山东大学陈景帝团队Adv. Compos. Hybrid Mater.：生物增强型鲍鱼壳掺杂3D打印骨修复支架

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成果简介

近日，山东大学海洋学院陈景帝教授团队在先进复合材料领域国际顶级学术期刊 Advanced Composites and Hybrid Materials （ IF = 20.1/Q1 区 TOP ）上发表了题为 “Biologically enhanced 3D printed micro-nano hybrid scaffolds doped with abalone shell for bone regeneration” 的研究论文。文中利用 3D 打印技术成功构建了一种生物增强的微纳杂化复合支架材料，将具有丰富的钙源和生物活性物质的鲍鱼壳资源应用于骨修复，全面增强了骨再生植入物中材料的骨诱导和再矿化性能。不仅提供了潜在的低成本高性能骨修复材料，为骨组织工程和再生医学领域带来新的希望，同时也具备改善环境污染的潜力。团队在研发中积极寻求新的资源利用途径，为患者带来福音，为社会的可持续发展注入新动力。这种医学与材料科学的融合意味着在创新和应用中，将以海洋贝壳这一丰富资源为基础，为人类的健康问题探索更广阔的解决方案 。

近年来，随着贝类工厂化养殖和加工的快速发展，每年产生大量的贝壳。然而，由于缺乏技术应用，绝大多数贝壳被丢弃，造成资源浪费和环境污染。鲍鱼壳（ Aba ）具有独特的多层次结构和含有丰富的钙源、有机物质和微量元素，使其具备优异的生物活性和成骨诱导特性。尤其鲍鱼壳颗粒可以作为羟基磷灰石的前体，在复合支架中促进表面矿化，为干细胞和活性因子的迁移提供适宜的微环境。然而，由于颗粒的加入，传统支架的内部微观结构很难精确控制，导致无法与细胞大小完美匹配。为了克服这一问题，本研究利用 3D 打印技术将鲍鱼壳颗粒与具有良好韧性和加工性的聚己内酯（ PCL ）等有机材料相结合，形成复合支架，用于骨修复和再生。通过 3D 打印技术，研究人员可以精确控制支架的内部微结构，提高其与细胞的匹配性，从而增强骨组织再生的效果。这种一体化的鲍鱼壳 /PCL 复合支架不仅可以充分利用废弃资源，减少环境污染，而且具有良好的生物活性和优异的性能。因此，它为未来骨骼修复材料提供了一种具有潜力的选择，有望在临床应用中发挥重要作用 。

图文导读

3D 打印支架表面性质

扫描电子显微镜图像 （图 1A ）表明， Aba/PCL 复合支架具有完整且相对均匀的支架结构。内部缝隙相互穿透，孔洞间距比较均匀，说明 Aba 颗粒的引入并没有破坏支架的整体结构。并且随着 Aba 颗粒含量的增加，颗粒逐渐暴露在支架表面。结构的隆起和凹陷日益明显，表面呈现出由光滑到粗糙的趋势。值得注意的是，复合支架的孔隙率并没有因为 Aba 颗粒的引入而显著降低，这完全满足骨组织工程支架的标准（ 35~75% ）（图 1E ）。此外，随着降解时间的延长和 Aba 颗粒含量的增加，复合支架的降解率逐渐增加， 4 周内降解率达到 Aba/PCL-1 的 7.5% （图 1F ）。综合以上观察结果， Aba/PCL 复合支架在结构完整性和孔隙率方面表现出色，同时具有适当的降解性能，这使其成为具有潜力的骨组织工程支架材料 。

3D 打印支架的力学性能分析

从应力 - 应变曲线可以看出，复合材料支架先发生弹性变形，再发生塑性变形，最后达到变形极限（图 2A-B ）。 Aba/PCL-3 支架在 0.5~5.45% 应变范围内具有最大的抗压强度（ 1.34 MPa ）和压缩模量（ 1.89 MPa ），这表明适当的 Aba 颗粒含量提高了支架的机械强度（图 2C-D ）。过量的 Aba 颗粒由于在支架中的分布不均匀，容易引起应力集中，从而进一步降低了支架的抗压强度。然而， PCL 支架的力学性能相对较差。由于 PCL 具有良好的韧性，当受到轴向压力时，它们会发生较大的变形以抵抗外力。填充材料良好的矿化对颅骨缺损的修复具有积极作用，植入后可诱导材料表面矿化形成类似于天然骨组织无机基质的 nHAP 纳米晶。这加速了材料和组织之间的相互融合，进一步促进了骨再生 。

