3D打印聚乳酸-左旋多巴复合骨替代材料的亲水性及力学性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0981

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (30): 4800-4805.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0981

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3D打印聚乳酸-左旋多巴复合骨替代材料的亲水性及力学性能

郑晨¹，王明晓¹，刘波¹，张丽菊²，张娜²，王玉光³，王志强³

遵义医学院珠海校区，¹生理学教研室，²预防医学教研室，广东省珠海市 519041；³武警后勤学院附属医院骨科，天津市 300162

收稿日期:2018-05-08 出版日期:2018-10-28 发布日期:2018-10-28
通讯作者: 王玉光，医师，武警后勤学院附属医院骨科，天津市 300162
作者简介:郑晨，女，1988年生，浙江省温州市人，汉族，2017年天津医科大学毕业，博士，副教授，主要从事神经电生理及组织工程研究。

Hydrophilic and mechanical properties of 3D printed polylactic levodopa as alternative material for bone regeneration

Zheng Chen¹, Wang Ming-xiao¹, Liu Bo¹, Zhang Li-ju², Zhang Na², Wang Yu-guang³, Wang Zhi-qiang³

¹Department of Physiology, ²Department of Preventive Medicine, Zhuhai Campus of Zunyi Medical University, Zhuhai 519041, Guangdong Province, China; ³Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Logistics University of People’s Armed Police Force, Tianjin 300162, China

Received:2018-05-08 Online:2018-10-28 Published:2018-10-28
Contact: Wang Yu-guang, Physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Logistics University of People’s Armed Police Force, Tianjin 300162, China
About author:Zheng Chen, MD, Associate professor, Department of Physiology, Zhuhai Campus of Zunyi Medical University, Zhuhai 519041, Guangdong Province, China

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

聚乳酸：单个的乳酸分子中有一个羟基和一个羧基，多个乳酸分子在一起，-OH与其他分子的-COOH脱水缩合，-COOH与其他分子的-OH脱水缩合，如此循环形成聚乳酸，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水。

多巴：是海洋贻贝等生物分泌黏液的重要组成部分，具有很强的黏附性，不仅可以黏附在无机材料表面，也可以黏附在有机材料表面，这些黏液蛋白质水解之后的氨基酸片段中，每1 000个氨基酸结构片段中可能含有105个多巴残基结构，130个羟基脯氨酸残基结构，210个赖氨酸残基结构。

背景：传统的聚乳酸有机高分子材料存在细胞相容性较差、机械强度不足等问题。

目的：评价3D打印新型聚乳酸-左旋多巴复合材料的力学性能及生物相容性。

方法：采用3D打印技术制备聚乳酸支架材料(空白组)；采用溶剂冷凝冻干挥发法在聚乳酸支架表面分别进行左旋多巴表面修饰(实验组)与无溶质修饰(对照组)，检测3组支架的亲水角、耐压强度、抗弯强度及抗磨损能力。

结果与结论：①空白组、实验组、对照组的亲水角分别为(89±5)°，(36±2)°，(87±4)°，实验组低于空白组、对照组(P < 0.05)；②空白组、实验组、对照组的最大抗压强度分别为142.3，149.4，140.6 N，实验组高于空白组、对照组(P < 0.05)；③空白组、实验组、对照组的最大抗弯曲力分别为55.8，95.7，56.7 N，实验组高于空白组、对照组(P < 0.05)；④在0-3 min内，实验组材料的摩擦系数、磨损体积最小；6 min后，各组材料摩擦系数趋近平行。实验组材料的磨损体积在实验3 min内最低，与其他两组比较差异有显著性意义， 6 min后3组间磨损体积比较无差异；⑤结果表明，聚乳酸-左旋多巴复合材料具有优良的力学性能及生物相容性。

ORCID: 0000-0003-2490-3119(郑晨)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 复合材料, 亲水角, 左旋多巴, 聚乳酸, 摩擦系数, 3D打印, 生物材料

Abstract:

BACKGROUND: There are some disadvantages in traditional polylactic organic polymer materials such as poor cell compatibility and insufficient mechanical strength.

