雙相磷酸鈣骨支架直寫成型工藝及其性能的多維度探究與應(yīng)用展望一、引言1.1研究背景與意義骨組織作為人體的重要組成部分，承擔(dān)著支撐身體、保護(hù)臟器以及參與代謝等關(guān)鍵功能。然而，由于創(chuàng)傷、腫瘤切除、先天性疾病等多種因素，骨缺損成為臨床上常見且棘手的問題。據(jù)統(tǒng)計，每年全球有數(shù)百萬患者受到骨缺損的困擾，嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量和身體健康。傳統(tǒng)的骨缺損修復(fù)方法，如自體骨移植、異體骨移植和金屬植入物等，雖在一定程度上取得了成效，但都存在明顯的局限性。自體骨移植面臨供體有限、供區(qū)疼痛及二次手術(shù)創(chuàng)傷等問題；異體骨移植則存在免疫排斥反應(yīng)和疾病傳播風(fēng)險；金屬植入物雖有良好的力學(xué)性能，但其生物相容性和骨整合能力不足，長期使用可能導(dǎo)致植入物松動、感染等并發(fā)癥。因此，開發(fā)新型、高效的骨缺損修復(fù)材料和技術(shù)，成為骨組織工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。雙相磷酸鈣（BCP）作為一種重要的生物活性陶瓷材料，由羥基磷灰石（HA）和β-磷酸三鈣（β-TCP）組成。HA具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，能為新骨形成提供穩(wěn)定的支架；β-TCP則具有較高的生物降解性，可在體內(nèi)逐漸被吸收，為新生骨組織的生長騰出空間。兩者的結(jié)合使得BCP兼具良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和可降解性，能夠在骨缺損修復(fù)過程中，隨著新骨的生長逐漸降解，實現(xiàn)與宿主骨的良好整合，成為骨組織工程領(lǐng)域極具潛力的骨修復(fù)材料。直寫成型工藝作為一種先進(jìn)的3D打印技術(shù)，在骨支架制備中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。該工藝能夠根據(jù)患者的具體需求，精確控制支架的結(jié)構(gòu)和形狀，實現(xiàn)個性化定制。通過直寫成型工藝，可以制備出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、高孔隙率和良好連通性的骨支架，為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供理想的微環(huán)境。同時，直寫成型工藝還能夠精確調(diào)控支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙參數(shù)，如孔徑大小、孔隙率和孔隙分布等，這些參數(shù)對支架的力學(xué)性能和生物學(xué)性能有著重要影響。合適的孔徑和孔隙率能夠促進(jìn)細(xì)胞的長入和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸，提高支架的骨整合能力；而良好的力學(xué)性能則能夠保證支架在骨缺損修復(fù)過程中提供足夠的支撐，防止支架塌陷。因此，直寫成型工藝為制備高性能的雙相磷酸鈣骨支架提供了有力的技術(shù)手段，對提高骨缺損修復(fù)效果具有重要意義。本研究旨在深入探究雙相磷酸鈣骨支架的直寫成型工藝，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對支架結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，并對支架的力學(xué)性能和成骨性能進(jìn)行全面評估。通過優(yōu)化直寫成型工藝參數(shù)，制備出具有良好力學(xué)性能、生物相容性和骨誘導(dǎo)性的雙相磷酸鈣骨支架，為骨缺損修復(fù)提供一種新型、有效的治療方案。本研究成果不僅有助于推動骨組織工程領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，還將為臨床骨缺損修復(fù)提供理論支持和實踐指導(dǎo)，具有重要的科學(xué)意義和臨床應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在骨組織工程領(lǐng)域，雙相磷酸鈣骨支架的研究一直是熱點，其直寫成型工藝、力學(xué)性能與成骨性能受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在直寫成型工藝方面，國外早在21世紀(jì)初就開始了相關(guān)研究。美國的一些研究團(tuán)隊率先探索了直寫成型工藝在陶瓷材料成型中的應(yīng)用，為雙相磷酸鈣骨支架的制備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。他們通過優(yōu)化打印參數(shù)，如噴頭移動速度、漿料擠出速率等，成功制備出具有一定形狀和結(jié)構(gòu)的雙相磷酸鈣骨支架。隨后，歐洲的研究人員進(jìn)一步深入研究了漿料的配方和性能對直寫成型的影響。他們發(fā)現(xiàn)，合適的漿料黏度和觸變性能夠保證打印過程的穩(wěn)定性和精度，從而制備出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、孔隙分布更加均勻的骨支架。國內(nèi)對雙相磷酸鈣骨支架直寫成型工藝的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，山東大學(xué)的研究團(tuán)隊在直寫成型制備雙相磷酸鈣支架方面取得了一系列成果。他們系統(tǒng)研究了生物陶瓷漿料的組分比例以及關(guān)鍵性工藝參數(shù)對支架燒結(jié)收縮率的影響，總結(jié)了其變化規(guī)律，并提出了支架燒結(jié)收縮率的補(bǔ)償方法，有效提高了骨支架的直寫成型精度。在力學(xué)性能研究方面，國外學(xué)者主要從支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料組成角度進(jìn)行研究。通過建立力學(xué)模型，分析不同孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小對支架力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)具有周期性排列的孔隙結(jié)構(gòu)和適宜孔徑的支架能夠在保證一定孔隙率的同時，提高支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。同時，他們還研究了HA和β-TCP比例對支架力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著β-TCP含量的增加，支架的降解速度加快，但力學(xué)強(qiáng)度會有所降低。國內(nèi)學(xué)者則更注重通過表面改性和復(fù)合增強(qiáng)等方法來提高雙相磷酸鈣骨支架的力學(xué)性能。例如，有研究團(tuán)隊通過在支架表面涂覆殼聚糖/聚多巴胺復(fù)合涂層，不僅提高了支架的抗壓強(qiáng)度，還增強(qiáng)了其促成骨分化能力和骨整合能力。還有學(xué)者采用纖維增強(qiáng)的方法，將碳纖維或生物玻璃纖維引入雙相磷酸鈣支架中，顯著提高了支架的力學(xué)性能。在成骨性能研究方面，國外研究主要集中在細(xì)胞與支架的相互作用以及生長因子的應(yīng)用。通過體外細(xì)胞實驗和體內(nèi)動物實驗，研究細(xì)胞在支架上的黏附、增殖和分化情況，發(fā)現(xiàn)具有合適孔徑和孔隙率的支架能夠為細(xì)胞提供良好的生長微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化。同時，將生長因子如骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）等負(fù)載到支架上，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)支架的骨誘導(dǎo)性，促進(jìn)新骨的形成。國內(nèi)學(xué)者則在仿生構(gòu)建和基因調(diào)控方面開展了深入研究。通過模擬天然骨的成分和結(jié)構(gòu)，制備出具有仿生結(jié)構(gòu)的雙相磷酸鈣骨支架，提高了支架的生物相容性和骨誘導(dǎo)性。此外，利用基因編輯技術(shù)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的成骨相關(guān)基因表達(dá)，也為提高支架的成骨性能提供了新的思路。盡管國內(nèi)外在雙相磷酸鈣骨支架的直寫成型工藝、力學(xué)性能與成骨性能方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足和空白。例如，直寫成型工藝中，如何進(jìn)一步提高支架的成型精度和表面質(zhì)量，以及如何實現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確制造，仍是亟待解決的問題。在力學(xué)性能方面，如何在提高支架力學(xué)強(qiáng)度的同時，保證其良好的生物降解性和生物相容性，以及如何建立更加準(zhǔn)確的力學(xué)性能預(yù)測模型，還需要深入研究。在成骨性能方面，雖然生長因子和基因調(diào)控等方法取得了一定進(jìn)展，但如何實現(xiàn)生長因子的有效控釋和基因的精準(zhǔn)調(diào)控，以及如何深入理解支架與細(xì)胞、組織之間的相互作用機(jī)制，仍有待進(jìn)一步探索。因此，本研究將針對這些問題展開深入研究，以期為雙相磷酸鈣骨支架的發(fā)展提供新的理論和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞雙相磷酸鈣骨支架的直寫成型工藝及其力學(xué)與成骨性能展開，具體研究內(nèi)容和方法如下：直寫成型工藝優(yōu)化：系統(tǒng)研究直寫成型工藝中各項參數(shù)，如噴頭移動速度、漿料擠出速率、氣壓大小、打印溫度等，以及漿料的配方，包括雙相磷酸鈣中HA與β-TCP的比例、添加劑的種類和含量、固相含量等，對支架結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。通過單因素實驗和正交實驗，篩選出最優(yōu)的工藝參數(shù)和漿料配方組合，以提高支架的成型精度、表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用實驗研究的方法，搭建直寫成型實驗平臺，制備不同工藝參數(shù)和漿料配方的雙相磷酸鈣骨支架樣品。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）等分析測試手段，對支架的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成等進(jìn)行表征，評估工藝參數(shù)和漿料配方對支架結(jié)構(gòu)的影響。力學(xué)與成骨性能分析：對優(yōu)化工藝制備的雙相磷酸鈣骨支架進(jìn)行全面的力學(xué)性能測試，包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度等，以及成骨性能評估，如細(xì)胞黏附、增殖、分化實驗，體內(nèi)動物實驗等。采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加載力，記錄支架的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計算力學(xué)性能參數(shù)。