填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响

doi:10.12307/2022.246

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (16): 2492-2497.doi: 10.12307/2022.246

• 材料力学及表面改性 material mechanics and surface modification • 上一篇下一篇

填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响

刘家利1，索海瑞1，2，杨翰1，王玲1，2，徐铭恩1，2

1杭州电子科技大学自动化学院，浙江省杭州市　310018；2浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室，浙江省杭州市　310018

收稿日期:2020-12-01 修回日期:2020-12-05 接受日期:2021-01-23 出版日期:2022-06-08 发布日期:2021-10-29
通讯作者: 徐铭恩，教授，杭州电子科技大学自动化学院，浙江省杭州市　310018；浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室，浙江省杭州市　310018
作者简介:刘家利，女，1995年生，山西省朔州市人，汉族，杭州电子科技大学在读硕士，主要从事生物3D打印方面的研究
基金资助:
国家自然科学基金(61675059)，项目负责人：王玲；国家重点研发计划(2017YFC1103400)，项目负责人：徐铭恩

Influence of lay-down angles on mechanical properties of three-dimensional printed polycaprolactone scaffolds

Liu Jiali1, Suo Hairui1, 2, Yang Han1, Wang Ling1, 2, Xu Mingen1, 2

1College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China; 2Zhejiang Provincial Key Lab of Medical Information and Three-Dimensional Bio-Printing, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China

Received:2020-12-01 Revised:2020-12-05 Accepted:2021-01-23 Online:2022-06-08 Published:2021-10-29
Contact: Xu Mingen, Professor, College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China; Zhejiang Provincial Key Lab of Medical Information and Three-Dimensional Bio-Printing, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China
About author:Liu Jiali, Master candidate, College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, Zhejiang Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 61675059 (to WL); the National Key Research & Development Program of China, No. 2017YFC1103400 (to XME)

摘要/Abstract

摘要： 文题释义：
聚己内酯：是由ε-己内酯在金属有机化合物(如四苯基锡)做催化剂、二羟基或三羟基做引发剂条件下开环聚合而成，属于聚合型聚酯，通过控制聚合条件可以获得不同的分子质量。
材料的力学性能：力是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征，性能指标包括：弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度。

背景：3D打印聚己内酯组织工程支架是近些年来研究的热点之一，选择合适的材料制备力学性能优良的多孔支架是当前研究的难点。
目的：制备不同填充结构的三维多孔聚己内酯支架，研究其机械性能。
方法：设计0°/90°、0°/60°、0°/60°/120°、0°/45°和0°/45°/90°/135°5种填充结构，采用生物 3D 打印机打印三维多孔聚己内酯支架，测试支架的孔隙率及压缩和拉伸性能。

结果与结论：①5种支架的孔隙率比较差异无显著性意义(P > 0.05)；②从Z方向压缩时，不同填充结构聚己内酯支架的压缩性能差异很小；③从Y方向压缩时，0°/45°、0°/60°、0°/90°三种支架的压缩性能随填充角度增加而增强，0°/45°/90°/135°支架的压缩模量和强度比0°/45°支架高，0°/60°/120°支架的压缩模量和强度比0°/60°支架强；④从X方向压缩时，支架压缩模量和强度的规律与Y方向压缩相反；在5种支架中，0°/45°/90°/135°支架的拉伸模量和强度最大，0°/90°支架的拉伸模量和强度最小，0°/45°、0°/60°、0°/90°支架的拉伸强度和模量随角度增加而减小；⑤结果表明，0°/90°和0°/60°/120°填充结构的支架可满足力学性能各向同性的生理环境需求，其他3种结构可满足人体组织各向异性生长环境的要求。

https://orcid.org/0000-0002-6918-4798 (刘家利)

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: 3D打印, 组织工程, 聚己内酯, 支架, 填充结构, 各向异性, 力学性能, 拉伸, 压缩

Abstract: BACKGROUND: Three-dimensional (3D) printed polycaprolactone scaffold is one of the hotspots in recent years. It is difficult to prepare porous scaffolds with appropriate materials and excellent mechanical properties in current studies.
OBJECTIVE: To manufacture 3D porous polycaprolactone scaffolds with different lay-down angles and study their mechanical properties.

