并通过机构的危险废物处理程序进行处置。生物危害材料（细菌培养物、污染的培养皿及一次性用品）在丢弃前根据生物安全规程（如高压灭菌或使用经批准的消毒剂）进行去污处理；任何环氧乙烷灭菌操作均依照认证设施的操作规程和必要的通风程序进行。

3D 打印模型
模型使用免费的计算机辅助设计软件进行设计，并采用配备熔融沉积成型技术的3D打印机打印，使用直径为1.75 mm的聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）耗材（材料表）。制备样品所用的打印参数如下：喷嘴（0.4 mm）移动速度为1800 mm/min；首层打印速度为300 mm/min；喷嘴挤出温度为220 °C（PLA）和255 °C（PETG）；热床温度为60 °C；层高为0.08 mm；挤出宽度为0.48 mm；所有样品的填充密度均为100%。所有样品均无需使用支撑结构。3D模型包括圆盘、平底板、卡尔加里生物膜装置（CBD）以及改良罗宾斯装置（MRD）。圆盘设计....

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结果

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静态生物膜的圆盘模型
本实验用于测定单个样本的生物膜清除浓度（MBEC）。万古霉素的连续两倍稀释结果显示，聚乳酸（PLA）的基线生物膜形成量为 7.48 × 105 CFU/mL [IQR 6.34–8.72]，聚对苯二甲酸乙二醇酯-共-环己烷二甲醇酯（PETG）为 3.60 × 105 CFU/mL [IQR 3.08–5.52]。尽管两种材料的生物膜密度均处于 105 数量级，但二者之间的生物膜生成量差异具有统计学意义（p = 0.015）。在暴露于万古霉素时，两种材料的MBEC均为 512 mg/L（图6）。

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讨论

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本研究提出了一项全面的 i体外 评估使用四种互补实验平台在3D打印医用级聚合物（特别是PLA和PETG）上生物膜形成的性能：静态圆盘实验、24孔板模型、CBD以及基于MRD的动态流动系统。通过整合这些模型，本研究旨在表征不同打印材料在暴露于特定条件时的行为特征 S. aureus 生物膜诱导，以及测定万古霉素在不同测试条件下的最低生物膜清除浓度（MBEC）。这种多参数方法可比较不同材料对微生物黏附性和抗菌耐受性的影响——这些是决定3D打印医疗器械性能与安全性的关键因素2,16,17,23.

由于植入物感染主要与生物膜相关，且 notoriously 难以根除25,26.......

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披露

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作者无利益冲突。ChatGPT 用于语法审校。

致谢

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我们感谢Renee Fleeman的邀请。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
0.9% NaClFresenius Kabi Brasil, Ceara, 巴西17811
采用熔融沉积成型技术的3D打印机（Bambu X1-Carbon） Bambu Lab, 深圳, 中国PF001-P
血琼脂NewProv, Paraná, 巴西PA31
可下载的卡尔加里生物膜装置无公司见链接（无目录编号）https://www.printables.com/model/1464751-calgary-model-biofilm
细胞培养多孔板，24孔Greiner Bio-One, Kremsmünster Österreich, 奥地利 662160
离心机（5910 Ri）Eppendorf, 汉堡, 德国5943000511
无菌离心管，15 mLCorning, 密苏里, 美国430790
无菌离心管，50 mLCorning, 密苏里, 美国430291
电子移液器控制器（Easypet® 3）Eppendorf, 汉堡, 德国4430000018
乙醇（≥99.5%，ACS级试剂）Sigma-Aldrich, 密苏里, 美国459844
戊二醛Merck, 达姆施塔特, 德国8143931000
六甲基二硅氮烷Merck, 达姆施塔特, 德国440191
培养箱（502/4-C）Fanem, São Paulo, 巴西502007700
层流洁净工作台（BioSEG 9）Veco, São Paulo, 巴西1EAC3770
机械移液器（Eppendorf Reference® 2）Eppendorf, 汉堡, 德国4924000061
可下载的改良罗宾斯装置无公司见链接（无目录编号）https://www.printables.com/model/1481700-robbins-device-modified
浊度计 Alfakit, Florianópolis, 巴西7718
轨道摇床（INNOVA 44R）Eppendorf, 汉堡, 德国M1282-0314
Parafilm MAmcor, 伊利诺伊, 美国PM-996
蠕动泵（Minipuls® 3）Gilson, Villiers-le-Bel, 法国F117604
培养皿（90 x 15 mm）Greiner Bio-One, São Paulo, 巴西630164
移液器吸头，1–200μLCorning, 密苏里, 美国CLS4142
聚对苯二甲酸乙二醇酯-共-环己烷二甲醇酯（PETG）Creality, 中国44759
聚乳酸（PLA）Ultrafuse® PLA PRO1BASF, Maarssen, 荷兰PR1-7501A075
旋转泵（Q150R ES Plus）Quorum Technologies, Lewes, 英国13034
扫描电子显微镜（Vega3 LMU）Tescan, Brno, 捷克共和国见链接（无目录编号）https://tescan.com/product-portfolio
血清移液管，10 mLCorning, 密苏里, 美国CLS4488
二甲胂酸钠Sigma-Aldrich, 密苏里, 美国C0250
金黄色葡萄球菌ATCC® 25923菌株Laborclin, Pinhais, 巴西660674
蔗糖Sigma-Aldrich, 密苏里, 美国59378
可下载的24孔平底板无公司见链接（无目录编号）www.printables.com/model/104339-24-well-plates 
胰蛋白酶大豆琼脂 Kasvi, 马德里, 西班牙K25-1068
胰蛋白酶大豆肉汤 Sigma-Aldrich, 密苏里, 美国22092
超低温冰箱（IULT 335 D）Indrel, Paraná, 巴西12038
超声波清洗机（Soniclean 15）Sanders Medical, 米纳斯吉拉斯, 巴西见链接（无目录编号）https://sandersdobrasil.com.br/produto/lavadora-ultrassonica-soniclean-15d/
万古霉素ABL, São Paulo, 巴西15,56,20,041
涡旋振荡器（FLEXVORTEX）Loccus, São Paulo, 巴西4500

参考文献

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  1. Kouhi, M., et al. Recent advances in additive manufacturing of patient-specific devices for dental and maxillofacial rehabilitation. Dent Mater. 40 (4), 700-715 (2024).
  2. Mamo, H. B., Adamiak, M., Kunwar, A.

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