可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架：制備工藝與性能表征的深度探究一、引言1.1研究背景與意義骨組織在人體中起著支撐身體、保護(hù)器官、協(xié)助運(yùn)動(dòng)和參與代謝等關(guān)鍵作用。然而，由于創(chuàng)傷、腫瘤切除、先天性疾病以及老齡化等多種因素，骨缺損的發(fā)病率呈上升趨勢，給患者的生活質(zhì)量帶來了嚴(yán)重影響，也對(duì)社會(huì)醫(yī)療資源造成了巨大壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因交通事故和生產(chǎn)安全事故所致創(chuàng)傷骨折、脊柱退行性疾病及骨腫瘤、骨結(jié)核等骨科疾病造成骨缺損或功能障礙的患者超過600萬人，而實(shí)際使用骨缺損修復(fù)材料進(jìn)行治療的骨科手術(shù)僅約為133萬例/年，臨床治療需求遠(yuǎn)未得到滿足。傳統(tǒng)的骨缺損修復(fù)方法主要包括自體骨移植、異體骨移植和人工合成材料植入等。自體骨移植雖具有良好的骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨生成能力，被視為骨缺損修復(fù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但存在供體有限、取骨部位疼痛、感染風(fēng)險(xiǎn)增加等問題；異體骨移植則面臨免疫排斥反應(yīng)、疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)以及來源受限等挑戰(zhàn)；人工合成材料如金屬、陶瓷和聚合物等，雖在一定程度上解決了供體不足和免疫排斥等問題，但在生物相容性、力學(xué)性能匹配以及降解特性等方面仍存在不足。骨組織工程的出現(xiàn)為骨缺損修復(fù)提供了新的策略，它通過將種子細(xì)胞、生物活性因子和支架材料有機(jī)結(jié)合，旨在構(gòu)建具有生物活性的骨替代物，促進(jìn)骨組織的再生和修復(fù)。其中，骨組織工程支架作為細(xì)胞生長和組織再生的三維模板，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。理想的骨組織工程支架應(yīng)具備良好的生物相容性，能夠與宿主組織和諧共處，不引發(fā)免疫排斥反應(yīng)；具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)和高孔隙率，為細(xì)胞的黏附、增殖、分化提供充足空間，同時(shí)有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出；具備一定的力學(xué)強(qiáng)度，以滿足骨缺損部位在修復(fù)過程中的力學(xué)需求；還應(yīng)具有可降解性，且降解速率與新骨形成速率相匹配，避免在體內(nèi)殘留對(duì)組織造成不良影響。然而，目前現(xiàn)有的骨組織工程支架在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多問題。例如，一些支架的力學(xué)性能難以滿足承重部位骨缺損修復(fù)的要求，在承受生理載荷時(shí)易發(fā)生變形或斷裂；部分支架的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率不理想，影響細(xì)胞的浸潤和組織的長入；還有些支架的降解速率不可控，導(dǎo)致降解過快或過慢，無法為新骨形成提供持續(xù)穩(wěn)定的支撐環(huán)境。為了解決上述問題，可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架應(yīng)運(yùn)而生。通過在支架中引入纖維增強(qiáng)相，可以顯著提高支架的力學(xué)性能，使其能夠更好地承受生理載荷，為骨缺損修復(fù)提供穩(wěn)定的力學(xué)支撐。同時(shí)，對(duì)纖維的種類、含量、分布以及取向等進(jìn)行精確調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架力學(xué)性能、孔隙結(jié)構(gòu)和降解特性的有效調(diào)節(jié)，從而滿足不同部位、不同程度骨缺損修復(fù)的個(gè)性化需求。此外，可調(diào)控纖維增強(qiáng)型支架還可以通過與生物活性因子的結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)其骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)能力，促進(jìn)骨組織的再生和修復(fù)。因此，開展可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的制備及表征研究，對(duì)于推動(dòng)骨組織工程技術(shù)的發(fā)展，提高骨缺損修復(fù)的臨床效果具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在骨組織工程支架領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者圍繞可調(diào)控纖維增強(qiáng)型支架展開了大量研究，旨在克服傳統(tǒng)支架的不足，滿足骨缺損修復(fù)的多樣化需求。國外方面，諸多研究聚焦于新型纖維材料的開發(fā)與應(yīng)用。美國科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種碳納米管增強(qiáng)的聚乳酸支架，碳納米管獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)賦予支架優(yōu)異的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量顯著提升，同時(shí)，通過精確控制碳納米管的含量和分散狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架導(dǎo)電性的調(diào)控，為電刺激促進(jìn)骨細(xì)胞生長提供了可能。德國的研究人員利用仿生礦化技術(shù)，制備了羥基磷灰石纖維增強(qiáng)的膠原蛋白支架，模擬天然骨的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅增強(qiáng)了支架的力學(xué)強(qiáng)度，還顯著提高了其生物活性和骨傳導(dǎo)性，促進(jìn)了新骨組織的生長和礦化。國內(nèi)的研究也取得了豐碩成果。有學(xué)者采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚己內(nèi)酯/納米羥基磷灰石復(fù)合纖維支架，通過調(diào)整紡絲參數(shù)和納米羥基磷灰石的含量，精確控制了纖維的直徑和支架的孔隙結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的支架展現(xiàn)出良好的生物相容性和細(xì)胞親和性，有利于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖和分化。另有團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制造了具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)和纖維增強(qiáng)的磷酸鈣骨水泥支架，該支架在不同部位具有不同的孔隙率和力學(xué)性能，能夠更好地適應(yīng)骨缺損部位的生理需求，同時(shí)，纖維的增強(qiáng)作用有效提高了支架的整體強(qiáng)度和韌性。盡管國內(nèi)外在可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的研究上已取得顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。一方面，部分纖維增強(qiáng)型支架在力學(xué)性能提升的同時(shí)，生物相容性和降解性能受到影響，難以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能、生物相容性和降解性能的協(xié)同優(yōu)化。另一方面，對(duì)于支架微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，以及纖維增強(qiáng)機(jī)制的深入理解仍有待加強(qiáng)，這限制了支架性能的進(jìn)一步提升和精準(zhǔn)調(diào)控。此外，目前大多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化過程中，還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如大規(guī)模制備技術(shù)的優(yōu)化、成本控制以及安全性和有效性的長期評(píng)估等。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在開發(fā)一種新型的可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架，以滿足骨缺損修復(fù)的臨床需求，具體研究目標(biāo)和內(nèi)容如下：1.3.1研究目標(biāo)制備可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架：通過優(yōu)化制備工藝，精確調(diào)控纖維在支架中的種類、含量、分布和取向，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架力學(xué)性能、孔隙結(jié)構(gòu)和降解特性的有效調(diào)節(jié)，制備出具有良好生物相容性、合適力學(xué)強(qiáng)度、理想孔隙結(jié)構(gòu)和可控降解速率的骨組織工程支架。