METHODS: 3D porous polycaprolactone scaffolds with different lay-down angles (0°/90°, 0°/60°, 0°/60°/120°, 0°/45° and 0°/45°/90°/135°) were designed and prepared using 3D printer. The porosity, compression and tensile properties of the scaffold were measured.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the porosity of the five scaffolds (P > 0.05). (2) In Z direction compression, there was little difference for polycaprolactone scaffolds with different lay-down angles. (3) In Y direction, the compression of the 0°/45°, 0°/60°, and 0°/90° scaffolds increased with the increase of the filling angle. The compressive modulus and strength of 0°/45°/90°/135° were higher than those of 0°/45°. The compressive modulus and strength of 0°/60°/120° scaffolds were stronger than those of 0°/60°. (4) When the three scaffolds were compressed in X direction, the law of the compression modulus and strength of the scaffold was opposite to those of the compression in the Y direction. Among the five types of scaffolds, the tensile modulus and strength of the 0°/45°/90°/135° scaffolds were the largest, and the tensile modulus and strength of the 0°/90° scaffold were the smallest; the tensile strength and modulus of the 0°/45°, 0°/60°, and 0°/90° scaffolds decreased with the increase of the angle. (5) The results show that the 0°/90° and 0°/60°/120° scaffolds can meet the requirements of the physiological environment with isotropic mechanical properties, and the other three structures can meet the requirements of the anisotropic growth environment of human tissues.

Key words: 3D printing, tissue engineering, polycaprolactone, scaffold, lay-down angles, anisotropic, mechanical properties, tensile, compression

中图分类号:

刘家利, 索海瑞, 杨翰, 王玲, 徐铭恩. 填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(16): 2492-2497.

Liu Jiali, Suo Hairui, Yang Han, Wang Ling, Xu Mingen. Influence of lay-down angles on mechanical properties of three-dimensional printed polycaprolactone scaffolds[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(16): 2492-2497.

图/表（结果） 6

2.1 支聚己内酯架形貌观察图2显示了0°/45°、0°/45°/90°/135°、0°/60°、0°/60°/120°和0°/90°五种填充结构的XY、YZ、XZ平面的聚己内酯支架形貌。从图中可以看出，不同填充结构的聚己内酯支架结构规则，细丝直径粗细均匀、间距相等，丝径约为344 μm，孔径约为379 μm，无闭孔。在XY平面，0°/45°组、0°/60°组、0°/90°组呈现规则的孔结构，0°/60°/120°组角度变换次数为3，构建了均匀规则的等边三角形孔结构，而0°/45°/90°/135°组则呈现出更小的孔；在XZ平面，0°/45°/90°/135°组孔结构较为明显，但分布不均匀，孔大小也不等，0°/45°组、0°/60°组、0°/60°/120°组呈现侧孔不明显，是由于旋转角度促使相邻层细丝方向相近，上层细丝遮挡了侧孔；在YZ平面，5种结构均存在明显的侧孔，0°/45°组、0°/60°组、0°/90°组侧孔多却小，而0°/60°/120°组、0°/45°/90°/135°组侧孔数量较少但是孔隙大，这是因为多次的角度变换致使相同方向的细丝间相隔层数增加，比如0°/90°组中两个0°方向的细丝中间相隔1层，0°/60°/120°组中两个0°方向的细丝相隔2层，而0°/45°/90°/135°组中两个0°方向的细丝相隔3层。

2.2 聚己内酯支架的孔隙率图3为不同填充结构聚己内酯支架的孔隙率。0°/45°、0°/45°/90°/135°、0°/60°、0°/60°/120°、0°/90°填充结构支架的孔隙率分别为57%，55%，54%，54%，57%，组间比较差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.3 聚己内酯支架的力学性能图4为不同填充结构聚己内酯支架的压缩性能。从Z方向压缩时，在拉力机的量程内，不同填充结构的支架呈现相同的趋势，即线弹性阶段、屈服阶段、塑性变形阶段。0°/45°组、0°/60°组、0°/90°组支架的压缩模量和压缩强度比较差异无显著性意义(P > 0.05)，这是因为Z轴压缩时影响力学性能的主要因素为相邻层间的交点个数[21]、交点面积和孔隙率，填充结构对其影响很小；0°/60°/120°组支架的压缩模量和压缩强度较0°/60°组更强
(P < 0.05)，这是因为0°/60°/120°组相邻3层的受力结点交于一点，且相邻层填充角度幅度减小，接触面积更大，形成的纵向柱状结构更粗[19]；5种支架结构中，0°/45°/90°/135°组支架的压缩强度和压缩模量最小，这是因为该组以45°旋转4次，相邻4层的受力结点未集中到一点，不能形成纵向上的柱状结构，而其他4种支架结构相邻层受力结点交于一点，形成了受力方向的柱状结构[24]。