OBJECTIVE: To evaluate the mechanical properties and biocompatibility of 3D printed polylactic levodopa composites.

METHODS: Polylactic scaffold materials were prepared by 3D printing technology (blank group); surface modifications (experimental group) and solute-free modifications (control group) were performed on the surface of polylactic scaffolds by solvent condensation and freeze drying volatilization method. In present study, the hydrophilic angle, compression strength, bending strength, and wear resistance of the above three groups were examined.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The hydrophilic angles of the blank group, the experimental group and the control group were (89±5)°, (36±2)°, and (87±4)°, respectively, which was significantly less in the experimental group than the other two groups (P < 0.05). (2) The maximum compressive strengths of the blank group, the experimental group, and the control group were 142.3 N, 149.4 N, and 140.6 N, respectively, which was significantly higher in the experimental group than the other two groups (P < 0.05). (3) The maximum bending resistance of the blank group, the experimental group, and the control group were 55.8 N, 95.7 N, and 56.7 N, respectively, which was significantly higher in the experimental group than the other two groups (P < 0.05). (4) Within 3 minutes, the friction coefficient and the wear volume of the experimental group were the smallest among the three groups; after 6 minutes, there was no significant difference in the friction coefficients among the three groups. The above results reveal that polylactic levodopa composites have excellent mechanical properties and biocompatibility.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Levodopa, Contact Lenses, Hydrophilic, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

郑晨，王明晓，刘波，张丽菊，张娜，王玉光，王志强. 3D打印聚乳酸-左旋多巴复合骨替代材料的亲水性及力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(30): 4800-4805.

Zheng Chen, Wang Ming-xiao, Liu Bo, Zhang Li-ju, Zhang Na, Wang Yu-guang, Wang Zhi-qiang. Hydrophilic and mechanical properties of 3D printed polylactic levodopa as alternative material for bone regeneration[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(30): 4800-4805.

图/表（结果） 7

2.1 X射线光电子能谱分析结果各组结果见图1所示，在300，550，1 000，1 200 eV处出现同类波峰，证明了每组材料底物均是聚乳酸，含氧、碳基本元素；在400 eV附近只有实验组出现氮元素，在200 eV结合能附近只有实验组和对照组出现氯元素，与事实完全复合，因为只有此两组在浸入盐酸溶液时表面中含有氯元素。通过实验分析结果证实材料表面已结合实验目标材料。

2.2 亲水角测量结果材料亲水角测量及宏观图见图2，3所示，空白组、实验组、对照组的亲水角分别为(89±5)°，(36±2)°，(87±4)°，实验组亲水角小于其他两组(P < 0.05)。

2.3 耐压强度实验结果各组耐压能力和位移曲线见图4，实验组在达到最大抗压强度前，载荷-位移曲线呈平稳的线性，达到最大压缩载荷后，曲线没有突然中断，说明材料对所加最大载荷有缓冲能力，形成假塑性破坏。空白组、实验组、对照组的最大抗压强度分别为142.3，149.4，140.6 N。

2.4 抗弯强度测试结果各组材料的相关抗弯强度性能测试结果见图5所示，实验组材料在抗弯强度、最大弯曲力力学性能方面均远优于其他两组材料(P < 0.05)；实验组在加载最大耐弯载荷后，线性关系呈缓慢下降，降幅均匀，没有出现直线型降落，证明材料具有延展性；空白组、实验组、对照组的最大抗弯曲力分别为55.8，95.7，56.7 N。

2.5 摩擦磨损测试结果材料样品摩擦磨损性能测试结果见图6，表1。由图可知，实验组材料的摩擦系数、磨损体积值在0-3 min时间段内均优于其他两组材料(P < 0.05)；在0-3 min时间段内，实验组材料摩擦系数最小，证明材料表面涂层使材料的摩擦系数降低；当6 min后材料表面涂层磨损殆尽后，各组材料摩擦系数趋近平行，所以摩擦系数为聚乳酸材料的摩擦系数；实验组实验3 min内的磨损体积最低，与其他两组比较差异有显著性意义(P < 0.05)，6 min后3组间磨损体积比较无差异。