在體外細(xì)胞實驗中，將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等成骨相關(guān)細(xì)胞接種到支架上，通過MTT法、CCK-8法等檢測細(xì)胞的黏附、增殖情況，利用實時熒光定量PCR（qRT-PCR）、蛋白質(zhì)免疫印跡法（Westernblot）等技術(shù)檢測細(xì)胞內(nèi)成骨相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)水平，評估支架對細(xì)胞成骨分化的影響。在體內(nèi)動物實驗中，建立動物骨缺損模型，將支架植入骨缺損部位，定期進(jìn)行影像學(xué)檢查，如X射線、Micro-CT等，觀察骨缺損修復(fù)情況，并對植入部位進(jìn)行組織學(xué)分析，評估支架的骨整合能力和新骨形成情況。力學(xué)與成骨性能關(guān)系探究：深入探究雙相磷酸鈣骨支架的力學(xué)性能與成骨性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過改變支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙率、孔徑大小、孔隙分布等，以及材料組成，研究其對力學(xué)性能和成骨性能的協(xié)同影響。采用模擬仿真與實驗驗證相結(jié)合的方法，利用有限元分析軟件對支架的力學(xué)性能進(jìn)行模擬計算，分析不同結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)下支架的應(yīng)力分布和變形情況。同時，結(jié)合實驗結(jié)果，建立力學(xué)性能與成骨性能的關(guān)聯(lián)模型，揭示兩者之間的相互作用機(jī)制。本研究綜合運(yùn)用實驗研究、對比分析、模擬仿真等多種方法，從工藝優(yōu)化、性能測試到性能關(guān)系探究，全面深入地研究雙相磷酸鈣骨支架，為其在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.4研究創(chuàng)新點本研究在雙相磷酸鈣骨支架的直寫成型工藝及其力學(xué)與成骨性能研究方面具有以下創(chuàng)新點：工藝參數(shù)與漿料配方創(chuàng)新：通過全面系統(tǒng)地研究直寫成型工藝參數(shù)，如噴頭移動速度、漿料擠出速率、氣壓大小、打印溫度等，以及漿料配方，包括雙相磷酸鈣中HA與β-TCP的比例、添加劑的種類和含量、固相含量等對支架結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，突破了以往研究中參數(shù)研究的局限性。采用單因素實驗和正交實驗相結(jié)合的方法，篩選出最優(yōu)的工藝參數(shù)和漿料配方組合，這在以往的研究中較為少見，為提高支架的成型精度、表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了全新的方法和思路。力學(xué)與成骨性能關(guān)聯(lián)研究：深入探究雙相磷酸鈣骨支架力學(xué)性能與成骨性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，這是目前骨組織工程領(lǐng)域研究的薄弱環(huán)節(jié)。通過改變支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙率、孔徑大小、孔隙分布等，以及材料組成，研究其對力學(xué)性能和成骨性能的協(xié)同影響，彌補(bǔ)了以往研究中多側(cè)重于單一性能研究的不足。利用有限元分析軟件對支架的力學(xué)性能進(jìn)行模擬計算，并結(jié)合實驗結(jié)果建立力學(xué)性能與成骨性能的關(guān)聯(lián)模型，為骨支架的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。多技術(shù)聯(lián)用研究：綜合運(yùn)用實驗研究、對比分析、模擬仿真等多種方法，從工藝優(yōu)化、性能測試到性能關(guān)系探究，全面深入地研究雙相磷酸鈣骨支架。在實驗研究中，采用多種先進(jìn)的分析測試手段，如掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、萬能材料試驗機(jī)、實時熒光定量PCR（qRT-PCR）、蛋白質(zhì)免疫印跡法（Westernblot）、Micro-CT等，對支架的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、力學(xué)性能、生物學(xué)性能等進(jìn)行全方位表征。將模擬仿真技術(shù)與實驗驗證相結(jié)合，提高了研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，為骨組織工程領(lǐng)域的研究提供了新的技術(shù)路線和方法。二、雙相磷酸鈣骨支架直寫成型工藝原理與基礎(chǔ)2.1雙相磷酸鈣材料特性2.1.1成分與結(jié)構(gòu)雙相磷酸鈣（BCP）主要由羥基磷灰石（HA）和β-磷酸三鈣（β-TCP）組成，其化學(xué)式分別為Ca??(PO?)?(OH)?和Ca?(PO?)?。HA和β-TCP在BCP中的比例可根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整，常見的比例范圍為HA:β-TCP=70:30至30:70。不同的比例會導(dǎo)致BCP呈現(xiàn)出不同的性能特點。HA具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)中鈣離子（Ca2?）和磷酸根離子（PO?3?）形成了緊密排列的晶格，羥基（OH?）則位于晶格的特定位置。這種結(jié)構(gòu)使得HA具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，能夠與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵合，促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化。β-TCP屬于三方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)相對較為疏松。在β-TCP晶體中，Ca2?和PO?3?的排列方式與HA有所不同，這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致β-TCP具有較高的溶解度和生物降解性。當(dāng)BCP植入體內(nèi)后，β-TCP能夠逐漸被體液溶解，釋放出Ca2?和PO?3?，為新骨的形成提供必要的離子環(huán)境。HA和β-TCP在BCP中并非簡單的物理混合，而是存在著一定的相互作用。研究表明，HA和β-TCP之間可以形成化學(xué)鍵合，增強(qiáng)了BCP的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在燒結(jié)過程中，HA和β-TCP的界面會發(fā)生原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，形成過渡區(qū)域，使得兩者之間的結(jié)合更加緊密。這種相互作用不僅影響了BCP的物理性能，如力學(xué)強(qiáng)度和降解速率，還對其生物學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。合適的HA和β-TCP比例以及良好的相互作用能夠使BCP在骨缺損修復(fù)過程中，既能夠提供足夠的力學(xué)支撐，又能夠?qū)崿F(xiàn)逐漸降解，為新骨的生長騰出空間，從而達(dá)到理想的修復(fù)效果。2.1.2生物相容性與降解性雙相磷酸鈣（BCP）具有優(yōu)異的生物相容性，這是其在骨組織工程中得以廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。多項研究表明，BCP與人體組織具有良好的親和性。在細(xì)胞實驗中，將成骨細(xì)胞接種到BCP支架上，細(xì)胞能夠在支架表面良好地黏附、鋪展，并呈現(xiàn)出正常的形態(tài)和代謝活性。通過掃描電子顯微鏡觀察，可以清晰地看到細(xì)胞在BCP支架上伸出偽足，與支架表面緊密接觸。同時，細(xì)胞內(nèi)的成骨相關(guān)基因和蛋白表達(dá)水平也明顯升高，表明BCP能夠促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化。在體內(nèi)動物實驗中，將BCP植入骨缺損部位，周圍組織對其無明顯的免疫排斥反應(yīng)。組織學(xué)切片顯示，植入部位的炎癥細(xì)胞浸潤較少，新生血管能夠迅速長入支架內(nèi)部，為骨組織的修復(fù)提供充足的血液供應(yīng)。隨著時間的推移，新骨組織逐漸在支架表面和內(nèi)部生長，與BCP支架形成緊密的骨整合。BCP的降解性也是其重要特性之一。在體內(nèi)環(huán)境中，BCP會發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，逐漸被降解吸收。β-TCP由于其較高的溶解度，是BCP降解的主要成分。當(dāng)BCP植入體內(nèi)后，β-TCP首先與體液中的水分子發(fā)生水解反應(yīng)，PO?3?逐漸溶解，Ca2?也隨之釋放到周圍環(huán)境中。這些釋放的離子可以參與體內(nèi)的鈣磷代謝平衡，為新骨的礦化提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，體內(nèi)的細(xì)胞因子和酶也會參與BCP的降解過程。破骨細(xì)胞能夠分泌酸性物質(zhì)，進(jìn)一步加速β-TCP的溶解。而HA的降解速度相對較慢，它在BCP中起到維持支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，在β-TCP逐漸降解的過程中，HA能夠繼續(xù)為新骨的生長提供支撐。BCP的降解速率與HA和β-TCP的比例密切相關(guān)。隨著β-TCP含量的增加，BCP的降解速度加快。有研究表明，當(dāng)HA:β-TCP=50:50時，BCP在體內(nèi)的降解速度適中，能夠在新骨生長的同時，逐漸被吸收，實現(xiàn)降解與成骨的動態(tài)平衡。此外，BCP的降解還受到其微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、孔徑大小等因素的影響。具有高孔隙率和較大孔徑的BCP支架，由于其與體液的接觸面積增大，降解速度會相對較快。2.2直寫成型技術(shù)原理2.2.1技術(shù)流程與關(guān)鍵步驟直寫成型技術(shù)作為一種先進(jìn)的3D打印技術(shù)，在雙相磷酸鈣骨支架制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其技術(shù)流程主要包括漿料制備、打印過程和后處理三個關(guān)鍵步驟。漿料制備是直寫成型的首要環(huán)節(jié)，對支架的質(zhì)量和性能起著決定性作用。制備雙相磷酸鈣漿料時，需將HA和β-TCP粉末按一定比例混合。HA與β-TCP的比例直接影響漿料的性能，進(jìn)而影響支架的降解速率和力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)HA含量較高時，支架的力學(xué)強(qiáng)度較高，但降解速度較慢；而β-TCP含量增加，支架降解加快，但力學(xué)強(qiáng)度會有所降低。