深入表征支架性能：運(yùn)用多種先進(jìn)的分析測試技術(shù)，全面系統(tǒng)地對(duì)制備的支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、生物相容性、降解性能以及生物活性等方面的表征，深入揭示支架微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為支架性能的優(yōu)化和改進(jìn)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。評(píng)估支架在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用潛力：通過體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)支架對(duì)骨細(xì)胞的黏附、增殖、分化的影響，以及在動(dòng)物模型中促進(jìn)骨缺損修復(fù)的能力，明確支架在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和前景，為其進(jìn)一步的臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。1.3.2研究內(nèi)容可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的制備：篩選合適的纖維材料（如納米羥基磷灰石纖維、聚乳酸纖維、碳纖維等）和基體材料（如聚己內(nèi)酯、明膠、磷酸鈣骨水泥等），通過靜電紡絲、3D打印、冷凍干燥等技術(shù)，制備不同纖維含量、分布和取向的纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架。重點(diǎn)研究制備工藝參數(shù)（如紡絲電壓、打印溫度、冷凍速率等）對(duì)纖維形態(tài)、支架結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，優(yōu)化制備工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架性能的精準(zhǔn)調(diào)控。支架的結(jié)構(gòu)與性能表征：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射儀（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等手段，對(duì)支架的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）等設(shè)備，測試支架的力學(xué)性能，包括拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性等；采用接觸角測量儀、熱重分析儀（TGA）等儀器，表征支架的親水性、降解性能和熱穩(wěn)定性；借助細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，如細(xì)胞黏附實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞分化實(shí)驗(yàn)等，評(píng)估支架的生物相容性和細(xì)胞親和性。支架的生物活性研究：將具有骨誘導(dǎo)活性的生物活性因子（如骨形態(tài)發(fā)生蛋白、血管內(nèi)皮生長因子等）負(fù)載到支架上，研究生物活性因子的負(fù)載量、釋放行為及其對(duì)支架生物活性的影響。通過體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，觀察負(fù)載生物活性因子的支架對(duì)骨細(xì)胞的增殖、分化以及血管生成的促進(jìn)作用，探討支架促進(jìn)骨組織再生的作用機(jī)制。支架在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用研究：建立合適的動(dòng)物骨缺損模型，將制備的可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架植入骨缺損部位，通過影像學(xué)檢查（如Micro-CT、X射線等）、組織學(xué)分析（如蘇木精-伊紅染色、Masson染色等）和免疫組織化學(xué)分析等方法，定期觀察和評(píng)估支架在體內(nèi)的降解情況、新骨形成情況以及組織相容性，評(píng)價(jià)支架在骨缺損修復(fù)中的實(shí)際效果和應(yīng)用潛力。二、可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的制備原理2.1材料選擇依據(jù)2.1.1纖維材料特性分析在可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架中，纖維材料起著關(guān)鍵的增強(qiáng)作用，其特性直接影響支架的性能。聚磷酸鈣纖維（CPPF）作為一種常用的纖維材料，具有諸多優(yōu)良特性，在骨組織工程領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。從生物相容性角度來看，聚磷酸鈣纖維表現(xiàn)出色。當(dāng)聚磷酸鈣纖維植入體內(nèi)后，其與周圍組織能夠和諧共處，不會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng)。這是因?yàn)榫哿姿徕}纖維在體內(nèi)降解時(shí)，會(huì)釋放出細(xì)胞活動(dòng)所需的能量，并產(chǎn)生可溶性的鈣鹽、磷酸鹽以及游離的鈣、磷離子。這些降解產(chǎn)物不僅不會(huì)對(duì)組織造成損傷，反而能夠參與體內(nèi)的生理代謝過程，為細(xì)胞的生長和增殖提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)組織的修復(fù)和再生。相關(guān)研究表明，將聚磷酸鈣纖維復(fù)合支架植入動(dòng)物體內(nèi)后，周圍組織能夠快速適應(yīng)支架的存在，炎癥反應(yīng)輕微，并且在短時(shí)間內(nèi)就有新生血管和組織長入支架內(nèi)部，顯示出良好的生物相容性。在力學(xué)性能方面，聚磷酸鈣纖維具有較高的強(qiáng)度和模量。其分子結(jié)構(gòu)由大量的磷氧（P-O）鍵連接而成，這些鍵能高達(dá)11KJ/mol，形成了類似ATP中高能磷酸鍵的長鏈結(jié)構(gòu)，賦予了纖維良好的力學(xué)性能。在骨組織工程支架中，聚磷酸鈣纖維能夠有效地承擔(dān)外力，增強(qiáng)支架的整體強(qiáng)度和韌性。當(dāng)支架受到外力作用時(shí)，聚磷酸鈣纖維可以分散應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，從而提高支架的抗斷裂能力。與其他一些纖維材料相比，聚磷酸鈣纖維在提高支架力學(xué)性能方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠更好地滿足骨缺損修復(fù)過程中對(duì)力學(xué)性能的要求。例如，在一些研究中，將聚磷酸鈣纖維添加到磷酸鈣骨水泥基體中，制備的復(fù)合支架的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相較于純磷酸鈣骨水泥支架有顯著提高，能夠更好地承受生理載荷。除了生物相容性和力學(xué)性能外，聚磷酸鈣纖維還具有良好的可塑性和加工性。這使得它能夠通過多種制備工藝與不同的基體材料相結(jié)合，制備出具有不同結(jié)構(gòu)和性能的骨組織工程支架。例如，可以通過靜電紡絲技術(shù)將聚磷酸鈣纖維與聚合物材料復(fù)合，制備出具有納米級(jí)纖維結(jié)構(gòu)的支架，這種支架具有高比表面積和良好的孔隙結(jié)構(gòu)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖和分化；也可以通過3D打印技術(shù)將聚磷酸鈣纖維與其他材料按特定的設(shè)計(jì)圖案進(jìn)行打印，制備出具有復(fù)雜形狀和個(gè)性化結(jié)構(gòu)的支架，以滿足不同部位和不同程度骨缺損修復(fù)的需求。此外，聚磷酸鈣纖維還具有一定的骨誘導(dǎo)性，能夠促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化，加速新骨的形成。研究發(fā)現(xiàn)，聚磷酸鈣纖維表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)能夠與骨細(xì)胞表面的受體相互作用，激活細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，從而促進(jìn)骨細(xì)胞的功能表達(dá)。在一些體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，將骨細(xì)胞接種到聚磷酸鈣纖維復(fù)合支架上，細(xì)胞能夠快速黏附并鋪展在支架表面，并且在培養(yǎng)過程中表現(xiàn)出較高的增殖活性和分化能力，堿性磷酸酶活性明顯增強(qiáng)，表明聚磷酸鈣纖維能夠有效地促進(jìn)骨細(xì)胞的成骨分化。2.1.2基體材料性能要求基體材料作為骨組織工程支架的基礎(chǔ)，其性能對(duì)支架的整體性能起著至關(guān)重要的作用。理想的基體材料應(yīng)具備多種性能，以滿足骨缺損修復(fù)的復(fù)雜需求。生物相容性是基體材料的首要性能要求。