从Y方向压缩时未达到拉力机最大量程时，支架变形损坏，支架压缩实物图见图5。

0°/45°组、0°/60°组、0/90°组支架的压缩模量和压缩强度随填充角度增加，力学性能增强，这是因为填充角度越大细丝越接近力的方向，当填充角度为90°时细丝方向与力方向一致，此时可以看作力施加在了圆柱结构上，不易变形，当填充角度逐渐减小，此时可看作力施加在了弹簧结构上，容易变形[18]，其中0°/45°组支架变形最为明显；0°/60°/120°组支架的压缩模量是0°/60°组的1.71倍(P < 0.05)，压缩强度是0°/60°组的2.25倍(P < 0.05)，这是因为0°/60°/120°组形成的三角形结构具有更高的稳定性；0°/45°/90°/135°组支架的压缩模量和压缩强度较0/45°组更强(P < 0.05)，这是因为0°/45°/90°/135°组在4次旋转中会形成沿力方向的细丝。
从X方向压缩时，0°/45°组、0°/60°组、0°/90°组支架的压缩模量随填充角度增加，力学性能较弱，这是因为X方向与Y方向呈现相反的关系，即在Y方向填充角度越大，那么在X方向填充角度越小，0°/45°组、0°/60°组支架的压缩强度比较差异无显著性意义(P > 0.05)，变化较为平稳，0°/60°组支架的压缩强度比0°/90°组大2.51 MPa(P < 0.05)；0°/60°/120°组支架的压缩模量和压缩强度较0°/60°组弱
(P < 0.05)，原因是0°/60°组支架沿力的方向的细丝有10层，而0°/60°/120°组支架沿力的方向的细丝仅有7层(共20层)，这些沿力方向的细丝构成了阻止变形的柱形主体。由于分别受到柱形主体和三角形结构的支撑，0°/60°/120°组支架在X方向和Y方向上的压缩性能较接近；0°/45°组支架的压缩模量较0°/45°/90°/135°组更大(P < 0.05)，原因是0°/45°组支架沿力的方向的细丝有10层，而0°/45°/90°/135°组支架沿力的方向的细丝仅有5层，虽然0°/45°组支架的压缩强度较0°/45°/90°/135°组小，但差异无显著性意义(P > 0.05)。
从X、Y、Z方向压缩，0°/45°组、0°/45°/90°/135°组、0°/60°组支架的压缩强度和压缩模量各不相同，而0°/90°组、0°/60°/120°组的压缩力学性能相近。值得指出的是，0°/90°组在Z方向上的压缩模量和压缩强度比X、Y方向上的略小，这是因为从不同方向压缩0°/90°组时受力载荷传递机制不同，当从Z方向压缩，受力主体为层与层之间的重叠区域，当从X、Y方向压缩时受力主体为沿力的方向的细丝，刚性更强、变形更小。
图6为不同填充结构聚己内酯支架的拉伸性能。0°/45°组、0°/60°组、0°/90°组支架拉伸模量和拉伸强度随填充角度增加而降低，这是因为填充角度越小细丝的方向越接近于拉力的方向，当填充角度为0°时相邻两层细丝重合，相当于拉伸并行的圆柱。在5种填充结构的支架中，0°/45°/90°/135°组支架的拉伸模量(34.6±1.55) MPa和强度(4.16±0.37) MPa最大，而0°/90°组支架的拉伸模量(18.88±0.98) MPa和强度(2.56±0.23) MPa最小，0°/45°/90°/135°组支架拉伸模量是0°/90°组的1.83倍，拉伸强度是0°/90°组的1.37倍，这说明可以通过改变填充结构而改变支架的拉伸力学性能。

0°/45°/90°/135°组和0°/60°/120°组(角度变换4、3次)的拉伸模量和强度均高于0/45°组、0°/60°组和0°/90°组(角度变换2次)，这说明随着角度变换次数的增加，支架在X方向具有更大的抵御变形的能力，见图7。