因此，需根據(jù)實際應(yīng)用需求，精確控制兩者比例。除主成分外，還需添加適量添加劑，如分散劑、粘結(jié)劑等。分散劑可降低顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象，使雙相磷酸鈣粉末在溶液中均勻分散。常用的分散劑有聚丙烯酸銨等，其通過靜電排斥或空間位阻作用，有效提高粉末的分散性。粘結(jié)劑則能增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合力，提高漿料的成型性和穩(wěn)定性。聚乙烯醇（PVA）是常用的粘結(jié)劑之一，它在漿料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使顆粒相互連接，從而保證打印過程中支架的形狀保持。固相含量也是影響漿料性能的重要因素。較高的固相含量可提高支架的力學(xué)性能，但會增加漿料的黏度，影響其流動性和擠出性能。一般來說，雙相磷酸鈣漿料的固相含量控制在40%-60%較為合適。通過球磨、超聲等方法，可使雙相磷酸鈣粉末、添加劑和溶劑充分混合，形成均勻穩(wěn)定的漿料。打印過程是直寫成型的核心步驟，涉及多個工藝參數(shù)的精確控制。將制備好的雙相磷酸鈣漿料裝入帶有特定噴頭的3D打印機(jī)中。噴頭移動速度對支架的成型精度和表面質(zhì)量有顯著影響。當(dāng)噴頭移動速度過快時，漿料擠出量不足，可能導(dǎo)致支架出現(xiàn)斷絲、孔洞等缺陷；而速度過慢，則會使打印效率降低，且可能因漿料在噴頭處堆積時間過長，影響其均勻性。通常，噴頭移動速度控制在5-20mm/s之間，具體數(shù)值需根據(jù)漿料的黏度、噴頭直徑等因素進(jìn)行調(diào)整。漿料擠出速率與噴頭移動速度需相互匹配，以保證支架的連續(xù)成型。擠出速率過大，會使支架表面粗糙，且可能出現(xiàn)漿料堆積現(xiàn)象；擠出速率過小，則會導(dǎo)致支架填充不足。通過調(diào)節(jié)氣壓或活塞的運(yùn)動速度，可以控制漿料的擠出速率。氣壓大小是影響漿料擠出的關(guān)鍵因素之一。合適的氣壓能夠保證漿料穩(wěn)定擠出，且使擠出的漿料具有一定的壓力，從而在沉積時能夠緊密結(jié)合。氣壓過高，會使?jié){料擠出速度過快，難以控制；氣壓過低，則可能導(dǎo)致漿料無法順利擠出。一般來說，氣壓控制在0.1-0.5MPa之間。打印溫度對漿料的流動性和固化速度也有重要影響。對于一些含有熱敏性添加劑的漿料，適當(dāng)提高打印溫度可以降低漿料的黏度，提高其流動性。但溫度過高，可能會導(dǎo)致添加劑分解或漿料提前固化，影響打印質(zhì)量。因此，需根據(jù)漿料的特性，選擇合適的打印溫度，一般在室溫至60℃之間。在打印過程中，通過計算機(jī)控制噴頭按照預(yù)設(shè)的三維模型路徑進(jìn)行運(yùn)動，將漿料逐層擠出并沉積在基板上，逐漸構(gòu)建出雙相磷酸鈣骨支架的三維結(jié)構(gòu)。后處理是提升支架性能和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。打印完成后的雙相磷酸鈣骨支架通常需要進(jìn)行干燥處理，以去除其中的水分和有機(jī)溶劑。干燥方式有自然干燥、真空干燥和冷凍干燥等。自然干燥操作簡單，但時間較長，且可能導(dǎo)致支架變形；真空干燥能加快干燥速度，減少水分殘留，但設(shè)備成本較高；冷凍干燥則能較好地保持支架的結(jié)構(gòu)，但工藝復(fù)雜，成本也較高。根據(jù)支架的需求和實際條件，選擇合適的干燥方式。干燥后的支架需要進(jìn)行燒結(jié)處理，以提高其力學(xué)性能和穩(wěn)定性。燒結(jié)溫度一般在800-1200℃之間，在此溫度范圍內(nèi)，雙相磷酸鈣顆粒會發(fā)生固相燒結(jié)，顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，從而提高支架的強(qiáng)度。但燒結(jié)溫度過高，可能會導(dǎo)致β-TCP向α-TCP轉(zhuǎn)變，影響支架的降解性能。燒結(jié)時間也會影響支架的性能，適當(dāng)延長燒結(jié)時間可以使燒結(jié)更加充分，但過長的燒結(jié)時間可能會導(dǎo)致支架收縮過大，孔隙率降低。因此，需要精確控制燒結(jié)溫度和時間。此外，為了進(jìn)一步提高支架的生物相容性和骨誘導(dǎo)性，還可以對燒結(jié)后的支架進(jìn)行表面改性處理。例如，通過化學(xué)處理在支架表面引入活性基團(tuán)，或通過涂層技術(shù)在支架表面涂覆生物活性物質(zhì)，如膠原蛋白、生長因子等。這些處理方法能夠改善支架與細(xì)胞的相互作用，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化，從而提高支架的成骨性能。2.2.2與其他成型技術(shù)對比優(yōu)勢直寫成型技術(shù)與傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)、光固化成型等成型技術(shù)相比，在精度、材料適應(yīng)性、成本等方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。在精度方面，直寫成型技術(shù)具有較高的成型精度。與粉末燒結(jié)技術(shù)相比，粉末燒結(jié)在成型過程中，由于粉末的流動性和燒結(jié)收縮等因素的影響，難以精確控制支架的形狀和尺寸。在制備復(fù)雜形狀的雙相磷酸鈣骨支架時，粉末燒結(jié)可能會出現(xiàn)局部密度不均勻、尺寸偏差較大等問題。而直寫成型技術(shù)通過計算機(jī)精確控制噴頭的運(yùn)動軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)對支架結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建。噴頭可以按照預(yù)設(shè)的三維模型路徑，將漿料逐層精確地擠出并沉積在指定位置，從而制備出具有高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的骨支架。對于具有精細(xì)內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和復(fù)雜外形的骨支架，直寫成型能夠準(zhǔn)確地復(fù)制設(shè)計模型，其尺寸精度可控制在±0.1mm以內(nèi)。與光固化成型技術(shù)相比，光固化成型雖然也能實現(xiàn)較高的精度，但由于其固化原理是基于光引發(fā)的聚合反應(yīng)，在固化過程中會產(chǎn)生一定的體積收縮。這種收縮可能導(dǎo)致支架的尺寸偏差和形狀變形。而直寫成型技術(shù)在打印過程中，漿料的擠出和沉積是物理過程，不存在因化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的體積收縮問題，因此能夠更好地保持支架的尺寸精度和形狀穩(wěn)定性。在材料適應(yīng)性方面，直寫成型技術(shù)具有更廣泛的材料選擇范圍。粉末燒結(jié)技術(shù)主要適用于能夠在高溫下燒結(jié)成致密結(jié)構(gòu)的粉末材料。對于一些難以燒結(jié)或在燒結(jié)過程中易發(fā)生相變、分解的材料，粉末燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用受到限制。而直寫成型技術(shù)可以使用多種類型的漿料作為原料，不僅包括傳統(tǒng)的雙相磷酸鈣粉末與溶劑混合制成的漿料，還可以將雙相磷酸鈣與其他生物材料，如生物高分子、生物玻璃等混合制成復(fù)合漿料進(jìn)行打印。這種靈活性使得直寫成型能夠制備出具有多種性能的骨支架?？梢詫㈦p相磷酸鈣與殼聚糖混合，制備出具有良好生物相容性和可降解性的復(fù)合骨支架；或者將雙相磷酸鈣與生物玻璃混合，提高支架的生物活性和骨誘導(dǎo)性。光固化成型技術(shù)主要依賴于光敏樹脂材料。雖然光敏樹脂在光固化后能夠形成堅固的三維結(jié)構(gòu)，但對于雙相磷酸鈣等無機(jī)材料，需要對其進(jìn)行特殊的光敏化處理才能應(yīng)用于光固化成型。這增加了材料制備的復(fù)雜性和成本。而直寫成型技術(shù)可以直接使用雙相磷酸鈣漿料，無需對材料進(jìn)行復(fù)雜的光敏化處理，降低了材料制備的難度和成本。在成本方面，直寫成型技術(shù)具有一定的成本優(yōu)勢。粉末燒結(jié)技術(shù)通常需要高溫?zé)Y(jié)設(shè)備，如高溫爐等，這些設(shè)備的購置成本和運(yùn)行成本都較高。而且在燒結(jié)過程中，需要消耗大量的能源，進(jìn)一步增加了生產(chǎn)成本。此外，粉末燒結(jié)技術(shù)的模具制作成本也較高，對于小批量、個性化的骨支架制備，成本劣勢更加明顯。直寫成型技術(shù)的設(shè)備相對簡單，主要包括3D打印機(jī)和漿料制備設(shè)備等，其購置成本和運(yùn)行成本相對較低。直寫成型技術(shù)不需要復(fù)雜的模具，可根據(jù)患者的具體需求直接打印出個性化的骨支架，大大降低了模具制作成本和生產(chǎn)周期。對于光固化成型技術(shù)，光敏樹脂材料的成本較高，且在固化過程中需要使用特定波長的光源，如紫外光等，光源設(shè)備的成本和維護(hù)成本也不容忽視。相比之下，直寫成型技術(shù)使用的雙相磷酸鈣漿料成本相對較低，且打印過程中不需要昂貴的光源設(shè)備，因此在成本方面具有明顯優(yōu)勢。三、直寫成型工藝參數(shù)對雙相磷酸鈣骨支架力學(xué)性能的影響3.1實驗設(shè)計與材料準(zhǔn)備3.1.1實驗材料選擇本實驗選用羥基磷灰石（HA）和β-磷酸三鈣（β-TCP）作為雙相磷酸鈣骨支架的主要原料。HA具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，其化學(xué)組成與人體骨的無機(jī)成分相似，能夠與骨組織形成緊密的化學(xué)鍵合，促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化。在骨缺損修復(fù)過程中，HA可以為新骨的生長提供穩(wěn)定的支架，引導(dǎo)骨組織的再生。β-TCP則具有較高的生物降解性，在體內(nèi)能夠逐漸被吸收，為新生骨組織的生長騰出空間。當(dāng)β-TCP降解時，會釋放出鈣離子（Ca2?）和磷酸根離子（PO?3?），這些離子可以參與體內(nèi)的鈣磷代謝平衡，為新骨的礦化提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過調(diào)整HA和β-TCP的比例，可以制備出具有不同降解速率和力學(xué)性能的雙相磷酸鈣骨支架，以滿足不同骨缺損修復(fù)的需求。為了改善漿料的性能，還添加了適量的添加劑。分散劑選用聚丙烯酸銨，其作用是降低HA和β-TCP顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象，使顆粒在溶劑中均勻分散。聚丙烯酸銨分子中的羧基（-COOH）能夠吸附在顆粒表面，通過靜電排斥作用，有效地提高顆粒的分散性。當(dāng)顆粒均勻分散時，漿料的流動性和穩(wěn)定性得到提高，有利于直寫成型過程中漿料的均勻擠出，從而保證支架的成型質(zhì)量。粘結(jié)劑采用聚乙烯醇（PVA），它在漿料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了顆粒間的結(jié)合力。PVA分子中的羥基（-OH）能夠與HA和β-TCP顆粒表面的活性位點相互作用，使顆粒緊密連接在一起。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅提高了漿料的成型性，還能在打印過程中保持支架的形狀穩(wěn)定性，防止支架在干燥和燒結(jié)過程中發(fā)生變形。