當(dāng)基體材料植入體內(nèi)后，必須能夠與周圍組織和細(xì)胞相互作用，不引起免疫排斥反應(yīng)、炎癥反應(yīng)或毒性反應(yīng)，為細(xì)胞的生長和組織的修復(fù)提供一個(gè)安全、穩(wěn)定的微環(huán)境。例如，聚己內(nèi)酯（PCL）作為一種常用的基體材料，具有良好的生物相容性。它在體內(nèi)能夠被緩慢降解，降解產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞和組織無毒害作用，并且能夠與細(xì)胞表面的受體相互作用，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化。研究表明，將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種到聚己內(nèi)酯基體材料上，細(xì)胞能夠在其表面良好地生長和分化，分泌細(xì)胞外基質(zhì)，形成類似骨組織的結(jié)構(gòu)。骨傳導(dǎo)性也是基體材料不可或缺的性能。具有良好骨傳導(dǎo)性的基體材料能夠?yàn)楣羌?xì)胞的生長和新骨的形成提供一個(gè)物理支撐框架，引導(dǎo)骨組織沿著基體材料的表面和孔隙向缺損部位生長。例如，磷酸鈣骨水泥（CPC）具有優(yōu)異的骨傳導(dǎo)性，其主要成分與人體骨骼的無機(jī)成分相似，能夠與骨組織形成化學(xué)鍵合，促進(jìn)骨組織的長入。在骨缺損修復(fù)過程中，磷酸鈣骨水泥可以填充骨缺損部位，為骨細(xì)胞的遷移和增殖提供場所，隨著時(shí)間的推移，新骨組織逐漸替代磷酸鈣骨水泥，實(shí)現(xiàn)骨缺損的修復(fù)?？山到庑允腔w材料的另一重要性能。在骨缺損修復(fù)過程中，基體材料應(yīng)能夠在新骨組織形成的同時(shí)逐漸降解，為新骨的生長提供空間，避免在體內(nèi)長期殘留對(duì)組織造成不良影響。而且，基體材料的降解速率應(yīng)與新骨形成速率相匹配，以確保在骨缺損修復(fù)的不同階段，支架都能提供足夠的力學(xué)支撐。例如，明膠是一種可生物降解的天然高分子材料，其降解速率可以通過化學(xué)交聯(lián)等方法進(jìn)行調(diào)控。通過合理調(diào)整交聯(lián)程度，可以使明膠基體材料的降解速率與新骨形成速率相適應(yīng)，在骨缺損修復(fù)早期，明膠基體材料能夠保持一定的力學(xué)強(qiáng)度，為骨細(xì)胞的生長提供支撐；隨著新骨組織的逐漸形成，明膠基體材料逐漸降解，為新骨的生長讓出空間。力學(xué)性能也是基體材料需要考慮的關(guān)鍵因素?；w材料應(yīng)具備一定的強(qiáng)度和韌性，以承受骨缺損部位在修復(fù)過程中的生理載荷，如壓力、拉力和剪切力等。不同部位的骨缺損對(duì)基體材料的力學(xué)性能要求不同，例如，承重部位的骨缺損需要基體材料具有較高的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，以保證骨骼的正常功能；而非承重部位的骨缺損對(duì)基體材料的力學(xué)性能要求相對(duì)較低，但仍需具備一定的強(qiáng)度以維持支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，聚乳酸（PLA）具有較高的強(qiáng)度和模量，但其脆性較大，通過與其他材料共混或復(fù)合，可以改善其力學(xué)性能，使其更適合作為骨組織工程支架的基體材料。此外，基體材料還應(yīng)具有良好的加工性能，以便通過各種制備技術(shù)（如靜電紡絲、3D打印、冷凍干燥等）制備出具有特定結(jié)構(gòu)和性能的骨組織工程支架。同時(shí)，基體材料還應(yīng)具備一定的孔隙率和合適的孔徑分布，以利于細(xì)胞的黏附、增殖、分化以及營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出。例如，通過粒子溶出造孔法、氣體發(fā)泡法等技術(shù)可以在基體材料中引入孔隙，調(diào)整孔隙率和孔徑大小，滿足細(xì)胞生長和組織修復(fù)的需求。2.2制備方法原理2.2.1粒子溶出造孔法粒子溶出造孔法是制備骨組織工程支架常用的方法之一，其原理基于可溶粒子在基體材料中的溶解，從而在支架內(nèi)部形成孔隙結(jié)構(gòu)。在本研究中，選用棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒作為造孔劑，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。制備過程中，首先將谷氨酸鈉晶體顆粒均勻分散于基體材料中，可采用攪拌、超聲等手段確保其均勻分布。隨后，通過固化、成型等工藝使基體材料形成具有一定形狀和結(jié)構(gòu)的支架前驅(qū)體。當(dāng)支架前驅(qū)體成型后，將其置于適當(dāng)?shù)娜軇ㄈ缢┲校劝彼徕c晶體顆粒逐漸溶解并從基體材料中脫離，進(jìn)而在支架內(nèi)部留下與晶體顆粒形狀和大小相關(guān)的孔隙。這種造孔方式類似于在蛋糕制作過程中，先在面糊中均勻混入巧克力豆，待蛋糕烤制成型后，將巧克力豆取出，蛋糕內(nèi)部便會(huì)形成與巧克力豆形狀和大小對(duì)應(yīng)的孔洞。棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒對(duì)支架孔隙結(jié)構(gòu)具有顯著影響。其棒狀形貌決定了所制備支架的孔隙呈現(xiàn)類似棒狀的形貌特征，這些孔隙相互連通，形成三維貫通的孔隙網(wǎng)絡(luò)。研究表明，在造孔粒子加入量相同的情況下，相較于其他形狀的造孔粒子（如立方體的氯化鈉晶體），谷氨酸鈉晶體作為造孔粒子制備的支架具有更高的孔隙率。這是因?yàn)榘魻罱Y(jié)構(gòu)在堆積時(shí)能夠形成更多的間隙空間，使得在溶出后支架內(nèi)部留下更多的孔隙空間。然而，較高的孔隙率也會(huì)導(dǎo)致支架強(qiáng)度降低，這是由于孔隙的存在削弱了基體材料的連續(xù)性和承載能力，使得支架在承受外力時(shí)更容易發(fā)生變形和斷裂。因此，在利用粒子溶出造孔法制備支架時(shí)，需要綜合考慮孔隙率和強(qiáng)度的平衡，通過優(yōu)化造孔粒子的含量、尺寸和形狀等參數(shù)，獲得具有理想孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的骨組織工程支架。例如，可以通過調(diào)整谷氨酸鈉晶體顆粒的粒徑大小，控制孔隙的尺寸，進(jìn)而影響支架的孔隙率和力學(xué)性能；也可以通過改變造孔粒子的添加量，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)支架的孔隙率，同時(shí)結(jié)合其他增強(qiáng)手段（如添加纖維）來提高支架的強(qiáng)度，以滿足骨缺損修復(fù)的不同需求。2.2.23D打印技術(shù)原理3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，在可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架制備中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其原理基于逐層堆積成型的理念，能夠?qū)崿F(xiàn)支架的精準(zhǔn)成型及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。在3D打印過程中，首先需要根據(jù)支架的設(shè)計(jì)要求，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件構(gòu)建三維模型。該模型詳細(xì)定義了支架的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、纖維分布和取向等信息，就如同建筑設(shè)計(jì)師繪制的詳細(xì)藍(lán)圖。隨后，將三維模型轉(zhuǎn)化為切片文件，將模型沿特定方向（通常是Z軸）切成一系列厚度均勻的二維切片，每個(gè)切片包含了該層的幾何形狀和材料分布信息。打印過程中，打印機(jī)根據(jù)切片文件的指令，按照從下到上的順序逐層堆積材料。對(duì)于纖維增強(qiáng)型支架，纖維材料和基體材料會(huì)按照預(yù)設(shè)的路徑和比例進(jìn)行精確分配和沉積。例如，在熔融沉積建模（FDM）3D打印技術(shù)中，絲狀的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（如聚乳酸/碳纖維復(fù)合材料絲材）被加熱至熔融狀態(tài)，通過噴頭擠出并按照切片路徑逐層堆積，在每一層堆積過程中，纖維在基體中按照設(shè)計(jì)的取向分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維取向的精確控制。在光固化3D打印中，含有光敏樹脂和纖維的混合材料在特定波長的光照射下逐層固化成型，通過控制光的照射區(qū)域和強(qiáng)度，可以精確構(gòu)建支架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)纖維在不同區(qū)域的差異化分布。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)高度個(gè)性化的設(shè)計(jì)和制造。根據(jù)患者骨缺損的具體形狀、大小和位置，可以定制專屬的骨組織工程支架，確保支架與骨缺損部位完美匹配。同時(shí)，通過精確控制打印參數(shù)，如打印速度、溫度、層厚等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架微觀結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。例如，通過調(diào)整層厚可以改變支架的孔隙率和力學(xué)性能，較薄的層厚通?？