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引言

在组织工程中，支架为细胞的生长提供三维环境和力学支撑[1-2]。常见的支架材料如水凝胶、胶原及壳聚糖等天然生物材料[3-4]，虽然有良好的生物相容性和降解性，但存在机械强度差、降解速率难以控制等缺陷[5]。因此，力学性能优良和降解速率适宜的合成聚合物，如聚乙醇酸[6-7]、左旋聚乳酸及聚己内酯等在组织工程中也得到了广泛的应用[7-8]。聚己内酯具有优异的力学性能且容易成型，具有良好的生物相容性，能够支持多种细胞的黏附、增殖和基质分泌，不会对人体产生毒副作用，被广泛应用于关节软骨、软骨下骨及骨软骨的一体化修复[9-11]。HWANG等[12]制备了软骨层为聚己内酯、软骨下松质骨层为左旋聚乳酸/羟基磷灰石的多层关节软骨支架，压缩测试表明该支架可满足关节软骨修复的力学要求。
三维(3D)打印支架可以得到定制的 3D宏观结构及精确控制的内部孔隙结构，有利于营养物质的运输和组织的长成，在组织工程支架的制备中具有显著优势[13-14]。3D打印制备的组织工程修复支架应具备优异的力学性能，目前的研究主要集中在孔径和孔隙率对力学性能的影响[15-18]。DOMINGOS等[19]制备了孔径在245-433 μm之间、孔隙率在49%-57%之间的聚己内酯支架，压缩机械测试表明，孔径和孔隙率增加均会削弱支架的力学性能。ANG等[17]发现支架的强度和模量随孔隙率的降低而增强，并研究了力学性能与孔隙率间的定量关系。研究表明，3D打印的微观孔隙结构对支架的力学性能有显著影响[15, 20]。课题组曾研究了0°/45°、0°/60°及0°/90°三种填充结构羟基磷灰石支架的压缩力学性能，并对其进行有限元仿真分析，结果表明0°/90°填充结构羟基磷灰石支架的压缩模量最高[21]。此次实验重点研究5种填充结构(0°/45°，0°/45°/90°/135°，0°/60°，0°/60°/120°，0°/90°)对聚己内酯支架压缩(从X、Y、Z三个方向压缩)及拉伸的影响，探讨不同填充角度及其不同变换次数形成的孔隙结构对支架压缩和拉伸性能的作用机制。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 设计材料理化和力学性能实验，数据以ANOVA检验和成对样本T检验进行分析。
1.2 时间及地点实验于2019年9月至2020年11月在杭州捷诺飞生物科技有限公司和杭州电子科技大学完成。
1.3 材料聚己内酯(分子质量为80 kD，杭州铭善，中国)；生物 3D 打印机(3D Bio-Architect®，Regenovo，中国)；电子分析天平(BSA224S，Sartorius，德国)；真空脱泡机(深圳哈赛科技，中国)；万能试验机(AI-7000-S，GOTECH，中国)；电子数显卡尺(广陆，中国)；电热鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司，中国)；倒置荧光显微镜(CX23，Olympus，日本)；通过数字显微镜(AM-3013，Dino-Lite)。
1.4 方法

1.4.1 支架的打印为了探究填充结构对支架力学性能的影响，选择0°/90°、0°/60°、0°/60°/120°、0°/45°和0°/45°/90°/135° 5种填充结构进行打印。将聚己内酯放入高温料筒，设定打印参数如下：针头为高温锥形针头，内径为30 μm，温度为80 ℃，填充间距为0.7 mm，层厚为0.25 mm，气压为0.55 MPa，速度为2 mm/s。不同填充结构支架孔结构，见图1。