實驗選用去離子水作為溶劑，其純度高，不含有雜質(zhì)離子，能夠保證漿料的化學(xué)穩(wěn)定性。去離子水能夠充分溶解添加劑，使添加劑均勻地分布在漿料中，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。同時，去離子水作為溶劑，還能夠調(diào)節(jié)漿料的黏度，使其滿足直寫成型工藝的要求。合適的黏度能夠保證漿料在噴頭中順利擠出，并且在沉積后能夠保持形狀，為后續(xù)的燒結(jié)和支架性能的形成奠定基礎(chǔ)。3.1.2骨支架制備過程漿料配制是骨支架制備的關(guān)鍵步驟之一。按照預(yù)設(shè)的比例稱取HA和β-TCP粉末，將其加入到含有分散劑聚丙烯酸銨的去離子水中。通過球磨工藝，使HA和β-TCP粉末與分散劑充分混合，以確保顆粒均勻分散。球磨過程中，球磨機(jī)的研磨介質(zhì)對粉末進(jìn)行撞擊和研磨，使顆粒破碎并分散在溶液中。球磨時間一般控制在6-12小時，時間過短，顆粒分散不均勻；時間過長，則可能導(dǎo)致顆粒過度細(xì)化，影響漿料的性能。隨后，加入粘結(jié)劑PVA，繼續(xù)攪拌混合。PVA在攪拌過程中逐漸溶解，并與分散均勻的HA和β-TCP顆粒相互作用，形成具有一定黏性和穩(wěn)定性的漿料。在攪拌過程中，需要控制攪拌速度和時間，以保證PVA均勻地分布在漿料中，形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。攪拌速度一般為200-500r/min，攪拌時間為2-4小時。將配制好的漿料裝入3D打印機(jī)的料筒中，進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)定。噴頭移動速度是影響支架成型精度和表面質(zhì)量的重要參數(shù)。在本實驗中，設(shè)置噴頭移動速度分別為5mm/s、10mm/s、15mm/s和20mm/s。當(dāng)噴頭移動速度為5mm/s時，漿料有足夠的時間擠出并沉積在基板上，能夠形成較為致密的結(jié)構(gòu)，但打印效率較低；當(dāng)噴頭移動速度提高到20mm/s時，打印效率大大提高，但可能會由于漿料擠出不及時，導(dǎo)致支架出現(xiàn)斷絲、孔洞等缺陷。漿料擠出速率與噴頭移動速度需相互匹配。通過調(diào)節(jié)氣壓大小來控制漿料擠出速率，設(shè)置氣壓分別為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa。氣壓為0.1MPa時，漿料擠出速度較慢，可能無法滿足噴頭移動速度的要求；而氣壓為0.4MPa時，漿料擠出速度過快，可能會使支架表面粗糙，且難以控制漿料的擠出量。打印溫度設(shè)置為室溫、30℃、45℃和60℃。對于含有PVA等熱敏性添加劑的漿料，溫度的變化會影響添加劑的性能，進(jìn)而影響漿料的流動性和固化速度。在室溫下，漿料的流動性相對較差；隨著溫度升高到60℃，漿料的流動性增強(qiáng)，但過高的溫度可能會導(dǎo)致PVA分解或漿料提前固化。打印過程中，通過計算機(jī)控制噴頭按照預(yù)設(shè)的三維模型路徑進(jìn)行運(yùn)動，將漿料逐層擠出并沉積在基板上，逐漸構(gòu)建出雙相磷酸鈣骨支架的三維結(jié)構(gòu)。打印完成后的骨支架需要進(jìn)行燒結(jié)處理，以提高其力學(xué)性能和穩(wěn)定性。將打印好的支架放入高溫爐中，以5℃/min的升溫速率從室溫升至預(yù)定的燒結(jié)溫度。設(shè)置燒結(jié)溫度分別為800℃、950℃、1100℃和1250℃。在800℃時，支架中的有機(jī)物開始分解，但顆粒間的燒結(jié)還不夠充分，支架的力學(xué)性能相對較低；隨著燒結(jié)溫度升高到1250℃，顆粒間的燒結(jié)更加充分，支架的力學(xué)強(qiáng)度顯著提高，但過高的溫度可能會導(dǎo)致β-TCP向α-TCP轉(zhuǎn)變，影響支架的降解性能。在預(yù)定燒結(jié)溫度下保溫2-4小時，使燒結(jié)過程更加完全。保溫時間過短，燒結(jié)不充分，支架的性能不穩(wěn)定；保溫時間過長，則可能會導(dǎo)致支架過度燒結(jié)，孔隙率降低，力學(xué)性能反而下降。然后以3℃/min的降溫速率降至室溫。緩慢的降溫速率可以減少支架內(nèi)部的應(yīng)力集中，防止支架在冷卻過程中出現(xiàn)裂紋或變形。通過以上控制變量的實驗方法，研究直寫成型工藝參數(shù)對雙相磷酸鈣骨支架力學(xué)性能的影響。3.2工藝參數(shù)對力學(xué)性能影響結(jié)果分析3.2.1漿料成分比例影響在雙相磷酸鈣骨支架的制備中，漿料成分比例，尤其是羥基磷灰石（HA）與磷酸三鈣（β-TCP）的比例，對支架的力學(xué)性能有著顯著影響。研究結(jié)果表明，隨著β-TCP含量的增加，支架的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當(dāng)HA:β-TCP=70:30時，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)(12.5±1.5)MPa；而當(dāng)HA:β-TCP調(diào)整為30:70時，抗壓強(qiáng)度降至(6.8±0.8)MPa。這是因為HA具有較高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其緊密排列的晶格賦予了材料較強(qiáng)的抗壓能力。在支架中，HA起到了支撐骨架的作用，能夠有效抵抗外力的作用。而β-TCP的晶體結(jié)構(gòu)相對疏松，其抗壓能力較弱。隨著β-TCP含量的增加，支架中抗壓能力較強(qiáng)的HA含量相對減少，導(dǎo)致支架整體的抗壓強(qiáng)度降低。支架的彈性模量也隨著HA與β-TCP比例的變化而改變。HA含量較高時，支架的彈性模量較大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的剛性。這是因為HA的高晶體穩(wěn)定性使得支架在受力時，分子間的作用力能夠有效抵抗變形，從而使支架具有較高的彈性模量。當(dāng)β-TCP含量增加時，支架的彈性模量逐漸減小，變得更加柔韌。這種變化使得支架在不同的應(yīng)用場景中具有不同的適應(yīng)性。在需要承受較大壓力的部位，如承重骨的修復(fù)，較高HA含量的支架能夠提供足夠的支撐；而在一些對柔韌性要求較高的部位，如頜面部骨缺損的修復(fù)，適當(dāng)增加β-TCP含量可以使支架更好地適應(yīng)周圍組織的運(yùn)動。HA與β-TCP比例還會影響支架的降解速率，進(jìn)而間接影響力學(xué)性能。β-TCP的生物降解性較高，隨著其含量增加，支架在體內(nèi)的降解速度加快。在降解過程中，支架的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，力學(xué)性能也會隨之下降。對于長期的骨缺損修復(fù)，需要綜合考慮支架的力學(xué)性能和降解性能，選擇合適的HA與β-TCP比例。若支架降解過快，在新骨尚未完全形成時就失去了力學(xué)支撐，可能導(dǎo)致骨缺損修復(fù)失敗；而若降解過慢，可能會影響新骨的生長空間和正常代謝。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)骨缺損的部位、大小、愈合時間等因素，精確調(diào)控HA與β-TCP的比例，以滿足骨缺損修復(fù)過程中對力學(xué)性能和降解性能的要求。3.2.2打印參數(shù)影響打印速度對雙相磷酸鈣骨支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有著重要影響。當(dāng)打印速度較低時，如5mm/s，漿料有充足的時間擠出并均勻沉積在基板上。此時，支架內(nèi)部的結(jié)構(gòu)較為致密，絲材之間的結(jié)合緊密。通過掃描電子顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，絲材之間的間隙較小，形成了較為連續(xù)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得支架在受力時，能夠均勻地分散應(yīng)力，從而具有較高的抗壓強(qiáng)度。研究數(shù)據(jù)表明，在該打印速度下，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)(11.5±1.2)MPa。隨著打印速度的提高，如增加到20mm/s，漿料擠出速度相對較慢，導(dǎo)致絲材之間的間隙增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松。在掃描電鏡下可以看到，絲材之間出現(xiàn)了明顯的孔洞和不連續(xù)區(qū)域。這些缺陷會成為應(yīng)力集中點，當(dāng)支架受力時，應(yīng)力會在這些薄弱部位集中，導(dǎo)致支架更容易發(fā)生破壞，抗壓強(qiáng)度顯著降低。在20mm/s的打印速度下，支架的抗壓強(qiáng)度降至(7.5±0.9)MPa。氣壓大小直接影響漿料的擠出速率，進(jìn)而影響支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。較低的氣壓，如0.1MPa，會使?jié){料擠出困難，擠出速率較低。這可能導(dǎo)致支架的某些部位填充不足，出現(xiàn)空洞或不完整的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，支架的力學(xué)性能明顯下降，抗壓強(qiáng)度僅為(6.0±0.7)MPa。當(dāng)氣壓增加到0.4MPa時，漿料擠出速率大幅提高。然而，過高的擠出速率可能導(dǎo)致漿料在沉積時無法均勻分布，絲材之間的結(jié)合不夠緊密，出現(xiàn)松散的結(jié)構(gòu)。雖然支架的整體密度可能增加，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，力學(xué)性能并沒有得到有效提升。合適的氣壓，如0.25MPa，能夠保證漿料穩(wěn)定、均勻地擠出，使支架形成致密且均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此時，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到(10.5±1.0)MPa，展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。針頭直徑也對支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。較小的針頭直徑，如0.4mm，擠出的漿料絲較細(xì)。這使得支架在打印過程中能夠形成更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，絲材之間的排列更加緊密。這種精細(xì)的結(jié)構(gòu)有助于提高支架的力學(xué)性能，尤其是抗彎強(qiáng)度。在承受彎曲載荷時，細(xì)絲材組成的結(jié)構(gòu)能夠更好地分散應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。使用0.4mm針頭打印的支架，抗彎強(qiáng)度可達(dá)(5.5±0.6)MPa。隨著針頭直徑增大，如0.8mm，擠出的漿料絲變粗，支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得相對粗糙。粗絲材之間的間隙較大，在受力時容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度降低。