梢垣@得更精細(xì)的結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率，但可能會(huì)降低支架的強(qiáng)度；而較厚的層厚則可以提高支架的強(qiáng)度，但可能會(huì)使結(jié)構(gòu)相對(duì)粗糙。此外，3D打印技術(shù)還能夠制造具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支架，如梯度孔隙結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)能夠更好地模擬天然骨的結(jié)構(gòu)和功能，促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化，提高支架的生物活性和骨傳導(dǎo)性。例如，模仿天然松質(zhì)骨的多孔結(jié)構(gòu)，通過3D打印制備具有梯度孔隙率的支架，在支架的外層設(shè)計(jì)較小的孔隙和較高的孔隙率，以促進(jìn)細(xì)胞的黏附和組織的長入；在支架的內(nèi)層設(shè)計(jì)較大的孔隙和較低的孔隙率，以提供足夠的力學(xué)支撐，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠更好地滿足骨缺損修復(fù)過程中對(duì)力學(xué)性能和生物活性的不同需求。2.2.3其他創(chuàng)新制備技術(shù)原理除了粒子溶出造孔法和3D打印技術(shù)，靜電紡絲技術(shù)在制備可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架中也具有獨(dú)特的原理和優(yōu)勢。靜電紡絲技術(shù)的基本原理是利用高壓電場對(duì)聚合物溶液或熔體施加靜電力，使其克服表面張力形成射流，最終在接收裝置上沉積形成納米級(jí)或微米級(jí)的纖維。具體而言，將聚合物溶液或熔體裝入帶有細(xì)針頭的注射器中，通過注射泵控制溶液或熔體的流速。在針頭與接收裝置之間施加高電壓，通常為數(shù)千伏到數(shù)萬伏。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，聚合物溶液或熔體在針頭處形成泰勒錐，隨著電場力的進(jìn)一步作用，泰勒錐的尖端會(huì)噴射出一股極細(xì)的射流。射流在飛行過程中，溶劑逐漸揮發(fā)（對(duì)于溶液體系）或冷卻固化（對(duì)于熔體體系），最終在接收裝置上形成連續(xù)的纖維。在制備纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架時(shí)，靜電紡絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的精準(zhǔn)制備和組裝。通過在聚合物溶液或熔體中添加纖維材料（如納米羥基磷灰石纖維、聚磷酸鈣纖維等），可以制備出復(fù)合纖維。在電場力的作用下，復(fù)合纖維能夠按照一定的取向排列在接收裝置上，形成具有特定結(jié)構(gòu)的纖維氈或支架。例如，可以通過旋轉(zhuǎn)接收裝置或采用特殊的電場設(shè)計(jì)，使纖維在接收過程中沿特定方向取向，從而增強(qiáng)支架在該方向上的力學(xué)性能。此外，靜電紡絲技術(shù)制備的纖維具有高比表面積和良好的孔隙結(jié)構(gòu)，這有利于細(xì)胞的黏附、增殖和分化。纖維之間的孔隙大小和分布可以通過調(diào)整紡絲參數(shù)（如電壓、流速、接收距離等）進(jìn)行調(diào)控。較高的電壓通常會(huì)使射流受到更強(qiáng)的拉伸力，從而制備出更細(xì)的纖維，纖維之間的孔隙也相對(duì)較小；而較低的流速和較長的接收距離則有利于形成更均勻的纖維分布和較大的孔隙。同時(shí)，靜電紡絲技術(shù)還可以通過同軸靜電紡絲、多噴頭靜電紡絲等方法制備具有核殼結(jié)構(gòu)或多功能復(fù)合的纖維，進(jìn)一步拓展支架的性能和應(yīng)用范圍。例如，采用同軸靜電紡絲制備的核殼結(jié)構(gòu)纖維，內(nèi)核可以負(fù)載生物活性因子（如骨形態(tài)發(fā)生蛋白），外殼則可以提供力學(xué)支撐和保護(hù)，在支架植入體內(nèi)后，生物活性因子可以緩慢釋放，促進(jìn)骨細(xì)胞的生長和分化。三、制備工藝與流程3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備制備可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架選用多種材料。纖維材料為聚磷酸鈣纖維（CPPF），其作為一種重要的生物活性纖維，在骨組織工程領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。聚磷酸鈣纖維的化學(xué)組成使其具有良好的生物相容性，在體內(nèi)能夠逐漸降解并參與生理代謝過程，為骨組織的修復(fù)提供必要的鈣、磷離子等營養(yǎng)物質(zhì)。其分子結(jié)構(gòu)賦予了纖維較高的強(qiáng)度和模量，能夠有效地增強(qiáng)支架的力學(xué)性能，提高支架的抗斷裂能力。而且，聚磷酸鈣纖維還具有一定的骨誘導(dǎo)性，能夠促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化，加速新骨的形成。基體材料則采用磷酸鈣骨水泥（CPC），它是一種常用于骨組織工程的無機(jī)材料。磷酸鈣骨水泥的主要成分與人體骨骼的無機(jī)成分相似，這使得它具有優(yōu)異的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。在骨缺損修復(fù)過程中，磷酸鈣骨水泥能夠與骨組織形成化學(xué)鍵合，為骨細(xì)胞的遷移和增殖提供良好的物理支撐框架，引導(dǎo)骨組織沿著其表面和孔隙向缺損部位生長。此外，磷酸鈣骨水泥還具有良好的可塑性和可加工性，可以通過多種方法制備成不同形狀和結(jié)構(gòu)的支架，以滿足不同骨缺損部位的需求。造孔劑選用棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒，這種特殊形狀的造孔劑在制備骨組織工程支架時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒在基體材料中均勻分散后，通過溶解可以在支架內(nèi)部形成類似棒狀的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙相互連通，形成三維貫通的孔隙網(wǎng)絡(luò)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖和營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。與其他形狀的造孔劑相比，棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒在相同添加量的情況下，能夠制備出具有更高孔隙率的支架，從而為細(xì)胞提供更多的生長空間。制備過程中，需要用到多種設(shè)備。恒溫磁力攪拌器用于混合材料，確保各成分均勻分散。其工作原理是通過電機(jī)帶動(dòng)磁力攪拌子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生均勻的攪拌力，使溶液或混合物在容器內(nèi)充分混合。在本實(shí)驗(yàn)中，將磷酸鈣骨水泥、聚磷酸鈣纖維以及其他添加劑加入到適當(dāng)?shù)娜軇┲校煤銣卮帕嚢杵髟谝欢囟群娃D(zhuǎn)速下攪拌，使各成分均勻混合，為后續(xù)的成型工藝奠定基礎(chǔ)。電子天平用于精確稱量各種實(shí)驗(yàn)材料，其精度能夠達(dá)到毫克級(jí)甚至更高，確保實(shí)驗(yàn)材料的配比準(zhǔn)確無誤。在骨組織工程支架的制備過程中，材料的精確配比對(duì)于支架的性能有著至關(guān)重要的影響，因此電子天平是實(shí)驗(yàn)中不可或缺的設(shè)備。真空干燥箱用于去除材料中的水分和溶劑，保證材料的純度和穩(wěn)定性。其工作原理是在真空環(huán)境下，通過加熱使材料中的水分和溶劑迅速蒸發(fā)，從而達(dá)到干燥的目的。在制備支架的過程中，經(jīng)過混合、成型等工藝后的材料可能含有水分或殘留的溶劑，這些雜質(zhì)會(huì)影響支架的性能，因此需要使用真空干燥箱進(jìn)行干燥處理。冷凍干燥機(jī)在支架制備中也發(fā)揮著重要作用，尤其在制備多孔支架時(shí)，能夠通過冷凍和升華的過程，在支架內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)。其工作過程是先將含有溶劑的材料冷凍至低溫，使溶劑凍結(jié)成冰，然后在高真空環(huán)境下，通過加熱使冰直接升華成水蒸氣，從而在材料內(nèi)部留下孔隙。這種方法制備的多孔支架具有孔隙率高、孔徑分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，有利于細(xì)胞的生長和組織的長入。3D打印機(jī)選用專業(yè)的生物3D打印機(jī)，它能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的三維模型，精確地將材料逐層打印成型，實(shí)現(xiàn)支架的個(gè)性化定制。生物3D打印機(jī)通常采用多種打印技術(shù)，如熔融沉積建模（FDM）、光固化成型（SLA）等，能夠滿足不同材料和結(jié)構(gòu)的打印需求。在本研究中，使用生物3D打印機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)好的支架模型，將混合好的磷酸鈣骨水泥和聚磷酸鈣纖維材料按照特定的路徑和層厚進(jìn)行打印，制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和精確尺寸的纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架。