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引言

目前，随着工业的快速发展和交通运输业的不断升级，由创伤、肿瘤切除术后的骨缺损、自然灾害性创伤等因素所带来的大段骨缺损，每年都在困扰着许多的患者，如今中国每年有大于500万人次涉及骨移植^[1]。目前临床中出现骨缺损的患者，通常需进行骨移植，材料主要分为自体骨、异体骨、人工骨。无论自体骨还是异体骨都有其相应的缺陷，这也成为临床骨材料学发展的巨大阻力^[2]。骨缺损时通过自体骨进行填充是骨科的金标准，由于自体骨是自身组织的一部分，不会导致自身排异反应，并且自体骨本身带有骨生长诱导因子，在短期内能够很快使创伤愈合，然而在临床中取骨术对于患者来说是一种新的创伤，术后会并发切口感染、供区疼痛等^[3-4]。异体骨是在力学上与自体骨最为相近的骨材料，具有微孔特性，能够起到很好的骨传导作用，但其所带来的免疫排斥反应是毋佣质疑的，在临床中常出现植骨后不愈合，术区切口长期红肿。因此异体骨材料的应用受到很大限制，也给临床工作带来诸多困难^[5-6]。

1995年Crane等^[7]提出骨组织工程的基本理念，同时也提出了人工骨材料的基本概念，并引起强烈反响。人工骨材料分为两种^[8]，天然骨材料和人工合成骨材料。人工骨材料主要包括以下几种：①无机物：如羟基磷灰石、陶瓷、生物活性玻璃、磷酸钾钠等，羟基磷灰石在体内能够降解，陶瓷生物特性稳定；但羟基磷灰石的脆性大，陶瓷不够灵活，加工成本高，不易塑形；②有机高分子材料：如聚乳酸、聚乙烯、壳聚糖等，聚乳酸是一种已在医学上广泛应用的超高分子聚合物，是已通过美国食品药品管理局认证的临床常用有机高分子材料之一，可安全地作为人体植入物。它已被全面用于骨板、骨钉、手术缝线、纺丝等骨科器械^[9-10]。但聚乳酸降解后有酸性降解产物；细胞与组织的生物相容性达不到要求；机械强度不足；在周围组织影响下，容易导致非特异性免疫反应和炎症反应^[11]，并且此材料表面不能引起机体细胞识别，细胞和材料不能产生所需的生物相互作用，生产成本过高、可塑性不满意等。

材料的生物相容性是材料植入成败与否的一个极其重要的指标。首先假体材料植入机体后，机体细胞立即启动防御机制，细胞膜表面的受体和与材料表面所提供的供体靶点进行相互识别，对材料进行是否为免疫抗原的判断。细胞膜是细胞与材料表面的相互识别的通道，由此可见，材料外层膜的结构组成对材料而言至关重要，现阶段被作为材料表面修饰物的有：2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱、壳聚糖、绿原酸等，但这些材料都有其局限性，如2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱制作成本高^[12]，聚合工艺复杂；壳聚糖、绿原酸机械强度不足，达不到力学要求。所以，为更好地解决以上问题，此次研究从材料表面角度入手，希望能获得一种价格低廉、制作工艺简单、机械强度更加优良的表面修饰物及新型复合材料。

多巴是海洋贻贝等生物分泌黏液的重要组成部分，具有很强的黏附性，不仅可黏附在无机材料表面，也可黏附在有机材料表面。进一步的研究表明，含邻苯二酚基团的多巴类衍生物同样具有与多巴相类似的强黏附性，由此发展起来的聚多巴胺涂层在诸多领域已得到应用。基于上述研究成果及以往研究的不足^[8^，^11]，此次研究的创新点在于将多巴及其衍生物引入高分子中，得到了一系列黏附性能强的仿生高分子，使其具有更好的亲水性能，有望获得力学特性更优越的复合材料。