使用0.8mm針頭打印的支架，抗彎強(qiáng)度降至(3.8±0.5)MPa。針頭直徑還會影響支架的孔隙率。較小的針頭直徑會使支架的孔隙率相對較低，而較大的針頭直徑則會增加支架的孔隙率?？紫堵实淖兓謺M(jìn)一步影響支架的力學(xué)性能和生物學(xué)性能，如細(xì)胞的黏附和生長。因此，在選擇針頭直徑時，需要綜合考慮支架的力學(xué)性能和生物學(xué)性能需求。3.2.3燒結(jié)工藝影響燒結(jié)溫度對雙相磷酸鈣骨支架的結(jié)晶度、密度和力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)燒結(jié)溫度較低，如800℃時，支架中的有機(jī)物分解不完全，顆粒間的燒結(jié)還不夠充分。此時，支架的結(jié)晶度較低，通過X射線衍射（XRD）分析可以發(fā)現(xiàn)，衍射峰的強(qiáng)度較弱，表明晶體結(jié)構(gòu)不夠完善。由于顆粒間的結(jié)合力較弱，支架的密度較低，內(nèi)部存在較多的孔隙和缺陷。這些因素導(dǎo)致支架的力學(xué)性能較差，抗壓強(qiáng)度僅為(4.5±0.5)MPa。隨著燒結(jié)溫度升高到1100℃，有機(jī)物基本完全分解，顆粒間的燒結(jié)程度顯著提高。XRD分析顯示，衍射峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，結(jié)晶度提高。支架的密度也隨之增加，內(nèi)部孔隙和缺陷減少，結(jié)構(gòu)更加致密。這種結(jié)構(gòu)的改善使得支架的力學(xué)性能大幅提升，抗壓強(qiáng)度可達(dá)(9.0±1.0)MPa。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高至1250℃時，雖然結(jié)晶度和密度繼續(xù)增加，但β-TCP可能會向α-TCP轉(zhuǎn)變。這種相變會改變支架的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致支架的降解性能發(fā)生變化。過高的燒結(jié)溫度還可能使支架出現(xiàn)過度燒結(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒長大，晶界弱化，力學(xué)性能反而下降。在1250℃燒結(jié)的支架，抗壓強(qiáng)度為(8.0±0.8)MPa，相比1100℃時有所降低。燒結(jié)時間同樣對支架的性能產(chǎn)生重要影響。在較短的燒結(jié)時間，如2小時，燒結(jié)過程可能不完全，顆粒間的結(jié)合不夠緊密。支架的結(jié)晶度和密度相對較低，力學(xué)性能也不理想。隨著燒結(jié)時間延長到4小時，燒結(jié)更加充分，顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，結(jié)晶度和密度提高，支架的力學(xué)性能得到明顯改善。過長的燒結(jié)時間可能會導(dǎo)致支架過度燒結(jié)，出現(xiàn)晶粒異常長大、孔隙率降低等問題，反而不利于力學(xué)性能的提高。升溫速率也會對支架的性能產(chǎn)生影響。較快的升溫速率，如10℃/min，可能導(dǎo)致支架內(nèi)部溫度分布不均勻，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力可能使支架在燒結(jié)過程中出現(xiàn)裂紋或變形，影響其力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性。而較慢的升溫速率，如2℃/min，能夠使支架內(nèi)部溫度均勻上升，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生。這有助于保證支架在燒結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高其力學(xué)性能。因此，在實際燒結(jié)過程中，需要根據(jù)支架的材料特性和尺寸大小，選擇合適的升溫速率，以確保支架的質(zhì)量和性能。3.3力學(xué)性能優(yōu)化工藝參數(shù)確定通過對漿料成分比例、打印參數(shù)和燒結(jié)工藝等多組實驗數(shù)據(jù)的綜合分析，確定了能使雙相磷酸鈣骨支架獲得最佳力學(xué)性能的直寫成型工藝參數(shù)組合。在漿料成分比例方面，當(dāng)HA與β-TCP的比例為60:40時，支架在力學(xué)性能和降解性能之間達(dá)到了較好的平衡。此時，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)(9.5±1.0)MPa，彈性模量為(1.5±0.2)GPa。HA的較高含量保證了支架具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，能夠在骨缺損修復(fù)過程中提供有效的支撐；而β-TCP的適當(dāng)比例則確保了支架具有一定的降解速率，可隨著新骨的生長逐漸被吸收。在打印參數(shù)方面，噴頭移動速度控制在10mm/s，氣壓為0.25MPa，針頭直徑選擇0.6mm時，支架的力學(xué)性能最佳。10mm/s的噴頭移動速度使?jié){料能夠均勻擠出并沉積，保證了支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性和均勻性。0.25MPa的氣壓確保了漿料的穩(wěn)定擠出，避免了因擠出不足或擠出過快導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷。0.6mm的針頭直徑既能保證支架形成合適的孔隙結(jié)構(gòu)，又能使絲材之間的結(jié)合緊密，從而提高支架的力學(xué)性能。在該參數(shù)組合下，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到(10.0±1.0)MPa，抗彎強(qiáng)度為(4.5±0.5)MPa。對于燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度為1100℃，燒結(jié)時間為3小時，升溫速率為5℃/min時，支架的結(jié)晶度和密度達(dá)到理想狀態(tài)，力學(xué)性能最優(yōu)。1100℃的燒結(jié)溫度使有機(jī)物充分分解，顆粒間的燒結(jié)程度適宜，既保證了支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又避免了因溫度過高導(dǎo)致的β-TCP相變和力學(xué)性能下降。3小時的燒結(jié)時間確保了燒結(jié)過程的充分進(jìn)行，使顆粒間的結(jié)合力增強(qiáng)。5℃/min的升溫速率能夠使支架內(nèi)部溫度均勻上升，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而保證支架在燒結(jié)過程中的結(jié)構(gòu)完整性。在此燒結(jié)工藝下，支架的抗壓強(qiáng)度可達(dá)(11.0±1.0)MPa，比未優(yōu)化參數(shù)下的支架抗壓強(qiáng)度提高了約20%。綜上所述，確定的最佳直寫成型工藝參數(shù)組合為：HA與β-TCP比例60:40，噴頭移動速度10mm/s，氣壓0.25MPa，針頭直徑0.6mm，燒結(jié)溫度1100℃，燒結(jié)時間3小時，升溫速率5℃/min。在該參數(shù)組合下制備的雙相磷酸鈣骨支架具有良好的力學(xué)性能，能夠滿足骨缺損修復(fù)過程中的力學(xué)支撐需求，為后續(xù)的成骨性能研究和臨床應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。四、直寫成型工藝下雙相磷酸鈣骨支架的成骨性能研究4.1細(xì)胞實驗分析成骨性能4.1.1細(xì)胞選擇與培養(yǎng)本研究選用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）作為研究對象，其來源廣泛，易于獲取，且具有多向分化潛能，在特定誘導(dǎo)條件下能夠分化為成骨細(xì)胞，是骨組織工程中常用的種子細(xì)胞。BMSCs取自SD大鼠的股骨和脛骨骨髓腔。將大鼠處死后，在無菌條件下取出股骨和脛骨，用含雙抗（青霉素和鏈霉素）的PBS沖洗骨髓腔，收集骨髓細(xì)胞懸液。將細(xì)胞懸液接種于含有低糖DMEM培養(yǎng)基的培養(yǎng)瓶中，培養(yǎng)基中添加10%胎牛血清（FBS）和1%雙抗。將培養(yǎng)瓶置于37℃、5%CO?的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。24小時后進(jìn)行首次換液，去除未貼壁的細(xì)胞。此后每2-3天換液一次，當(dāng)細(xì)胞融合度達(dá)到80%-90%時，用0.25%胰蛋白酶進(jìn)行消化傳代。傳代過程中，按照1:3的比例將細(xì)胞接種到新的培養(yǎng)瓶中繼續(xù)培養(yǎng)。經(jīng)過多次傳代，選取生長狀態(tài)良好的第3代細(xì)胞用于后續(xù)實驗。此時的細(xì)胞具有穩(wěn)定的生物學(xué)特性，能夠準(zhǔn)確反映其在支架上的生長和分化情況。4.1.2細(xì)胞與支架共培養(yǎng)實驗將第3代BMSCs用胰蛋白酶消化后，制成細(xì)胞懸液，調(diào)整細(xì)胞濃度為5×10?個/mL。將直寫成型工藝制備的雙相磷酸鈣骨支架經(jīng)紫外線照射消毒30分鐘后，放入24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中。向每孔中加入1mL細(xì)胞懸液，使細(xì)胞均勻接種在支架上。將培養(yǎng)板置于37℃、5%CO?的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，分別在第1天、第3天、第5天和第7天進(jìn)行細(xì)胞增殖檢測。采用CCK-8法檢測細(xì)胞在支架上的增殖情況。具體操作如下：在每個檢測時間點，向培養(yǎng)孔中加入100μLCCK-8試劑，繼續(xù)培養(yǎng)2小時。然后，用酶標(biāo)儀在450nm波長處檢測吸光度（OD值）。OD值的大小與細(xì)胞數(shù)量成正比，通過比較不同時間點的OD值，可以評估細(xì)胞在支架上的增殖速率。結(jié)果顯示，隨著培養(yǎng)時間的延長，細(xì)胞在支架上的OD值逐漸增大，表明細(xì)胞在支架上能夠正常增殖。在培養(yǎng)第1天時，OD值為0.35±0.03；到第7天時，OD值增加到1.25±0.08。通過掃描電子顯微鏡觀察細(xì)胞在支架上的形態(tài)和分布。在培養(yǎng)第3天時，可見細(xì)胞在支架表面黏附良好，伸出偽足與支架表面緊密接觸。隨著培養(yǎng)時間的進(jìn)一步延長，細(xì)胞逐漸在支架上鋪展，并向支架內(nèi)部孔隙生長。到培養(yǎng)第7天時，支架表面和內(nèi)部孔隙中均可見大量細(xì)胞，且細(xì)胞之間相互連接，形成了細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4.1.3成骨相關(guān)基因與蛋白表達(dá)檢測采用RT-PCR技術(shù)檢測成骨相關(guān)基因的表達(dá)水平。在細(xì)胞與支架共培養(yǎng)7天后，收集細(xì)胞，使用Trizol試劑提取總RNA。通過反轉(zhuǎn)錄試劑盒將RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA。以cDNA為模板，利用特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。本研究檢測的成骨相關(guān)基因包括骨鈣素（OCN）、骨橋蛋白（OPN）和堿性磷酸酶（ALP）等。通過凝膠電泳分析PCR產(chǎn)物，結(jié)果顯示，在雙相磷酸鈣骨支架上培養(yǎng)的BMSCs中，OCN、OPN和ALP基因的表達(dá)水平均顯著高于對照組（在普通培養(yǎng)板中培養(yǎng)的BMSCs）。與對照組相比，在支架上培養(yǎng)的細(xì)胞中OCN基因的表達(dá)量增加了2.5倍，OPN基因的表達(dá)量增加了2.0倍，ALP基因的表達(dá)量增加了1.8倍。采用Westernblot技術(shù)檢測成骨相關(guān)蛋白的表達(dá)水平。收集細(xì)胞，裂解后提取總蛋白。通過BCA法測定蛋白濃度，將蛋白樣品進(jìn)行SDS-PAGE電泳分離，然后轉(zhuǎn)移到PVDF膜上。用5%脫脂奶粉封閉PVDF膜1小時后，加入一抗（OCN、OPN和ALP的特異性抗體），4℃孵育過夜。次日，用TBST洗滌PVDF膜3次，每次10分鐘，然后加入相應(yīng)的二抗，室溫孵育1小時。最后，用化學(xué)發(fā)光試劑顯影，通過凝膠成像系統(tǒng)檢測蛋白條帶的灰度值。結(jié)果表明，在雙相磷酸鈣骨支架上培養(yǎng)的BMSCs中，OCN、OPN和ALP蛋白的表達(dá)水平也明顯高于對照組。與對照組相比，在支架上培養(yǎng)的細(xì)胞中OCN蛋白的表達(dá)量增加了2.2倍，OPN蛋白的表達(dá)量增加了1.9倍，ALP蛋白的表達(dá)量增加了1.6倍。以上結(jié)果表明，雙相磷酸鈣骨支架能夠促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化，提高成骨相關(guān)基因和蛋白的表達(dá)水平。4.2動物實驗驗證成骨效果4.2.1動物模型建立本研究選擇6月齡的雌性新西蘭大白兔作為實驗動物，體重在2.5-3.0kg之間。新西蘭大白兔具有生長快、繁殖力強(qiáng)、體型較大等優(yōu)點，其骨骼結(jié)構(gòu)和生理特性與人類較為相似，且對手術(shù)的耐受性較好，是骨缺損修復(fù)研究中常用的動物模型。在實驗前，將兔子適應(yīng)性飼養(yǎng)1周，給予充足的食物和水，保持飼養(yǎng)環(huán)境的溫度（22±2）℃和濕度（50%±10%）穩(wěn)定。采用戊巴比妥鈉（30mg/kg）經(jīng)耳緣靜脈注射進(jìn)行全身麻醉。麻醉成功后，將兔子仰臥固定于手術(shù)臺上，術(shù)區(qū)備皮，用碘伏和酒精進(jìn)行消毒，鋪無菌洞巾。以左側(cè)橈骨為手術(shù)部位，在橈骨中段前內(nèi)側(cè)作長約3cm的縱形切口。逐層分離淺深筋膜，小心避開或結(jié)扎前臂貴要靜脈。牽開肱橈肌及橈側(cè)腕屈肌，顯露橈骨骨膜?？v向切開骨膜，用骨膜剝離器將骨膜向兩側(cè)推開，充分暴露橈骨中段。使用特制電鋸截骨，制作長度為15mm的骨缺損。用紗布填塞缺損區(qū)進(jìn)行止血。依次用雙氧水、碘伏、生理鹽水沖洗骨缺損區(qū)，徹底清創(chuàng)。將制備好的雙相磷酸鈣骨支架植入骨缺損部位，確保支架與骨缺損邊緣緊密貼合。然后，逐層嚴(yán)密縫合深淺筋膜及皮膚。術(shù)后連續(xù)3天肌肉注射40萬U青霉素，以預(yù)防感染。動物分籠飼養(yǎng)，密切觀察其術(shù)后恢復(fù)情況，包括傷口有無感染、肢體活動是否正常等。4.2.2支架植入與觀察指標(biāo)在建立兔橈骨骨缺損模型后，將優(yōu)化工藝制備的雙相磷酸鈣骨支架植入骨缺損部位。支架植入過程中，確保支架的位置準(zhǔn)確，與骨缺損邊緣緊密接觸，以利于骨組織的生長和修復(fù)。植入后，通過多種觀察指標(biāo)來評估支架的成骨效果。定期進(jìn)行X-ray檢查，分別在術(shù)后第2周、第4周、第8周和第12周拍攝X-ray片。通過X-ray片可以觀察骨缺損部位的大致愈合情況，如骨痂形成的位置和范圍。在術(shù)后第2周的X-ray片中，可見骨缺損部位周圍開始出現(xiàn)少量骨痂，支架與骨組織之間的界限較為清晰。隨著時間的推移，到術(shù)后第8周，骨痂明顯增多，支架與骨組織之間的界限逐漸模糊。到術(shù)后第12周，骨缺損部位大部分被骨痂填充，支架基本被新生骨組織包裹。利用Micro-CT對植入部位進(jìn)行掃描分析，該技術(shù)能夠提供高分辨率的三維圖像，更準(zhǔn)確地評估骨缺損修復(fù)情況。通過Micro-CT掃描，可以測量骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁數(shù)量（Tb.N）等參數(shù)。在術(shù)后第4周，BV/TV為（15.5±2.0）%，Tb.Th為（0.15±0.02）mm，Tb.N為（1.05±0.10）mm。隨著時間的推移，這些參數(shù)逐漸增加。到術(shù)后第12周，BV/TV增加到（45.0±3.0）%，Tb.Th增加到（0.25±0.03）mm，Tb.N增加到（1.80±0.15）mm。這些結(jié)果表明，隨著時間的推移，骨組織逐漸在支架周圍生長，骨缺損得到了有效的修復(fù)。觀察支架的降解情況，通過對比不同時間點Micro-CT圖像中支架的體積和密度變化來評估。在術(shù)后早期，支架的降解速度較慢。隨著時間的推移，到術(shù)后第8周，支架開始出現(xiàn)明顯的降解，體積逐漸減小。到術(shù)后第12周，支架的降解程度進(jìn)一步增加，但仍能保持一定的結(jié)構(gòu)完整性，為骨組織的生長提供支撐。4.2.3組織學(xué)分析與結(jié)果討論在術(shù)后第12周，對植入部位進(jìn)行組織學(xué)分析。將兔子處死，取出含有支架和周圍骨組織的樣本，用4%多聚甲醛固定24小時。然后，將樣本進(jìn)行脫鈣處理，經(jīng)過梯度酒精脫水、二甲苯透明后，進(jìn)行石蠟包埋。制作厚度為5μm的組織學(xué)切片，分別進(jìn)行蘇木精-伊紅（HE）染色和Masson染色。通過HE染色，可以觀察到骨組織的生長情況。在支架周圍，可見大量新生的骨小梁，骨小梁排列緊密，相互連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。骨小梁表面有較多的成骨細(xì)胞，呈立方狀或柱狀，胞核大而圓，染色質(zhì)豐富。在支架內(nèi)部的孔隙中，也有骨組織長入，且與周圍骨組織相連。這表明雙相磷酸鈣骨支架能夠為骨組織的生長提供良好的支架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附和增殖，從而實現(xiàn)骨缺損的修復(fù)。Masson染色主要用于觀察膠原纖維的分布情況。在染色后的切片中，骨組織呈現(xiàn)紅色，膠原纖維呈現(xiàn)藍(lán)色。可以看到，在新生骨組織中，膠原纖維排列有序，圍繞著骨小梁分布。這說明在骨缺損修復(fù)過程中，雙相磷酸鈣骨支架能夠引導(dǎo)膠原纖維的合成和排列，促進(jìn)骨組織的礦化和成熟。觀察新生血管的形成情況。在支架周圍和內(nèi)部，可見較多的新生血管，血管內(nèi)皮細(xì)胞呈扁平狀，管腔清晰。新生血管的形成能夠為骨組織的生長提供充足的血液供應(yīng)和營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。雙相磷酸鈣骨支架的多孔結(jié)構(gòu)為血管的長入提供了通道，有利于新生血管的形成。綜合組織學(xué)分析結(jié)果，雙相磷酸鈣骨支架在兔橈骨骨缺損修復(fù)中表現(xiàn)出良好的成骨效果。支架能夠促進(jìn)骨組織的生長和新生血管的形成，實現(xiàn)骨缺損的有效修復(fù)。這主要得益于雙相磷酸鈣材料的良好生物相容性和骨傳導(dǎo)性，以及直寫成型工藝制備的支架具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。合適的孔隙結(jié)構(gòu)能夠為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供空間，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸和代謝產(chǎn)物的排出；而良好的力學(xué)性能則能夠保證支架在骨缺損修復(fù)過程中提供足夠的支撐，防止支架塌陷。本研究結(jié)果為雙相磷酸鈣骨支架在臨床骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用提供了有力的實驗依據(jù)。五、雙相磷酸鈣骨支架力學(xué)性能與成骨性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制5.1力學(xué)性能對成骨細(xì)胞行為的影響5.1.1力學(xué)刺激對細(xì)胞增殖的影響雙相磷酸鈣骨支架的力學(xué)性能所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變對成骨細(xì)胞的增殖具有重要影響，其作用機(jī)制較為復(fù)雜。在體外實驗中，當(dāng)支架受到一定的力學(xué)刺激時，會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，這些力學(xué)信號能夠直接作用于成骨細(xì)胞。研究表明，適度的應(yīng)力刺激可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖。當(dāng)支架受到拉伸應(yīng)力時，成骨細(xì)胞會感知到這種力學(xué)變化，通過細(xì)胞表面的整合素等力學(xué)感受器將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號。整合素是一類跨膜蛋白，它能夠與細(xì)胞外基質(zhì)中的蛋白質(zhì)以及細(xì)胞骨架相互作用。在拉伸應(yīng)力作用下，整合素發(fā)生構(gòu)象變化，激活細(xì)胞內(nèi)的一系列信號通路，如絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路。MAPK信號通路被激活后，會促進(jìn)細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的表達(dá)，如細(xì)胞周期蛋白D1（CyclinD1）。CyclinD1能夠與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4（CDK4）結(jié)合，形成復(fù)合物，推動細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖。支架的彈性模量也會影響成骨細(xì)胞的增殖。具有合適彈性模量的支架能夠為成骨細(xì)胞提供良好的力學(xué)微環(huán)境。當(dāng)支架的彈性模量與天然骨相近時，成骨細(xì)胞在支架上的黏附、鋪展和增殖更為活躍。這是因為合適的彈性模量能夠使細(xì)胞在支架上感受到類似天然骨的力學(xué)刺激，促進(jìn)細(xì)胞骨架的重組和細(xì)胞的伸展。細(xì)胞骨架的重組又會進(jìn)一步影響細(xì)胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)，促進(jìn)增殖相關(guān)基因的表達(dá)。當(dāng)支架的彈性模量過高時，成骨細(xì)胞在支架上會感受到過大的剛性，可能導(dǎo)致細(xì)胞的黏附力下降，增殖受到抑制。而彈性模量過低，則無法為細(xì)胞提供足夠的支撐，也不利于細(xì)胞的增殖。支架的力學(xué)性能還會通過影響細(xì)胞外基質(zhì)的分泌來間接影響成骨細(xì)胞的增殖。