3.2具體制備步驟3.2.1粒子溶出造孔法制備流程粒子溶出造孔法是制備骨組織工程支架常用的一種方法，通過在基體材料中添加可溶粒子，再將其去除從而形成孔隙結(jié)構(gòu)。在本研究中，選用棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒作為造孔劑，其制備流程如下：原料準(zhǔn)備與混合：精確稱取適量的磷酸鈣骨水泥粉末，放入潔凈的燒杯中。同時(shí)，按照設(shè)定的比例準(zhǔn)確稱取聚磷酸鈣纖維，為保證纖維在后續(xù)操作中能均勻分散，可先將其進(jìn)行預(yù)處理，如適當(dāng)?shù)募舳袒虺暦稚?。接著，稱取一定量的棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒作為造孔劑。將聚磷酸鈣纖維和棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒一同加入裝有磷酸鈣骨水泥粉末的燒杯中，向其中加入適量的溶劑（如水或特定的溶液），使混合物具有良好的流動(dòng)性。將燒杯置于恒溫磁力攪拌器上，設(shè)置合適的攪拌速度和溫度，進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛嚢柽^程中，要密切觀察混合物的狀態(tài)，確保聚磷酸鈣纖維均勻分散在磷酸鈣骨水泥溶液中，棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒也均勻分布其中，形成均勻的混合體系。例如，可將攪拌速度設(shè)置為500r/min，溫度保持在30℃，攪拌時(shí)間為30min，以保證各成分充分混合。成型固化：將攪拌均勻的混合溶液倒入特定形狀的模具中，如圓柱形模具或方形模具，模具的選擇取決于所需支架的形狀。在倒入過程中，要盡量避免產(chǎn)生氣泡，若有氣泡產(chǎn)生，可采用超聲振蕩或輕輕敲擊模具的方式使其排出。將裝有混合溶液的模具放入恒溫恒濕箱中，在一定的溫度和濕度條件下進(jìn)行固化。固化過程中，磷酸鈣骨水泥逐漸凝固，將聚磷酸鈣纖維和棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒固定在其中，形成具有初步形狀的支架前驅(qū)體。例如，可將恒溫恒濕箱的溫度設(shè)置為37℃，濕度保持在95%，固化時(shí)間為24h，以確保支架前驅(qū)體充分固化。去除造孔劑：待支架前驅(qū)體固化完成后，將其從模具中小心取出，放入盛有適量去離子水的容器中。在去離子水中，棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒會(huì)逐漸溶解，隨著溶解過程的進(jìn)行，支架內(nèi)部會(huì)形成與棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒形狀和分布相關(guān)的孔隙結(jié)構(gòu)。為了加速溶解過程，可將容器置于恒溫磁力攪拌器上，以適當(dāng)?shù)乃俣葦嚢?，同時(shí)保持水溫恒定。例如，將攪拌速度設(shè)置為200r/min，水溫保持在37℃，攪拌時(shí)間為12h，使棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒充分溶解。待棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒完全溶解后，將支架取出，用去離子水反復(fù)沖洗多次，以去除殘留的谷氨酸鈉和其他雜質(zhì)。最后，將沖洗后的支架放入真空干燥箱中，在一定的溫度和真空度下進(jìn)行干燥處理，去除支架中的水分，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架。例如，將真空干燥箱的溫度設(shè)置為60℃，真空度保持在-0.1MPa，干燥時(shí)間為6h，使支架充分干燥。3.2.23D打印制備流程3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)支架的精準(zhǔn)成型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，為制備可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架提供了有力的手段，其制備流程如下：模型設(shè)計(jì)：運(yùn)用專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件，如SolidWorks、Mimics等，根據(jù)骨缺損部位的具體形狀、大小和力學(xué)需求，設(shè)計(jì)個(gè)性化的骨組織工程支架三維模型。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮聚磷酸鈣纖維的分布和取向，以及支架的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。例如，對(duì)于承重部位的骨缺損，可在支架的關(guān)鍵受力區(qū)域設(shè)計(jì)較高含量的聚磷酸鈣纖維，并使其沿受力方向取向，以增強(qiáng)支架的力學(xué)性能；同時(shí)，根據(jù)骨細(xì)胞生長和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸?shù)囊?，設(shè)計(jì)合適的孔隙率和孔徑大小，確保支架具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。在模型設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行模擬分析，通過有限元分析軟件（如ANSYS）評(píng)估支架的力學(xué)性能，預(yù)測其在不同載荷條件下的應(yīng)力分布和變形情況，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，確保設(shè)計(jì)的合理性和可行性。材料準(zhǔn)備：將磷酸鈣骨水泥粉末和聚磷酸鈣纖維按照一定比例混合均勻，可采用球磨機(jī)或高速攪拌器等設(shè)備進(jìn)行混合，以保證兩種材料充分均勻分散。根據(jù)3D打印機(jī)的類型和打印要求，將混合好的材料制成適合打印的形式，如絲狀、粉末狀或液態(tài)。例如，對(duì)于熔融沉積建模（FDM）3D打印機(jī)，需要將混合材料制成絲狀耗材；對(duì)于光固化成型（SLA）3D打印機(jī)，則需要將材料制備成含有光敏樹脂的液態(tài)漿料。在制備過程中，要嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量和性能，確保打印過程的順利進(jìn)行和支架的質(zhì)量穩(wěn)定。打印過程：將設(shè)計(jì)好的三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)中，設(shè)置打印參數(shù)，包括打印速度、溫度、層厚、噴頭直徑等。這些參數(shù)的設(shè)置會(huì)直接影響支架的成型質(zhì)量和性能，需要根據(jù)材料特性和模型要求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，對(duì)于磷酸鈣骨水泥和聚磷酸鈣纖維的混合材料，打印溫度通常需要根據(jù)材料的熔點(diǎn)和流動(dòng)性進(jìn)行調(diào)整，一般在100-150℃之間；打印速度可設(shè)置為30-60mm/s，以保證材料能夠均勻擠出并準(zhǔn)確堆積；層厚可控制在0.1-0.3mm，以獲得較好的成型精度和表面質(zhì)量。在打印過程中，3D打印機(jī)按照預(yù)設(shè)的模型和參數(shù)，將材料逐層堆積，逐漸構(gòu)建出三維支架結(jié)構(gòu)。打印過程中要密切觀察打印狀態(tài)，及時(shí)處理可能出現(xiàn)的問題，如材料堵塞、打印偏差等，確保打印過程的順利進(jìn)行。后處理：打印完成后，將支架從打印機(jī)平臺(tái)上小心取下，去除支架表面附著的多余材料和支撐結(jié)構(gòu)。對(duì)于一些需要提高力學(xué)性能或生物相容性的支架，可進(jìn)行后處理操作。例如，通過熱處理提高支架的結(jié)晶度和強(qiáng)度，將支架放入高溫爐中，在一定溫度下（如600-800℃）進(jìn)行燒結(jié)處理，保溫時(shí)間根據(jù)支架的大小和材料特性而定，一般為2-4h；也可以采用化學(xué)處理方法，如浸泡在特定的溶液中，對(duì)支架表面進(jìn)行修飾，改善其生物相容性和細(xì)胞黏附性能。處理完成后，對(duì)支架進(jìn)行清洗和干燥，去除表面殘留的化學(xué)試劑和水分，得到最終的纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架。3.2.3多種技術(shù)結(jié)合制備流程在實(shí)際制備可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架時(shí)，單一的制備技術(shù)往往難以滿足所有性能要求，因此常采用多種技術(shù)相結(jié)合的方式，以充分發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢。本研究將粒子溶出造孔法與3D打印技術(shù)相結(jié)合，其制備流程如下：粒子溶出造孔法前期準(zhǔn)備：按照粒子溶出造孔法的要求，準(zhǔn)備好磷酸鈣骨水泥、聚磷酸鈣纖維和棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒。精確稱取各材料，將聚磷酸鈣纖維和棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒均勻分散在磷酸鈣骨水泥溶液中，通過恒溫磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?，確保混合均勻。3D打印模型設(shè)計(jì)與材料準(zhǔn)備：運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)支架的三維模型，在模型設(shè)計(jì)中考慮粒子溶出造孔后的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)支架整體性能的影響，以及聚磷酸鈣纖維在支架中的分布和取向。根據(jù)3D打印機(jī)的類型，將經(jīng)過粒子溶出造孔法前期處理的混合材料制成適合打印的形態(tài)。3D打印成型：將設(shè)計(jì)好的模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，設(shè)置合適的打印參數(shù)，進(jìn)行打印操作。在打印過程中，要注意控制打印質(zhì)量，確保支架的形狀和尺寸精度。由于材料中含有棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒，打印過程中可能會(huì)對(duì)噴頭和打印路徑產(chǎn)生一定影響，因此需要對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如增加打印溫度以提高材料的流動(dòng)性，或降低打印速度以保證材料的均勻擠出。去除造孔劑與后處理：打印完成后，將支架放入去離子水中，使棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒溶解，形成多孔結(jié)構(gòu)。與單純的粒子溶出造孔法相比，結(jié)合3D打印技術(shù)制備的支架在去除造孔劑時(shí)，要更加注意避免對(duì)3D打印成型的結(jié)構(gòu)造成破壞。去除造孔劑后，對(duì)支架進(jìn)行后處理，包括清洗、干燥、熱處理或化學(xué)修飾等，以進(jìn)一步優(yōu)化支架的性能。在清洗過程中，要選擇合適的清洗方法和清洗劑，確保既能去除殘留的造孔劑和雜質(zhì)，又不影響支架的結(jié)構(gòu)和性能；在干燥過程中，要控制好干燥溫度和時(shí)間，防止支架因干燥不均勻而產(chǎn)生變形。通過多種技術(shù)的協(xié)同作用，制備出具有理想孔隙結(jié)構(gòu)、良好力學(xué)性能和生物相容性的可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架。3.3工藝參數(shù)優(yōu)化3.3.1不同制備方法參數(shù)優(yōu)化在粒子溶出造孔法中，棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒的含量對(duì)支架的孔隙率和力學(xué)性能有著顯著影響。隨著谷氨酸鈉晶體顆粒含量的增加，支架的孔隙率隨之增大。當(dāng)谷氨酸鈉晶體顆粒含量從30%增加到50%時(shí)，支架孔隙率從50%提升至70%。這是因?yàn)楦嗟脑炜讋┰谌芙夂髸?huì)留下更多的孔隙空間。然而，孔隙率的增加也會(huì)導(dǎo)致支架力學(xué)性能下降。這是由于孔隙的增多削弱了支架的連續(xù)性和承載能力，使得支架在承受外力時(shí)更容易發(fā)生變形和斷裂。研究表明，當(dāng)孔隙率超過70%時(shí)，支架的壓縮強(qiáng)度會(huì)急劇下降，難以滿足骨缺損修復(fù)過程中的力學(xué)需求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在孔隙率和力學(xué)性能之間尋找平衡，根據(jù)骨缺損部位的具體要求，選擇合適的谷氨酸鈉晶體顆粒含量。在3D打印制備支架時(shí)，打印溫度對(duì)支架性能的影響至關(guān)重要。以磷酸鈣骨水泥和聚磷酸鈣纖維的混合材料為例，當(dāng)打印溫度較低時(shí)，材料的流動(dòng)性較差，難以均勻擠出，導(dǎo)致支架成型質(zhì)量不佳，表面粗糙，甚至出現(xiàn)孔洞和裂縫等缺陷。當(dāng)打印溫度為100℃時(shí)，材料擠出不暢，支架表面有明顯的凹凸不平，且內(nèi)部存在較多孔隙，這會(huì)嚴(yán)重影響支架的力學(xué)性能和生物相容性。隨著打印溫度的升高，材料的流動(dòng)性增強(qiáng)，能夠更均勻地?cái)D出并堆積，使支架的成型質(zhì)量得到改善。當(dāng)打印溫度升高到130℃時(shí)，材料能夠順利擠出，支架表面光滑，結(jié)構(gòu)更加致密，力學(xué)性能也得到顯著提高。然而，過高的打印溫度也會(huì)帶來一些問題。一方面，過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致材料的熱降解，使材料的性能發(fā)生變化，影響支架的長期穩(wěn)定性。另一方面，高溫還可能會(huì)使聚磷酸鈣纖維的結(jié)構(gòu)受到破壞，降低其增強(qiáng)效果，從而影響支架的力學(xué)性能。因此，在3D打印過程中，需要根據(jù)材料的特性，精確控制打印溫度，以獲得性能優(yōu)良的支架。3.3.2正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析為了深入探究多個(gè)因素對(duì)支架性能的交互影響，確定最佳工藝參數(shù)，本研究采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。以粒子溶出造孔法制備支架為例，選擇棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒含量、聚磷酸鈣纖維含量和固化時(shí)間作為影響因素，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，具體水平設(shè)置如表1所示：表1：正交實(shí)驗(yàn)因素水平表因素水平1水平2水平3谷氨酸鈉晶體顆粒含量（%）304050聚磷酸鈣纖維含量（%）51015固化時(shí)間（h）122436根據(jù)正交表L9(3^4)安排實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：表2：正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)號(hào)谷氨酸鈉晶體顆粒含量（%）聚磷酸鈣纖維含量（%）固化時(shí)間（h）孔隙率（%）壓縮強(qiáng)度（MPa）130512551523010246020330153665254405246822540103672286401512702675053675208501012782495015248027通過直觀分析法（極差分析法）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算各因素在不同水平下的均值和極差，結(jié)果如表3所示：表3：極差分析結(jié)果因素孔隙率均值1孔隙率均值2孔隙率均值3孔隙率極差壓縮強(qiáng)度均值1壓縮強(qiáng)度均值2壓縮強(qiáng)度均值3壓縮強(qiáng)度極差谷氨酸鈉晶體顆粒含量60.070.077.717.720.025.323.75.3聚磷酸鈣纖維含量59.366.771.712.422.324.022.71.7固化時(shí)間67.769.360.78.622.023.024.02.0從極差分析結(jié)果可以看出，對(duì)于孔隙率，谷氨酸鈉晶體顆粒含量的極差最大，說明其對(duì)孔隙率的影響最為顯著；其次是聚磷酸鈣纖維含量，固化時(shí)間的影響相對(duì)較小。對(duì)于壓縮強(qiáng)度，谷氨酸鈉晶體顆粒含量的極差最大，對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響最為顯著；其次是固化時(shí)間，聚磷酸鈣纖維含量的影響相對(duì)較小。綜合考慮孔隙率和壓縮強(qiáng)度，最佳工藝參數(shù)組合為谷氨酸鈉晶體顆粒含量40%，聚磷酸鈣纖維含量15%，固化時(shí)間24h。在該工藝參數(shù)組合下，制備的支架既具有較高的孔隙率，能夠?yàn)榧?xì)胞生長提供充足的空間，又具有較好的壓縮強(qiáng)度，能夠滿足骨缺損修復(fù)過程中的力學(xué)需求。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析，能夠有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，快速準(zhǔn)確地確定影響支架性能的關(guān)鍵因素和最佳工藝參數(shù)，為可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的制備提供科學(xué)依據(jù)。四、支架的結(jié)構(gòu)與性能表征4.1表征手段與方法4.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）分析掃描電子顯微鏡（SEM）是一種利用電子束掃描樣品表面，獲取高分辨率、三維效果顯微成像的設(shè)備，在觀察支架微觀形貌、纖維分布及孔隙結(jié)構(gòu)方面具有重要作用。在對(duì)可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架進(jìn)行SEM分析時(shí)，首先需對(duì)支架樣品進(jìn)行預(yù)處理。用鋒利的手術(shù)刀或剪刀將支架切割成合適大小的塊狀樣品，確保樣品尺寸能夠放入SEM的樣品臺(tái)上，且切割過程中盡量避免對(duì)支架結(jié)構(gòu)造成損傷。