双梯度骨骼修复体熔融沉积成形机理及结构与性能耦合调控研究

This project proposes to fabricate a dual-gradient bone implant with PEEK/PLA-HA materials using fused deposition modeling (FDM) technology. The component and structure gradual transition mode will be adopted. The stable strength of the implants will be realized through the synchronization of PLA degradation and cell growth. The bone osseointegration will be strengthened due to the porous structure and the bioactivity of HA. In this proposal, the deposition mechanism will be investigated. The coupling relationship among the dual gradient structure, mechanical performance and biological property will be revealed. Therefore, the interface combination, structure failure and the weak osseointergration will be solved. An implant with interconnected pore and personal feature will be produced. This research will establish the foundation for the practicality of this human implant, and has important theoretical significance and engineering value.

本项目采用双喷头熔融沉积（FDM）增材制造技术，将聚醚醚酮/聚乳酸-羟基磷灰石（PEEK/PLA-HA）成形为双梯度人体骨骼修复体。创新之处在于采用材料成分与结构孔隙梯度渐变的模式，依靠PLA降解与细胞生长的同步化实现PEEK骨骼支架的强度稳定性，利用PEEK梯度孔隙结构和HA的生物活性来增强骨整合。课题拟重点研究PEEK/PLA-HA的FDM成形机理，揭示材料成分-结构设计-力学性能-生物特性的耦合影响规律，解决PEEK/PLA-HA界面融合、PEEK骨骼修复体失效与骨整合性差的关键科学问题，实现PEEK空间连通微孔和个性化外形的梯度结构人体骨骼修复体的技术创新，为PEEK骨骼修复体的临床应用奠定理论和技术基础，具有重要的理论意义与工程价值。

项目研究了PEEK-PLA/HA骨骼支架的双喷头3D打印方面的关键技术。首先，研究了生物质材料核桃壳粉WST（3-20 wt%）、酸枣壳粉WJS（3-30 wt%）和羟基磷灰石HA（3-30wt%）含量对PLA/HA复合材料性能的影响，研究发现，与PLA相比，复合材料的结晶度降低，说明材料的延展性和柔性增强，HA颗粒均匀地分布且无间隙嵌在PLA基体中，展现出较好的界面浸润性，尤其当HA含量为3 wt%、WST含量为8 wt%时，界面浸润性最好。WST和WJS均提高了PLA的亲水性，有利于PLA支架与细胞的亲和。其次，制备了PEEK/PLA-WS-HA复合支架，PLA/WS/HA复合材料以由外向内梯度形式（0.4-0.8mm、0.6-1.0mm、0.8-1.2mm、1.6-2.0mm）填充PEEK支架的孔隙，形成编织结构。结果表明：支架结构完整，无飞边和表面破坏，保持了良好的热稳定性。交织结构使PEEK与PLA/WST/HA两种材料在物理上相互支撑，其拉伸断裂应力和应变、压缩屈服应力和应变分别提高了24.1%、438%、359.1%和921.2%，并在8wt% WST时达到最大。拉伸断面形貌表明，PEEK层与PLA/WS/HA层之间存在间隙和分层，随着PLA/WS/HA含量的增加，间隙逐渐加剧，并逐渐演变为分层，表明界面相容性不佳。所有的缺陷（间隙、分层、孔隙和裂纹）都可为骨细胞的浸润提供空间或通道。最后，进行了支架的体内外实验，结果表明，PLA/WS/HA复合材料的降解与骨细胞的粘附、增殖和向内生长同步，保持了交织支架的生物力学性能稳定，当HA含量为15 wt%、WST含量为3 wt%时，细胞活性最好。体外实验表明，复合材料支架组的ALP染色体活性高于PEEK支架组，且随着HA含量增多，复合材料支架的成骨分化能力增强。课题解决了PEEK骨骼修复体失效与骨整合性差的关键科学问题，实现了PEEK空间连通微孔的双梯度（结构和材料）人体骨骼修复体的技术创新，为PEEK骨骼修复体的临床应用奠定理论和技术基础，具有重要的理论意义与工程价值。