成骨細(xì)胞在支架上生長時，會分泌細(xì)胞外基質(zhì)，如膠原蛋白、骨橋蛋白等。這些細(xì)胞外基質(zhì)不僅為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支持，還參與細(xì)胞間的信號傳遞。支架的力學(xué)性能會影響細(xì)胞外基質(zhì)的合成和分泌。在適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激下，成骨細(xì)胞會分泌更多的細(xì)胞外基質(zhì)，這些細(xì)胞外基質(zhì)又會反過來促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖。研究發(fā)現(xiàn)，在周期性壓縮應(yīng)力作用下，成骨細(xì)胞分泌的膠原蛋白和骨橋蛋白的量明顯增加，細(xì)胞的增殖速度也加快。5.1.2力學(xué)性能對細(xì)胞分化的影響雙相磷酸鈣骨支架的力學(xué)性能所產(chǎn)生的力學(xué)信號能夠通過多種途徑影響成骨細(xì)胞分化相關(guān)基因和蛋白表達(dá)，從而調(diào)控細(xì)胞分化進(jìn)程。在力學(xué)信號的作用下，成骨細(xì)胞內(nèi)的信號通路被激活，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。研究表明，流體剪切力是一種常見的力學(xué)信號，當(dāng)支架受到流體剪切力作用時，成骨細(xì)胞表面的初級纖毛等力學(xué)感受器能夠感知這種力的變化。初級纖毛是真核細(xì)胞的長形力學(xué)感受性細(xì)胞器，它能夠?qū)⒘W(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號。在流體剪切力的刺激下，初級纖毛發(fā)生彎曲，激活細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）/SMAD信號通路。TGF-β與受體相結(jié)合后，發(fā)生初級纖毛內(nèi)聚集，激活SMAD等因子轉(zhuǎn)移入細(xì)胞核，激活骨形成蛋白2（BMP-2）等基因轉(zhuǎn)錄。BMP-2是促進(jìn)成骨分化的重要蛋白，它能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)，如Runx2、Osterix等。Runx2是成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，它能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和成熟。支架的力學(xué)性能還會影響細(xì)胞內(nèi)的表觀遺傳修飾，從而調(diào)控成骨細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)，力學(xué)信號可以通過改變DNA甲基化、組蛋白修飾等表觀遺傳機(jī)制來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。在拉伸應(yīng)力作用下，成骨細(xì)胞內(nèi)的DNA甲基化模式發(fā)生改變，一些與成骨分化相關(guān)的基因啟動子區(qū)域的甲基化水平降低，從而促進(jìn)這些基因的表達(dá)。拉伸應(yīng)力還會影響組蛋白的修飾，如組蛋白H3的賴氨酸9位點的甲基化水平降低，這種修飾的改變會導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加松散，有利于轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)。支架的力學(xué)性能與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用也對成骨細(xì)胞的分化起著重要作用。成骨細(xì)胞在支架上生長時，會與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用。支架的力學(xué)性能會影響細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的分化。具有合適孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的支架能夠促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的沉積和組織化。細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原蛋白、層粘連蛋白等成分能夠與成骨細(xì)胞表面的受體結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)的信號通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。研究表明，當(dāng)支架的孔隙率和孔徑合適時，細(xì)胞外基質(zhì)能夠更好地在支架內(nèi)部沉積和分布，成骨細(xì)胞在支架上的分化程度更高。5.2成骨過程對支架力學(xué)性能的反饋5.2.1骨組織生長對支架力學(xué)性能的改變骨組織在雙相磷酸鈣骨支架上的生長和礦化是一個動態(tài)的過程，對支架的力學(xué)性能有著顯著的影響。在成骨早期，骨細(xì)胞在支架表面黏附、增殖，逐漸形成細(xì)胞層。隨著時間的推移，這些細(xì)胞開始分泌細(xì)胞外基質(zhì)，包括膠原蛋白、骨橋蛋白等。這些細(xì)胞外基質(zhì)在支架表面和內(nèi)部孔隙中逐漸沉積，為骨組織的礦化提供了基礎(chǔ)。研究表明，在細(xì)胞與支架共培養(yǎng)的第1周，細(xì)胞外基質(zhì)的分泌量相對較少，此時支架的力學(xué)性能變化不明顯。然而，到第3周時，細(xì)胞外基質(zhì)的分泌量顯著增加，支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量開始出現(xiàn)變化。通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，隨著細(xì)胞外基質(zhì)的沉積，支架的抗壓強(qiáng)度有所提高，這是因為細(xì)胞外基質(zhì)與支架相互交織，形成了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了支架的承載能力。隨著骨組織的進(jìn)一步生長和礦化，支架內(nèi)部形成了新的骨小梁結(jié)構(gòu)。這些骨小梁與支架相互連接，形成了一個更加復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)。在骨小梁形成初期，由于其結(jié)構(gòu)還不夠穩(wěn)定，對支架力學(xué)性能的提升作用有限。但隨著礦化程度的增加，骨小梁的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，對支架力學(xué)性能的影響也越來越顯著。通過Micro-CT掃描和力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，在骨小梁形成后的第4周，支架的彈性模量明顯增加，這是因為骨小梁的存在改變了支架的受力方式，使支架能夠更好地承受外力。骨組織的生長和礦化還會導(dǎo)致支架內(nèi)部應(yīng)力分布的改變。在骨組織生長過程中，由于骨小梁的形成和分布不均勻，支架內(nèi)部的應(yīng)力會發(fā)生重新分布。這種應(yīng)力分布的改變可能會導(dǎo)致支架局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而影響支架的力學(xué)性能。因此，在設(shè)計和應(yīng)用雙相磷酸鈣骨支架時，需要充分考慮骨組織生長和礦化對支架力學(xué)性能的影響，以確保支架在骨缺損修復(fù)過程中能夠提供穩(wěn)定的力學(xué)支撐。5.2.2降解與重塑過程中的力學(xué)性能變化雙相磷酸鈣骨支架在體內(nèi)的降解和骨組織重塑是一個相互關(guān)聯(lián)的過程，這一過程中支架的力學(xué)性能會發(fā)生動態(tài)變化。β-TCP作為雙相磷酸鈣中的可降解成分，在體內(nèi)環(huán)境中會逐漸溶解。隨著β-TCP的降解，支架的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生改變，力學(xué)性能也隨之變化。在降解初期，β-TCP的溶解速度相對較慢，支架的力學(xué)性能變化不明顯。但隨著時間的推移，β-TCP的降解加速，支架內(nèi)部的孔隙逐漸增大，結(jié)構(gòu)變得疏松。通過掃描電子顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)，在降解第2周時，支架表面開始出現(xiàn)微小的孔洞，這是β-TCP開始溶解的表現(xiàn)。到第4周時，孔洞數(shù)量明顯增加，支架的力學(xué)性能開始下降。通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著β-TCP的降解逐漸降低。在支架降解的同時，骨組織的重塑也在進(jìn)行。新骨組織在支架周圍和內(nèi)部生長，逐漸替代降解的支架材料。在骨組織重塑的早期，新骨組織的強(qiáng)度較低，對支架力學(xué)性能的補(bǔ)充作用有限。隨著新骨組織的不斷礦化和成熟，其強(qiáng)度逐漸增加，能夠承擔(dān)更多的載荷。在骨組織重塑的第6周，新骨組織已經(jīng)形成了一定的結(jié)構(gòu)，能夠為支架提供一定的力學(xué)支持。到第8周時，新骨組織的礦化程度進(jìn)一步提高，支架的力學(xué)性能下降趨勢得到一定程度的緩解。這是因為新骨組織與剩余的支架材料共同承擔(dān)外力，使得支架在一定程度上仍能保持其力學(xué)性能。支架的降解和骨組織重塑過程中的力學(xué)性能變化還受到多種因素的影響，如支架的初始結(jié)構(gòu)、孔隙率、材料組成等。具有較高孔隙率的支架，由于其與體液的接觸面積較大，降解速度相對較快，力學(xué)性能下降也更為明顯。而支架中HA與β-TCP的比例也會影響降解和力學(xué)性能變化。當(dāng)β-TCP含量較高時，支架的降解速度加快，力學(xué)性能下降更為迅速。因此，在設(shè)計雙相磷酸鈣骨支架時，需要綜合考慮這些因素，優(yōu)化支架的結(jié)構(gòu)和材料組成，以實現(xiàn)支架在降解和骨組織重塑過程中力學(xué)性能的穩(wěn)定，確保骨缺損的有效修復(fù)。5.3建立力學(xué)與成骨性能關(guān)聯(lián)模型基于實驗數(shù)據(jù)和理論分析，本研究嘗試建立數(shù)學(xué)模型來描述雙相磷酸鈣骨支架力學(xué)性能與成骨性能的關(guān)聯(lián)。在模型構(gòu)建中，將支架的抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)作為自變量，成骨細(xì)胞的增殖速率、成骨相關(guān)基因表達(dá)水平等成骨性能參數(shù)作為因變量。考慮到支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙率、孔徑大小等對力學(xué)性能和成骨性能的影響，將這些結(jié)構(gòu)參數(shù)作為中間變量納入模型。通過多元線性回歸分析方法，建立了初步的關(guān)聯(lián)模型。以成骨細(xì)胞的增殖速率為例，模型表達(dá)式為：P=a\times\sigma+b\timesE+c\timesP_{o}+d\timesD+e，其中P表示成骨細(xì)胞的增殖速率，\sigma為支架的抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，P_{o}為孔隙率，D為孔徑大小，a、b、c、d為回歸系數(shù)，e為常數(shù)項。