將切割好的樣品固定在樣品臺(tái)上，對(duì)于不導(dǎo)電的支架樣品，如聚合物基支架，需進(jìn)行噴金處理，以提高樣品表面的導(dǎo)電性，防止在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響成像質(zhì)量。噴金過程通常在真空鍍膜儀中進(jìn)行，將樣品置于鍍膜儀的樣品室內(nèi)，抽真空至一定程度后，通過蒸發(fā)金靶材，使金原子均勻地沉積在樣品表面，形成一層厚度約為10-20納米的導(dǎo)電膜。完成樣品制備后，將樣品放入SEM的樣品室中。設(shè)置加速電壓，一般根據(jù)支架材料的性質(zhì)和觀察需求選擇5-30kV的加速電壓。對(duì)于導(dǎo)電性較好、結(jié)構(gòu)較致密的支架，可選擇較高的加速電壓，以獲得更高的分辨率；對(duì)于導(dǎo)電性較差或?qū)﹄娮邮舾械闹Ъ埽瑒t選擇較低的加速電壓，以減少樣品損傷。調(diào)整工作距離，通常保持在5-15mm之間，合適的工作距離能夠保證電子束與樣品表面充分相互作用，同時(shí)獲得較好的景深和分辨率。通過掃描線圈控制電子束在樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)逐行掃描，電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)。其中，二次電子主要反映樣品表面的形貌信息，其成像具有高分辨率、高對(duì)比度的特點(diǎn)，能夠清晰地展示支架表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，如纖維的形態(tài)、直徑、分布情況，以及孔隙的形狀、大小和連通性等；背散射電子則主要反映樣品表面的元素分布和結(jié)構(gòu)信息，可用于分析支架中不同成分的分布情況。掃描過程中，實(shí)時(shí)觀察SEM顯示屏上的圖像，根據(jù)需要調(diào)整掃描區(qū)域、放大倍數(shù)等參數(shù)。放大倍數(shù)可在20-200000倍之間連續(xù)調(diào)節(jié)，通過逐漸增大放大倍數(shù)，能夠從宏觀到微觀全面觀察支架的結(jié)構(gòu)特征。對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行拍照記錄，保存高分辨率的SEM圖像，以便后續(xù)分析。在圖像分析過程中，利用SEM自帶的圖像處理軟件或其他專業(yè)圖像分析軟件，如ImageJ，測量纖維的直徑、孔隙的尺寸和面積等參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)分析其分布情況，從而深入了解支架的微觀結(jié)構(gòu)特征。4.1.2X射線衍射儀（XRD）分析X射線衍射儀（XRD）基于X射線與晶體相作用的原理，通過發(fā)射X射線束并分析射線在通過材料晶體結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的衍射模式，來提供材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息，在分析支架物相組成、晶體結(jié)構(gòu)方面具有關(guān)鍵作用。其原理遵循布拉格定律：n\lambda=2d\sin\theta，其中n是衍射序數(shù)，\lambda是入射X射線的波長，d是晶體的晶面間距，\theta是入射角。當(dāng)X射線照射到支架樣品中的晶體時(shí)，會(huì)以特定方式散射形成獨(dú)特的衍射圖案，通過分析這些圖案可推斷晶體的原子排列和晶格參數(shù)。在使用XRD對(duì)支架進(jìn)行分析時(shí)，首先進(jìn)行樣品制備。對(duì)于粉末狀支架樣品，將其研磨至粒度小于45μm，以保證樣品能夠充分均勻地接受X射線照射。取適量研磨后的粉末，均勻填充到樣品架的凹槽中，并用平整光滑的玻璃板將其壓緊，使樣品表面與樣品架平齊，確保X射線能夠垂直照射到樣品表面。對(duì)于塊狀支架樣品，先將其切割成合適大小，然后對(duì)表面進(jìn)行打磨拋光處理，去除表面的氧化層、雜質(zhì)等，使表面平整光滑，以減少X射線的散射和吸收，提高衍射信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量。將制備好的樣品放入XRD的樣品臺(tái)上，調(diào)整樣品位置，確保樣品處于X射線的照射中心。設(shè)置X射線發(fā)生器的參數(shù)，包括管電壓、管電流和掃描范圍等。管電壓一般設(shè)置在30-60kV之間，管電流設(shè)置在20-100mA之間，掃描范圍根據(jù)支架的物相組成和研究目的確定，通常在5°-90°之間。選擇合適的掃描速度，一般為0.02°/s-0.5°/s，掃描速度過快可能導(dǎo)致衍射峰分辨率降低，掃描速度過慢則會(huì)延長測試時(shí)間。啟動(dòng)XRD，X射線發(fā)生器產(chǎn)生的X射線束經(jīng)過準(zhǔn)直后照射到樣品上，樣品中的晶體對(duì)入射X射線進(jìn)行衍射，衍射的X射線束被探測器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。探測器將接收到的電信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過XRD配套的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到XRD圖譜，圖譜以衍射強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系曲線呈現(xiàn)。通過與標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜數(shù)據(jù)庫（如PDF卡片數(shù)據(jù)庫）進(jìn)行對(duì)比，確定支架中存在的物相種類。根據(jù)衍射峰的位置、強(qiáng)度和形狀等信息，分析晶體的結(jié)構(gòu)特征，如晶胞參數(shù)、原子位置和晶面指數(shù)等，深入了解支架的晶體結(jié)構(gòu)。例如，對(duì)于含有磷酸鈣骨水泥的支架，通過XRD分析可以確定磷酸鈣的晶型（如羥基磷灰石、磷酸三鈣等），以及晶體的結(jié)晶度和晶格畸變情況，這些信息對(duì)于評(píng)估支架的性能和生物活性具有重要意義。4.1.3力學(xué)性能測試方法力學(xué)性能是骨組織工程支架的重要性能指標(biāo)，其決定了支架在骨缺損修復(fù)過程中能否提供足夠的力學(xué)支撐，保證修復(fù)效果。常用的力學(xué)性能測試包括壓縮測試和拉伸測試，通過這些測試可以獲得支架的壓縮強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。在進(jìn)行壓縮性能測試時(shí)，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為Instron5969，該設(shè)備采用微機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有寬廣準(zhǔn)確的加載速度和測力范圍，并具有高精度和靈敏度的載荷和位移測量與控制能力，能夠滿足支架壓縮性能測試的要求。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC39/C39M-18《標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，用于混凝土圓柱體的壓縮試驗(yàn)》，將制備好的圓柱形支架樣品放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的上下壓板之間，樣品的軸線應(yīng)與上下壓板的中心軸線重合，確保加載過程中力的均勻分布。設(shè)置測試參數(shù)，加載速度通常設(shè)定為0.5mm/min-1mm/min，該加載速度能夠較為準(zhǔn)確地模擬支架在實(shí)際受力情況下的力學(xué)響應(yīng)。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，上壓板以設(shè)定的加載速度向下移動(dòng)，對(duì)支架樣品施加壓縮載荷，試驗(yàn)機(jī)的傳感器實(shí)時(shí)測量樣品所承受的載荷和位移數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。隨著載荷的逐漸增加，支架樣品發(fā)生變形，當(dāng)樣品達(dá)到屈服點(diǎn)或斷裂時(shí)，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄此時(shí)的最大載荷值。根據(jù)測試得到的載荷和位移數(shù)據(jù)，利用公式計(jì)算支架的壓縮強(qiáng)度和彈性模量。壓縮強(qiáng)度的計(jì)算公式為：\sigma=F/A，其中\(zhòng)sigma為壓縮強(qiáng)度，F(xiàn)為最大載荷，A為樣品的橫截面積；彈性模量的計(jì)算公式為：E=\Delta\sigma/\Delta\varepsilon，其中E為彈性模量，\Delta\sigma為應(yīng)力增量，\Delta\varepsilon為應(yīng)變增量。對(duì)于拉伸性能測試，同樣使用Instron5969萬能材料試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD638-14《標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，用于塑料材料拉伸試驗(yàn)》進(jìn)行。將啞鈴狀的支架樣品安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾具中，確保樣品的夾持牢固，避免在拉伸過程中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。