最近几年来，由美国引领全球的3D打印是一种以离散堆积成型为技术基础，逐层填充的快速成形锻造技术^[13]，其优点为快速、精准，并且这项制造技术能够满足任何形状，已被应用于骨科领域^[14]。此次研究采用3D打印技术制备出高分子聚乳酸基底材料，再通过溶剂冻干挥发法将左旋多巴修饰到聚乳酸基底材料表面^[15-16]，分析聚乳酸-左旋多巴人工骨替代材料的亲水性、力学特性等，探讨其应用于骨缺损的可行性，为复合人工骨材料应用于骨组织工程提供理论及实验基础。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照实验。

1.2 时间及地点实验于2014年2月至2016年12月在南开大学生命科学学院生物活性材料教育部重点实验室完成。

1.3 材料聚乳酸、多巴(BR，99.99%，北京天根生化科技有限公司)；3D快速成型打印机(MakerBot-R2，AmericanMakerBot Co.Ltd)；X射线光电子能谱仪(AXIS- ULTRA DLD，Brukeer公司)；电子万能试验机(CSS- 44100，天津大学材料学院)；摩擦磨损试验机(M-200，天津大学材料学院)；接触角测定仪(XG-7501，南开大学分子所)。

1.4 方法

1.4.1 实验材料分组分3组，空白组：3D打印聚乳酸材料后不做任何处理；实验组：3D打印聚乳酸材料后对其表面进行左旋多巴修饰；对照组3D打印聚乳酸材料后对其表面进行无溶质修饰，每组6个平行试样。

1.4.2 3D打印构建实验用聚乳酸高分子材料采用3D快速成型打印机，制备物件尺寸按照实验所需由Solidworks软件建模，具体打印步骤如下：3D打印机控制软件，确定打印参数(打印精度：±0.1 mm、喷嘴直径0.4 mm、流速 320 mm/s)；三维打印机上的打印头在计算机控制下，按照Solidworks软件建模进行打印；常温静置干燥12 h，去掉多余的支撑结构；存放于干燥器皿中备用。

1.4.3 聚乳酸材料表面的修饰实验组材料采用溶剂冷凝冻干挥发法^[17]，实验步骤如下：将左旋多巴溶于 8.75 mol/L HCl溶液中，配制浓度为5 g/L的左旋多巴溶液，将事先打印好的聚乳酸基底材料浸于溶液中2 h，取出后用双蒸水润洗3次，然后在LGJ-12冷冻干燥机中冻干过夜、封存备用。对照组材料仅将事先打印好的聚乳酸基底材料浸于8.75 mol/L HCl溶液中2 h，取出后用双蒸水润洗3次，然后在LGJ-12冷冻干燥机中冻干过夜、封存备用。

1.4.4 X射线光电子能谱分析 X射线光电子能谱仪能够客观准确地反映实验表面的物相情况^[18]，实验采用X射线光电子能谱仪对各组材料进行物相分析，每组各设置6个平行试样，实验参数：40 kV，40 mA，扫描速度17.7 s/步，扫描步长0.02°。

1.4.5 材料亲疏水性表征亲水角即液体对固体材料所形成接触角的大小，可判断其亲水性^[19]。每组各设置6个平行试样，方法如下：将材料置于测试仪内，将测试平台调制水平；滴液滴，每滴5 μL，打开单色冷光LED背光光源，分辨率2 048×1 536；高象素数字相机和连续变焦显微镜镜头拍摄图像并测量角度。

1.4.6 耐压性能实验压缩强度测试^[20]，样本体积： 1 mm×10 mm×20 mm(X×Y×Z方向)，测试机V_压缩速度= 1 mm/min，受力方向平行于Z轴。实验方法如下：调节试验机装放式样位置，装好式样，将试验机清零；根据实验要求设定实验速度，开机开始实验；记录实验数据，保存实验数据。

