具有抗菌和成骨功能的3D打印PLA/膠原-米諾環(huán)素-納米羥基磷灰石復(fù)合支架

供稿人:鄭紀(jì)豹，李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

PLA材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，作為骨替代材料已以通過美國國家藥監(jiān)局（FDA）的認(rèn)證，在臨床應(yīng)用中PLA已被用來代替不銹鋼作為新型的骨科固定材料。通過3D打印技術(shù)制備PLA多孔骨支架能夠有效促進(jìn)養(yǎng)分的傳輸以及成骨細(xì)胞的增殖。由于PLA材料疏水的表面會導(dǎo)致支架表面細(xì)菌的粘附和生物膜的形成，進(jìn)而造成支架周圍組織的感染以及抑制新骨的生成。為克服上述3D 打印PLA多孔支架的缺點(diǎn)的，葡萄牙的Ana F. Bettencourt 團(tuán)隊(duì)提出在PLA支架表面制備膠原涂層，其中膠原中分別含有鹽酸米諾環(huán)素（MH）和檸檬酸-羥基磷灰石納米顆粒，以提高支架的抗菌和成骨功能。

復(fù)合材料支架制備過程中，首先使用擠出打印的方式制備PLA支架，將所打印的PLA支架浸入NaOH/乙醇（1:1）的混合溶液中攪拌4小時(shí)并使用去離子水沖洗，然后分別將支架浸入膠原(5mg/mL)溶液、膠原(5mg/mL)/鹽酸米諾環(huán)素溶液(0.5mg/mL)、膠原(5mg/mL)/檸檬酸-羥基磷灰石(5mg/mL)溶液攪拌24小時(shí)后烘干，分別制備成為PLA-Col, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA 支架。

如圖1所示，通過Micro-CT檢測發(fā)現(xiàn)所打印支架內(nèi)部具有較好的連通結(jié)構(gòu)，支架孔徑和橫梁分別為為1000μm±30和440±20μm，支架通過涂層改性后表層為淡黃色，所制備PLA, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA三種支架具有相近的孔隙率，分別為56.5%, 55.4% 以及57.1%。改性前后支架的力學(xué)性能與松質(zhì)骨力學(xué)性能接近，強(qiáng)度和模量分別在11.2~13.6 MPa 和 150~200MPa 范圍內(nèi)。純PLA支架的親水角為45 ± 2°，改性后PLA-Col, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架的親水角分別下降至12 ± 6°, 15 ± 3°, 17 ± 4°。

圖1. 支架改性后支架特性測試結(jié)果

測試PLA-Col-MH或PLA-Col-MH-cHA 兩種支的米諾環(huán)素的釋放情況，如圖2所示，兩種支架在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)米諾環(huán)素呈現(xiàn)爆發(fā)式釋放，隨后的4~24小時(shí)內(nèi)米諾環(huán)素釋放較為緩慢，24小時(shí)后PLA-Col-MH或PLA-Col-MH-cHA最終的米諾環(huán)素的釋放量分別為136.2±15.0μg/g和 155.4±10.8μg/g。對所制備支架進(jìn)行金黃色葡萄球菌的抗菌測試，結(jié)果表明PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架能夠有效抑制細(xì)菌生長，其抑制區(qū)直徑約為26 mm，接近陽性對照抑制區(qū)29毫米。而蒸餾水陰性對照和添加米諾環(huán)素的PLA-Col支架沒有觀察到抑制區(qū)。通過SEM評估葡萄球菌在支架上的生長情況。發(fā)現(xiàn)PLA-Col支架表面完全被金黃色葡萄球菌生物膜覆蓋，載有目米諾環(huán)素的支架顯示出明顯的抗菌功能。在PLA-Col-M或PLA-Col-MH-cHA支架頂部均未檢測到葡萄球菌細(xì)胞，說明承載米諾環(huán)素的支架具有良好的抗菌功能。

通過在支架表面培養(yǎng)充質(zhì)干細(xì)胞探究改性支架的生物相容性，細(xì)胞培養(yǎng)2天和10天后使用SEM觀察細(xì)胞形態(tài)，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)PLA-Col支架上的細(xì)胞呈現(xiàn)出扁平的形態(tài)，而在PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架上細(xì)胞呈現(xiàn)出更為細(xì)長的形態(tài)，且有偽足的突起與延伸與支架直接相連。說明改性后的支架更利于充值干細(xì)胞的貼附與分化。同時(shí)通過測試發(fā)現(xiàn)PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架的RUNX、OCN和OPN成骨蛋白的表達(dá)顯著提高。

圖2.改性支架抗菌及生物相容性測試結(jié)果

文本通過3D打印和后期改性獲得了PLA/膠原蛋白-米諾環(huán)素-納米羥基磷灰石支架。所制備支架同時(shí)具有抗菌和成骨功能，而不會對人體充質(zhì)干細(xì)胞干細(xì)胞活性產(chǎn)生副作用,可增強(qiáng)細(xì)胞粘附，增殖和成骨分化等能力，同時(shí)保持了與小梁骨匹配的形態(tài)和機(jī)械特性。

參考文獻(xiàn)：
Martin V , Ribeiro I A , Alves M M , et al. Engineering a multifunctional 3D-printed PLA-collagen-minocycline-nanoHydroxyapatite scaffold with combined antimicrobial and osteogenic effects for bone regeneration[J]. Materials Science & Engineering, 2019, 101(AUG.):15-26.