骨支架作為組織工程中的關(guān)鍵組件，承擔(dān)著引導(dǎo)和支持骨組織再生的重要角色。聚乳酸（PLA）因其良好的生物相容性、生物可降解性以及與骨組織相似的力學(xué)性能，成為制造骨支架的理想材料。然而，如何優(yōu)化3D打印過程，高效制造滿足結(jié)構(gòu)安全的PLA骨支架，一直是科研人員探索的重點(diǎn)。伊迪斯·科文大學(xué)的Majid Tolouei-Rad團(tuán)隊(duì)探究了層高、擠出寬度、噴嘴溫度和打印速度等3D打印參數(shù)對(duì)PLA骨支架靜態(tài)和疲勞性能的影響。

文章所用PLA骨支架如圖1所示。為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)數(shù)量，通過田口實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了如表1所示的9種試樣。對(duì)上述試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，其典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，并將其結(jié)果進(jìn)行了方差分析，從分析結(jié)果可知（圖3），擠出寬度對(duì)于支架壓縮性能有著顯著影響。擠出寬度的增加能夠增加支架直徑，從而提高材料性能。與非多孔3D打印結(jié)構(gòu)不同的是，打印速度對(duì)支架的性能并無明顯影響。這是由于支架結(jié)構(gòu)彼此之間相連部分較少，絲材之間界面的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)支架整體性能影響較為微弱。

圖1 3D打印骨支架示意圖。

表1 不同3D打印參數(shù)設(shè)置。

圖2 單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 打印參數(shù)與壓縮性能之間的相關(guān)性分析。

在不同的應(yīng)變水平（0.4%，1.5%，2.5%，和3%）下進(jìn)行壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)，以模擬日常活動(dòng)中骨骼可能遭受的循環(huán)載荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖4），在低應(yīng)變幅度（0.4%）下，所有樣品均未出現(xiàn)疲勞破壞或剛度降低。然而，隨著應(yīng)變幅值的增加，不同組試樣陸續(xù)出現(xiàn)破壞。將其結(jié)果進(jìn)行方差分析，從分析結(jié)果可知（圖5），噴嘴溫度對(duì)于支架耐壓縮疲勞性能有著顯著影響。降低打印時(shí)的噴嘴溫度能夠提高支架的疲勞性能。

圖4 在（a）0.4%，（b）1.5%，（c）2.5%，和（d）3%應(yīng)變水平下

進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)不同參數(shù)試樣的剛度變化。

圖5 打印參數(shù)與壓縮疲勞性能之間的相關(guān)性分析。

熱成像分析顯示（圖6），在疲勞測(cè)試過程中，支架的溫度有所升高，但最高溫度（約39℃）仍然低于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（約62℃），溫度升高并未對(duì)支架的結(jié)構(gòu)完整性造成顯著影響。

圖6 PLA支架剛度與溫度隨疲勞圈數(shù)的變化。

這項(xiàng)研究不僅為3D打印PLA骨支架的制造提供了科學(xué)的參數(shù)指導(dǎo)，更通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所打印骨支架的安全性和有效性。在模擬日常活動(dòng)的應(yīng)變條件下（應(yīng)變小于0.4%），所有測(cè)試的骨支架均未出現(xiàn)疲勞破壞，顯示出良好的臨床應(yīng)用潛力。

后續(xù)可以對(duì)濕潤(rùn)環(huán)境下和部分降解后PLA骨支架的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其長(zhǎng)期服役下結(jié)構(gòu)的可靠性。也可以對(duì)比不同孔隙形狀對(duì)PLA骨支架性能的影響，便于后續(xù)對(duì)孔隙形狀進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)。除此之外，深入研究不同PLA骨支架如何影響骨組織附著情況、支架降解速率等，也是可行的方向之一。

相關(guān)研究論文“Impact of 3D printing parameters on static and fatigue properties of polylactic acid (PLA) bone scaffolds"已發(fā)表在《International Journal of Fatigue》