3D 打印支架的生物矿化

SEM 图像（图 3A ）显示，在 SBF 溶液中矿化 4 周后， nHAP 沉积在支架表面，并且其沉积量与 Aba 颗粒的含量呈正相关。相较于纯 PCL 支架，表面粗糙的 Aba/PCL 复合支架具有更大的比表面积和表面溶解度，从而提高了支架表面磷酸盐和钙离子的局部浓度，有利于达到成核阈值。此外， Aba 颗粒作为晶核点诱导了 nHAP 晶体的形成，随着 Aba 颗粒含量的增加，支架上形成了更多的晶体。为验证所形成的晶体为 nHAP ，对 3D 打印支架表面进行了 EDS 点扫描（图 3B ），结果显示在 ABA/PCL-1 支架的 EDS 图中观察到了元素 Ca 和 P ，证实表面形成的微米级和纳米级粒子为 nHAP 晶体 。

材料植入体内后，由于材料的矿化作用，组织缺损处的生理微环境发生动态变化。因此，连续检测支架矿化过程中 SBF 液体的 pH 值变化尤为重要（图 3D ）。 SBF 的 pH 值在前 3 天呈下降趋势。这主要归因于 nHAP 晶体的逐渐形成，它消耗了溶液中的 OH− ，并显著降低了溶液的 pH 值。随后，由于材料表面的矿化， Aba/PCL-3 和 PCL 基团的 pH 值继续下降。而 Aba/PCL-1 和 Aba/PCL-2 组则表现出相反的趋势，这是因为 Aba 大颗粒的溶解增加了 pH 值。值得注意的是， SBF 溶液的 pH 值在 28 天后保持在 6.95 左右，没有明显的波动，这表明 Aba/PCL 组有利于组织缺损处中性微环境的稳定，有利于细胞的生长。此外，支架植入后，体液始终循环，改善了骨缺损处的生理微环境，进一步促进了组织修复和再生。

3D 打印支架促进体内骨再生

为了进一步评价复合支架对 SD 大鼠颅骨缺损模型的体内修复效果，植入 2 个月和 3 个月后通过 Micro-CT 重建骨组织结构并进行分析（图 4A ）。各组修复效果随时间延长而增强，且实验组优于空白对照组。体表和矢状面显示，术后 2 个月，实验组新骨向内延伸大于对照组，缺损中心区附近有少量新骨形成。术后 3 个月，各组修复效果进一步加强，缺损部位逐渐被新骨替代，缺损面积明显缩小。然而，仍然需要修复缺陷边缘的一些区域。在矢状面上，观察到大部分新骨从缺损边缘向内延伸进行修复，实验组新骨向内生长速度大于对照组。这主要归因于具有三维多孔结构的支架有利于细胞在植入后的粘附和生长。更有趣的是， Aba/PCL-3 组的缺损部位的损伤间隙最小，并且有更多的新骨生长。这归因于 Aba 颗粒改善了 PCL 的生物活性，这有助于细胞粘附和矿化物质再生 nHAP 。

此外，对骨密度（ BMD ）、新骨体积与组织体积之比（ BV/TV ）、局部小梁数量（ Tb.n ）和骨小梁厚度（ Tb.Th ）进行测量，以定量验证植入后 2 个月和 3 个月颅骨缺损的修复情况（图 4B–E ）。其中， Aba/PCL-1 组的 Th 分别为 0.581 g/cm ³ 、 54.57% 、 1.612mm ^-1 和 0.496 mm ，高于 PCL 组的 0.442 g/cm ³ 、 37.87% 、 0.981mm ^-1 和 0.398 mm ，以及空白对照组的 0.332 g/cm ³ 、 28.98% 、 0.787mm ^-1 和 0.346 mm 。这些结果表明，支架的植入为骨细胞的迁移和增殖提供了场所，并使细胞在支架表面生长和分化。因此，定量分析和测试结果表明， Aba 颗粒的引入促进了材料矿化，提高了单一有机聚合物的修复性能，使复合支架对骨缺损的修复具有良好的效果 。

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