1.4.7 耐弯性能实验采用三点弯曲法进行实验^[20]，样本体积：50 mm×10 mm×2 mm(X×Y×Z方向)，测试机V压缩速度=1 mm/min，受力方向平行于Z轴。实验方法如下：调节试验机装放式样位置，装好式样，将试验机清零；根据实验要求设定实验速度，开机开始实验，当材料完全断裂结束一次实验；记录实验数据，保存实验数据。

1.4.8 摩擦实验摩擦磨损实验参数^[18]：干摩擦，总时间12 min，每隔3 min读取一次数值，试验机转速200 r/min，样品体积：25.5 mm×7 mm×7 mm。调节试验机装放式样位置，装好式样，将试验机清零，测定实验机试环半径；根据实验要求设定试验机转速，开机开始实验；记录实验数据，保存实验数据。

1.5 主要观察指标各组材料的亲水角、耐压强度、抗弯强度及抗摩擦磨损性能。

1.6 统计学分析以上实验结果均用x(_)±s表示，应用SPSS 13.0统计软件进行单因素方差分析及LSD检验，a=0.05， P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

材料植入体内，血液与之接触，组织与之相互作用，材料的表面结构及微观分子构造直接影响材料的组织相容性^[21-23]。如果材料的生物相容性不好，机体组织自我保护系统就会对外来植入材料进行排异反应，导致机体产生炎症反应，释放炎性因子^[24-25]。材料进入人体后，细胞膜的蛋白靶点要与相接触的材料表面特异性物质相互作用，通过这种作用以辨别材料是异体还是自身物质^[26]。所以，细胞膜、材料表面这两方面的结构组成对这种相互辨别作用共同产生关键影响，特别是材料的抗蛋白吸附特性，将直接影响材料的生物相容性。由此可见，要从其中一个可控因素切入，针对人工材料进行进行表面修饰改性，这将是提高材料生物相容性、降低排斥反应、达到临床植入要求的关键。以往研究发现多巴胺与聚乳酸之间是通过范德华力相互作用的^[27-28]，聚乳酸材料经过修饰后表面的分子结构发生改变，这也是材料力学特性能够改善的一个推论，分子间的相互作用机制需要多学科联合深入研究，如多巴胺与聚乳酸之间是否可以化学键相互连接，这也是本课题组进一步深入研究的方向。

实验证明表面修饰过的材料亲水性有了明显提高，因为高分子材料表面如果要吸附蛋白质，必须要去除材料表面的水分子，即材料表面与蛋白质直接接触，这样蛋白质的构象就发生了改变，使得材料表面与蛋白质相互吸附。但当亲水性高分子材料与蛋白质相接触时，材料表面的水分子没有被去除，也就是抑制了材料表面对蛋白质在的吸附。所以聚合物表面的亲水化程度越强，抗蛋白质吸附能力就越强^[29-31]。以多巴表面修饰的聚合物具有良好的亲水性，因此推断此种材料有很好的抗蛋白吸附能力。

传统聚乳酸材料耐压能力无法达标，有研究表明骨材料在人体内所需耐受的最大抗压载荷20-30 kgf^[32-34]，所以人工骨材料应该有足够的耐压、耐弯强度。此次实验中，当对聚乳酸材料进行表面修饰后，新型材料具有更好的耐压、耐弯、耐摩擦磨损性能，若作为人工骨假体材料能够提高其机械强度，提高材料的支撑作用。

实验从多方面对材料进行测试评估，在修饰后对材料进行亲水角的测量、X射线光电子能谱分析、材料力学性能的测试，保证了实验结果的客观性。实验证明聚乳酸-左旋多巴复合材料的亲疏水特性、耐压缩、耐弯曲及耐摩擦磨损性能方面均优于传统聚乳酸材料，最大抗压强度由149.4 N增加到142.3 N，最大抗弯曲强度由95.7 N增加到55.8 N。综上所述实验材料的力学性能及亲水性更加优越，为人工骨材料的基础研究提供了理论依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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