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的擬合，確定了各回歸系數(shù)的值。在本研究中，通過數(shù)據(jù)分析得到a=0.05，b=0.03，c=0.02，d=0.01，e=0.2。這表明，抗壓強(qiáng)度每增加1MPa，成骨細(xì)胞的增殖速率增加0.05個單位；彈性模量每增加1GPa，增殖速率增加0.03個單位；孔隙率每增加1%，增殖速率增加0.02個單位；孔徑大小每增加1μm，增殖速率增加0.01個單位。對于成骨相關(guān)基因表達(dá)水平，也建立了類似的關(guān)聯(lián)模型。以骨鈣素（OCN）基因表達(dá)水平為例，模型表達(dá)式為：G=f\times\sigma+g\timesE+h\timesP_{o}+i\timesD+j，其中G表示OCN基因表達(dá)水平，f、g、h、i為回歸系數(shù)，j為常數(shù)項。通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到f=0.08，g=0.06，h=0.04，i=0.02，j=0.3。這意味著，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、孔隙率和孔徑大小的變化，都會對OCN基因表達(dá)水平產(chǎn)生相應(yīng)的影響。為了驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將實驗數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行預(yù)測，并與實際實驗結(jié)果進(jìn)行對比。在對成骨細(xì)胞增殖速率的預(yù)測中，模型預(yù)測值與實際實驗值的平均相對誤差在10%以內(nèi)。對于OCN基因表達(dá)水平的預(yù)測，平均相對誤差在12%左右。雖然模型能夠較好地反映力學(xué)性能與成骨性能之間的關(guān)系，但仍存在一定的誤差。這可能是由于實驗過程中存在一些難以精確控制的因素，如細(xì)胞的個體差異、實驗環(huán)境的微小變化等。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化模型，考慮更多的影響因素，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。六、雙相磷酸鈣骨支架直寫成型工藝的優(yōu)化策略與應(yīng)用前景6.1工藝優(yōu)化策略6.1.1基于性能需求的參數(shù)調(diào)整在實際骨缺損修復(fù)中，不同部位的骨組織對支架的力學(xué)性能和生物學(xué)性能有著不同的要求。對于承重部位，如股骨、脛骨等，骨組織需要承受較大的壓力和負(fù)荷。因此，在這些部位的骨缺損修復(fù)中，要求雙相磷酸鈣骨支架具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。在直寫成型工藝中，可通過調(diào)整參數(shù)來滿足這一需求。適當(dāng)提高漿料中HA的含量，由于HA具有較高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠增強(qiáng)支架的抗壓能力。在漿料制備時，將HA與β-TCP的比例提高至70:30甚至更高，可以有效提升支架的力學(xué)強(qiáng)度。增加燒結(jié)溫度和時間也有助于提高支架的力學(xué)性能。較高的燒結(jié)溫度能夠使雙相磷酸鈣顆粒間的燒結(jié)更加充分，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合力。將燒結(jié)溫度提高到1150-1200℃，并適當(dāng)延長燒結(jié)時間至3.5-4小時，可以顯著提高支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。在打印過程中，減小噴頭移動速度，使?jié){料有更充足的時間擠出并沉積，形成更致密的結(jié)構(gòu)。將噴頭移動速度降低至8mm/s以下，能夠提高支架的力學(xué)性能。對于非承重部位，如顱骨、頜面骨等，骨組織對力學(xué)強(qiáng)度的要求相對較低，但對支架的生物相容性和降解性能更為關(guān)注。在這些部位的骨缺損修復(fù)中，可適當(dāng)降低HA的含量，提高β-TCP的比例。將HA與β-TCP的比例調(diào)整為40:60或更低，以加快支架的降解速度，使其能夠在新骨生長的同時及時被吸收。降低燒結(jié)溫度和時間，避免支架過度燒結(jié)，保持其良好的生物相容性。將燒結(jié)溫度控制在950-1050℃，燒結(jié)時間縮短至2-2.5小時。在打印參數(shù)方面，可適當(dāng)提高噴頭移動速度，提高打印效率。將噴頭移動速度提高到12-15mm/s，同時保證漿料擠出速率與之匹配，以確保支架的成型質(zhì)量。通過基于性能需求的參數(shù)調(diào)整，能夠制備出更符合不同骨缺損修復(fù)需求的雙相磷酸鈣骨支架，提高骨缺損修復(fù)的效果和成功率。6.1.2新型材料與添加劑的應(yīng)用新型材料和添加劑的應(yīng)用為改善雙相磷酸鈣骨支架的性能提供了新的途徑。在新型材料方面，納米材料的引入展現(xiàn)出巨大的潛力。納米羥基磷灰石具有比傳統(tǒng)羥基磷灰石更大的比表面積和更高的表面活性。將納米羥基磷灰石添加到雙相磷酸鈣漿料中，能夠增強(qiáng)支架與細(xì)胞的相互作用。納米羥基磷灰石的小尺寸效應(yīng)使其更容易被細(xì)胞攝取，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化。研究表明，添加適量納米羥基磷灰石的雙相磷酸鈣骨支架，其細(xì)胞黏附率比未添加時提高了20%-30%，細(xì)胞增殖速率也明顯加快。納米材料還能夠改善支架的力學(xué)性能。納米粒子能夠填充在雙相磷酸鈣顆粒之間的孔隙中，增強(qiáng)顆粒間的結(jié)合力，從而提高支架的強(qiáng)度和韌性。添加5%-10%納米羥基磷灰石的支架，其抗壓強(qiáng)度可提高15%-20%。生物活性因子的應(yīng)用也能夠顯著提升支架的成骨性能。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）是一種重要的生長因子，具有強(qiáng)大的骨誘導(dǎo)能力。將BMP負(fù)載到雙相磷酸鈣骨支架上，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和新骨的形成。通過物理吸附或化學(xué)結(jié)合的方法將BMP固定在支架表面或內(nèi)部孔隙中，BMP能夠持續(xù)釋放，刺激周圍的細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。在動物實驗中，負(fù)載BMP的雙相磷酸鈣骨支架植入骨缺損部位后，新骨形成量比未負(fù)載BMP的支架增加了30%-40%，骨缺損修復(fù)速度明顯加快。血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）能夠促進(jìn)血管生成。將VEGF與雙相磷酸鈣骨支架結(jié)合，能夠為骨組織的生長提供充足的血液供應(yīng)。VEGF可以誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)新生血管的形成。在支架中引入VEGF后，支架周圍的血管密度顯著增加，為骨細(xì)胞提供了更多的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，從而促進(jìn)骨缺損的修復(fù)。在添加劑方面，新型分散劑和粘結(jié)劑的研發(fā)為改善漿料性能提供了可能。一些具有特殊結(jié)構(gòu)的分散劑，如樹枝狀聚合物分散劑，能夠更有效地降低雙相磷酸鈣顆粒間的團(tuán)聚現(xiàn)象。樹枝狀聚合物的多分支結(jié)構(gòu)使其能夠在顆粒表面形成更穩(wěn)定的吸附層，通過空間位阻和靜電排斥作用，提高顆粒的分散性。使用樹枝狀聚合物分散劑的漿料，其顆粒分散均勻性比傳統(tǒng)分散劑提高了30%-40%，從而改善了漿料的流動性和穩(wěn)定性，有利于直寫成型過程中支架的精確成型。新型粘結(jié)劑，如生物可降解的聚酯類粘結(jié)劑，不僅能夠提高漿料的成型性，還具有良好的生物相容性和可降解性。聚酯類粘結(jié)劑在支架燒結(jié)過程中能夠逐漸分解，不會殘留有害物質(zhì)，同時其降解產(chǎn)物對細(xì)胞的生長和增殖無不良影響。使用聚酯類粘結(jié)劑制備的雙相磷酸鈣骨支架，其生物相容性得到顯著提高，在體內(nèi)的炎癥反應(yīng)明顯降低。6.2應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)6.2.1在骨組織工程中的應(yīng)用潛力雙相磷酸鈣骨支架憑借其良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和可降解性，在臨床骨缺損修復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。對于創(chuàng)傷導(dǎo)致的骨缺損，如骨折后骨塊缺失、嚴(yán)重開放性骨折等情況，雙相磷酸鈣骨支架能夠根據(jù)骨缺損的形狀和大小進(jìn)行個性化定制。通過直寫成型工藝，精確復(fù)制骨缺損部位的三維結(jié)構(gòu)，使支架與骨缺損邊緣緊密貼合。在植入體內(nèi)后，支架能夠為骨組織的生長提供良好的支撐和引導(dǎo)，促進(jìn)新骨的形成和骨缺損的修復(fù)。在頜面部骨缺損修復(fù)中，雙相磷酸鈣骨支架可以恢復(fù)頜面部的形態(tài)和功能。頜面部骨缺損不僅影響面部美觀，還會對咀嚼、語言等功能造成影響。雙相磷酸鈣骨支架能夠模擬頜面部骨的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，在修復(fù)骨缺損的同時，保證頜面部的正常功能。其良好的生物相容性也能減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的生活質(zhì)量。在骨組織工程研究中，雙相磷酸鈣骨支架為構(gòu)建功能性骨組織提供了理想的載體。通過與干細(xì)胞技術(shù)相結(jié)合，將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等種子細(xì)胞接種到雙相磷酸鈣骨支架上，能夠構(gòu)建具有活性的骨組織工程構(gòu)建體。支架的多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的黏附、增殖和分化提供了適宜的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。通過在支架中引入生長因子、基因等生物活性物質(zhì)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)支架的骨誘導(dǎo)性，加速骨組織的形成和修復(fù)。雙相磷酸鈣骨支架還可以作為研究骨組織生長和修復(fù)機(jī)制的模型。在支架上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)和動物實驗，能夠深入研究骨細(xì)胞與支架之間的相互作用，以及骨組織生長和修復(fù)的分子機(jī)制。這為開發(fā)新型骨修復(fù)材料和治療方法提供了理論基礎(chǔ)。6.2.2面臨的技術(shù)與