新型三维复合骨修复支架的制备工艺及其生物学性能

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2024.04.002

目的

探讨3D打印技术制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）新型骨修复支架的工艺参数，并研究其对牙周膜干细胞（PDLSC）的生物相容性。

方法

将PLGA与CHA/n-ZnO粉末按4∶1质量比混合，通过生物挤出3D打印技术制备PLGA/CHA/n-ZnO复合骨修复支架，通过X射线衍射仪、扫描电镜（SEM）、电子万能试验机、压汞仪和接触角测量仪对支架样件的相关理化性能进行检测分析，并通过体外细胞黏附实验观察PDLSC在支架表面黏附情况与生长状态。

结果

成功制备出3种不同形态PLGA/CHA/n-ZnO三维复合骨修复支架。X射线衍射仪检测支架可见碳酸钙、羟基磷灰石与氧化锌吸收峰；SEM观察支架表面粗糙，可见不同尺寸孔径结构；电子万能试验机分析计算得出支架压缩强度为（12.31 ± 4.80）MPa，弹性模量为（31.18 ± 12.30）MPa；压汞仪测得支架孔径分布为5 nm ~ 350 μm；静态接触角测量仪测试得出支架接触角为（75.73 ± 5.54）°；体外实验可见PDLSC黏附于支架表面，生长状态良好。

结论

本研究为PLGA/CHA/n-ZnO三维复合骨修复支架负载PDLSC新型组织工程骨的研制奠定了实验基础。

关键词: 骨修复支架, 牙周韧带, 干细胞, 珊瑚羟基磷灰石

Objective

To explore the process parameters of polylactate-hydroxyacetate copolymer coral hydroxyapatite nano zinc oxide [poly (lactic-co-glycolic acid) /coralline hydroxyapatite/nano zinc oxide, PLGA/CHA/n-ZnO] by 3D printing technology and evaluate its biocompatibility with periodontal ligament stem cells (PDLSCs) .

Methods

PLGA and CHA/n-ZnO powder were mixed at 4∶1 mass ratio. PLGA/CHA/n-ZnO composite bone repair scaffold was prepared by biological extrusion 3D printing technology. Its physicochemical properties were examined by using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, electron universal test, mercury press and contact angle test. The adhesion and growth status of PDLSCs on the surface of the scaffold was evaluated in vitro.

Results

Three different forms of PLGA/CHA/n-ZnO 3D composite bone repair scaffolds were successfully prepared. The peaks of calcium carbonate, hydroxyapatite and zinc oxide were detected. The stent had a rough surface and a porous structure with different pore sizes. Its compression strength and elastic modulus were (12.31 ± 4.80) MPa and (31.18 ± 12.30) MPa, respectively. The pore diameter was 5 nm-350 μm. The stent contact angle was (75.73 ± 5.54) °. PDLSCs showed great adhesion and growth onto the surface of the scaffold.

Conclusion

This study laid the experimental foundation for the development of PDLSCs loaded PLGA/CHA/n-ZnO as a new tissue engineering bone substitute.

Key words: Bone repair stent, Periodontal ligament, Stem cells, Coralline hydroxyapatite

图1 计算机设计出的3种不同形态3D模型　A：矩形骨块3D模型；B：牙根样3D模型；C：牙拔除后牙槽窝的3D模型；D：通过模拟牙槽窝3D模型内部空间形态反向建立骨缺损模型。

图2　制备出的聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）复合材料样品　图3　三维支架的打印制备

图4 3D打印过程中复合材料出丝不连续、不顺畅现象　A：喷嘴堵塞；B：丝材卷叠。

图5 打印完成的3种形态支架样件　A：矩形骨块支架样件；B：牙根样支架样件；C：牙槽窝模拟骨缺损支架样件。

图6 聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）支架X射线衍射图谱

图7 聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）支架扫描电镜结果　A：可见支架不同尺寸孔结构（低倍放大）；B：可见支架呈现颗粒状粗糙表面（高倍放大）。

表1 电子万能试验机测试支架力学性能数据结果

打印支架	压缩强度（N/mm²）	压缩屈服应变（%）	压缩屈服应力（MPa）	压缩模量（MPa）
样件1	7.97	27.99	3.74	24.57
样件2	10.06	34.93	5.74	20.55
样件3	18.91	32.18	9.23	48.42
平均值	12.31	31.70	6.24	31.18

表1 电子万能试验机测试支架力学性能数据结果

打印支架	压缩强度（N/mm²）	压缩屈服应变（%）	压缩屈服应力（MPa）	压缩模量（MPa）
样件1	7.97	27.99	3.74	24.57
样件2	10.06	34.93	5.74	20.55
样件3	18.91	32.18	9.23	48.42
平均值	12.31	31.70	6.24	31.18

图8 聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）支架静态接触角

图9 聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）支架孔径分布

图10 组织块联合酶消化法培养传代后牙周膜干细胞（PDLSC）镜下形态特点　A：P3；B：P5。

图11 牙周膜干细胞（PDLSC）CD44免疫荧光染色（高倍放大）A：PDLSC阳性表达CD44，胞质红染；B：细胞核经DAPI复染呈蓝色。

图12 牙周膜干细胞（PDLSC）Vimentin免疫荧光染色　A：PDLSC阳性表达Vimentin，胞质绿染；B：细胞核经DAPI复染呈蓝色。

图13 流式细胞仪分析牙周膜干细胞（PDLSC）表面标志物

图14　牙周膜干细胞（PDLSC）成骨诱导分化　 图15　牙周膜干细胞（PDLSC）成脂诱导分化（低倍放大）

图16 聚乳酸-羟基乙酸共聚物珊瑚羟基磷灰石纳米氧化锌（PLGA/CHA/n-ZnO）三维复合骨修复支架与牙周膜干细胞（PDLSC）体外共培养3 d后扫描电镜观　A：细胞黏附于支架表面；B：细胞铺展出伪足。

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Preparation process and biological properties of a new three-dimensional composite bone repair scaffold

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