压缩试样大小为8 mm×8 mm×5 mm，拉伸试样大小为36 mm×4 mm×1.5 mm，每组试样各3个，将打印好的聚己内酯支架试样分别标记，放于冰箱中备用。
1.4.2 支架形貌观察通过数字显微镜观察不同填充结构聚己内酯支架在XY、YZ、XZ平面的形貌。
1.4.3 支架孔隙率测试对于密度已知的聚己内酯材料，采用密度法测量支架的孔隙率[22-23]。支架的质量(记为m)，体积(记为v)，密度(记为ρ1)，计算过程如式(1)：
(1)
已知材料的密度(记为ρ2)，孔隙率(记为p)，计算过程如式(2)： (2)
式中，ρ2为1.146 g/cm3。
1.4.4 支架力学性能测试使用万能试验机测试不同填充结构聚己内酯支架的强度和模量。压缩支架尺寸大小为
8 mm×8 mm×5 mm，加载速度为5 mm/min，垂直施加压力，直到样品碎裂或者到达机器的最大量程(500 N)停止，导出原始数据，经过处理后得出应力应变曲线图，应力计算为施加力除以接触面表面积，应变计算为形变量除以支架总高度，应力应变曲线初始线性阶段的斜率作为压缩模量，出现屈服时的应力作为支架的压缩强度。每组类型均测试3个样品。
拉伸支架尺寸大小为36 mm×4 mm×1.5 mm，加载速度为5 mm/min，施加轴向拉力，应变计算应为形变量除以
20 mm(支架长度减两端夹具夹持的长度)。每组类型均测试3个样品。
1.5 主要观察指标不同填充结构聚己内酯支架的压缩、拉伸性能。
1.6 统计学分析统计学分析采用SPSS 17.0软件进行。所有数据以平均值±标准误表示，测试样品为3个。使用ANOVA检验和成对样本t检验对数据进行分析，P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

实验探讨了不同填充角度和角度变换形成的不同结构对聚己内酯支架力学性能的影响。为了减少其他因素的干扰，制备的5种支架的丝径均为432.23 μm，孔径为323.29 μm，孔隙率分布在54%-57%。支架的压缩力学性能测试结果表明，填充结构对聚己内酯支架的压缩模量和压缩强度有显著影响。SHEPHERD 等[25]测得人关节软骨压缩模量为
(13.0±4.2)MPa。此次实验中，无论从Z方向压缩还是从X、Y方向压缩，5种填充结构支架的压缩模量均在人关节软骨的压缩模量范围内[26-27]，均能达到实际关节软骨对压缩力学性能的要求。0°/90°和0°/60°/120°两种结构的聚己内酯支架从X、Y和Z三个方向压缩，压缩模量值基本相近，各向同性，有利于修复和再生骨缺损，可用于松质骨的再生修复[28]；而0°/45°、0°/45°/90°/135°和0°/60°三种结构的聚己内酯支架从X和Y方向压缩，压缩模量值相差较大，如0°/45°/90°/135°结构从X方向压缩，压缩模量值为69.14 MPa，而从Y方向压缩仅为35.62 MPa，各向异性，可用于小梁骨和软骨的再生修复[29]。
支架的拉伸力学性能测试结果表明，填充结构对聚己内酯支架的拉伸强度和拉伸模量影响较小，在20 MPa左右浮动变化。WONG等[30]测得从股骨头切下的人关节软骨的拉伸模量为(0.76±0.13)MPa，而AKIZUKI等[31]测得为
10.1 MPa，此次实验中0°/90°填充结构聚己内酯支架的拉伸模量最小，为18.88 MPa，但在文献记录的人关节软骨的拉伸模量的范围内。
除此之外，实验还对聚己内酯支架不同方向压缩力学性能的受力机制进行了探讨。从Z方向压缩，影响支架压缩力学性能的主要因素为孔隙率、相邻层的交点个数和面积及是否对齐，形成沿力方向的柱状支撑，填充结构为次要影响因素。TELLIS等[32]和HUTMACHER等[33]发现细丝在纵向方向对齐形成沿力方向的柱状支撑时，支架的弹性模量更高。而从X、Y方向压缩时，影响支架压缩力学性能的主要因素为是否存在沿力方向的细丝及沿力方向细丝的数量，这主要是因为所有层的细丝都沿同一个方向放置，形成一束细丝，表现为圆柱结构承受压缩载荷，较难变形，否则，载荷传递遵循螺旋路径，类似于弹簧结构承受载荷，较易变形，ZHANG等[34]通过有限元分析的方法证明了上述观点。
实验在孔隙率相同的情况下，通过改变聚己内酯支架的填充角度和改变填充角度的变换次数，制备力学性能优良的内部连通的多孔支架。在5种填充结构的聚己内酯支架中，0°/90°和0°/60°/120°结构可满足力学性能各向同性的生理环境的需求，其他3种结构可满足人体组织各向异性生长环境的要求。
因此，该研究可为3D打印聚己内酯支架的个性化定制提供理论支持，为其在承重型关节软骨、软骨下骨及骨软骨一体化修复中的应用奠定基础。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

填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响

Influence of lay-down angles on mechanical properties of three-dimensional printed polycaprolactone scaffolds

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