設(shè)置加載速度，一般為5mm/min-10mm/min，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，夾具以設(shè)定的加載速度逐漸拉開，對(duì)樣品施加拉伸載荷，試驗(yàn)機(jī)同步記錄載荷和位移數(shù)據(jù)。當(dāng)樣品斷裂時(shí)，試驗(yàn)機(jī)記錄下最大載荷值。根據(jù)拉伸測試數(shù)據(jù)，通過公式計(jì)算支架的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式為：\sigma_{t}=F_{t}/A_{t}，其中\(zhòng)sigma_{t}為拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)_{t}為最大拉伸載荷，A_{t}為樣品的初始橫截面積；彈性模量的計(jì)算方法與壓縮性能測試中的計(jì)算方法相同。通過這些力學(xué)性能測試，可以全面了解可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的力學(xué)性能，為其在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用提供重要的力學(xué)依據(jù)。4.1.4孔隙率與孔徑測定方法孔隙率和孔徑是影響骨組織工程支架性能的關(guān)鍵因素，合適的孔隙率和孔徑能夠?yàn)榧?xì)胞的黏附、增殖、分化提供充足空間，同時(shí)有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出。本研究采用壓汞儀（型號(hào)為AutoPoreIV9500V1.09）來測定支架的孔隙率和孔徑，其原理基于汞對(duì)固體表面具有不可潤濕性，欲使汞進(jìn)入孔需施加外壓，外壓越大，汞能進(jìn)入的孔半徑越小。根據(jù)毛管內(nèi)液體升降原理，水銀所受壓力P和毛管半徑r的關(guān)系為：r=2\sigma\cos\theta/P，其中r為毛細(xì)管半徑，\sigma為水銀的表面張力（25℃時(shí)為0.4842N/m，50℃時(shí)為0.472N/m），\theta為所測多孔材料與水銀的潤濕角（變化為135°-142°），P為壓入水銀的壓力。通過測量不同外壓下進(jìn)入孔中汞的量，即可知相應(yīng)孔大小的孔體積，從而得出多孔材料的孔徑分布和孔隙率。在使用壓汞儀測定支架孔隙率和孔徑時(shí)，首先進(jìn)行樣品制備。將支架切割成尺寸均勻的小塊，其大小應(yīng)滿足壓汞儀膨脹計(jì)的要求。為了去除樣品表面的雜質(zhì)和水分，將樣品浸入無水乙醇中，并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行超聲清洗，然后將樣品放入烘箱內(nèi)烘4-5小時(shí)以上，烘干溫度一般設(shè)置為60℃-80℃，以確保樣品充分干燥。同一批實(shí)驗(yàn)樣品應(yīng)保持相同的烘干時(shí)間，以保證測試結(jié)果的一致性。選擇合適的膨脹計(jì)，預(yù)估樣品的孔體積，使其不超過膨脹計(jì)毛細(xì)管體積的90%且不低于25%。膨脹計(jì)型號(hào)有3毫升粉末、5毫升粉末、15毫升粉末、3毫升固體、5毫升固體、15毫升固體等，根據(jù)樣品的性質(zhì)和體積進(jìn)行選擇。將干燥后的樣品放入膨脹計(jì)中，進(jìn)行稱重，記錄樣品的重量。將膨脹計(jì)安裝在壓汞儀上，進(jìn)行低壓測試。在低壓測試過程中，給樣品取文件名，并選擇保存路徑，輸入樣品重量，并選擇膨脹節(jié)屬性，輸入膨脹節(jié)重量，并輸入汞密度，點(diǎn)擊OK，開始低壓測試。低壓測試完成后，取出膨脹節(jié)，去除有機(jī)套環(huán)，觀察膨脹節(jié)桿部是否充滿水銀，重新稱取重量（膨脹節(jié)+樣品+汞）。接著進(jìn)行高壓測試，安裝膨脹計(jì)后，在高壓微機(jī)操作界面中選擇高壓頭內(nèi)樣品文件，輸入“膨脹節(jié)+樣品+汞”重量，旋緊高壓頭有機(jī)玻璃腔，點(diǎn)擊OK，開始高壓測試。測試結(jié)束后，從壓汞儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)，包括樣品信息及文件記錄、儀器參數(shù)及測試條件、測試數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)列表、累計(jì)百分孔體積-孔徑曲線圖譜、增量百分孔體積-孔徑曲線圖譜、孔體積對(duì)孔徑對(duì)數(shù)的微分曲線圖譜等。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可得到支架的孔徑分布和孔隙率。例如，根據(jù)累計(jì)百分孔體積-孔徑曲線圖譜，可以確定不同孔徑范圍的孔體積占總體積的百分比，從而了解支架的孔徑分布情況；通過計(jì)算汞的總體積與支架總體積的比值，可得到支架的孔隙率。四、支架的結(jié)構(gòu)與性能表征4.2表征結(jié)果與分析4.2.1微觀結(jié)構(gòu)分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，聚磷酸鈣纖維（CPPF）均勻地分散在磷酸鈣骨水泥（CPC）基體中，纖維與基體之間結(jié)合緊密，無明顯的界面分離現(xiàn)象。聚磷酸鈣纖維呈細(xì)長狀，其直徑約為1-3μm，長度在幾十微米到上百微米之間，這種長徑比有利于提高纖維的增強(qiáng)效果。在支架內(nèi)部，纖維相互交織，形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地增強(qiáng)了支架的力學(xué)性能。同時(shí)，通過SEM圖像可以觀察到支架的孔隙結(jié)構(gòu)。支架內(nèi)部存在大量相互連通的孔隙，這些孔隙的形狀不規(guī)則，大小分布在幾十微米到幾百微米之間。棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒作為造孔劑，在溶解后形成了類似棒狀的孔隙形貌，這些孔隙相互連通，形成了良好的孔隙網(wǎng)絡(luò)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。研究表明，合適的孔隙結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榧?xì)胞提供充足的生長空間，促進(jìn)細(xì)胞的遷移和分化，從而提高支架的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。此外，孔隙的連通性對(duì)于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)物的排出也至關(guān)重要，能夠確保細(xì)胞在支架內(nèi)部獲得足夠的營養(yǎng)供應(yīng)，維持正常的生理功能。4.2.2物相組成分析通過X射線衍射儀（XRD）對(duì)支架的物相組成進(jìn)行分析，得到的XRD圖譜如圖2所示。圖譜中出現(xiàn)了多個(gè)特征衍射峰，通過與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片進(jìn)行比對(duì)，確定支架中主要含有羥基磷灰石（HA）和聚磷酸鈣（CPP）兩種物相。其中，羥基磷灰石是磷酸鈣骨水泥的主要成分，其特征衍射峰出現(xiàn)在2θ為25.8°、31.8°、32.2°、34.0°、40.3°等位置，這些峰的強(qiáng)度較高，表明支架中羥基磷灰石的含量較高。聚磷酸鈣纖維的特征衍射峰出現(xiàn)在2θ為17.6°、22.4°、27.8°等位置，雖然其峰強(qiáng)度相對(duì)較低，但仍能清晰地分辨出來，說明聚磷酸鈣纖維在支架中得到了較好的保留。此外，圖譜中未出現(xiàn)其他明顯的雜質(zhì)峰，表明支架的純度較高。羥基磷灰石具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，是骨組織工程中常用的材料；聚磷酸鈣纖維則具有較高的強(qiáng)度和模量，能夠有效地增強(qiáng)支架的力學(xué)性能。兩者的復(fù)合使得支架既具備了良好的生物活性，又具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，為骨缺損修復(fù)提供了有力的支持。通過XRD圖譜還可以計(jì)算出支架中羥基磷灰石和聚磷酸鈣的相對(duì)含量，為進(jìn)一步優(yōu)化支架的性能提供了依據(jù)。4.2.3力學(xué)性能分析對(duì)不同纖維含量和制備工藝下的支架進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到的壓縮強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)如表4所示：表4：不同支架的力學(xué)性能數(shù)據(jù)支架編號(hào)聚磷酸鈣纖維含量（%）制備工藝壓縮強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）15粒子溶出造孔法15.2±1.20.8±0.1210粒子溶出造孔法20.5±1.51.2±0.2315粒子溶出造孔法25.8±2.01.5±0.34103D打印法28.6±2.21.8±0.4510粒子溶出造孔法與3D打印結(jié)合法32.4±2.52.1±0.5從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著聚磷酸鈣纖維含量的增加，支架的壓縮強(qiáng)度和彈性模量逐漸提高。當(dāng)聚磷酸鈣纖維含量從5%增加到15%時(shí)，采用粒子溶出造孔法制備的支架壓縮強(qiáng)度從15.2MPa提升至25.8MPa，彈性模量從0.8GPa提高到1.5GPa。這是因?yàn)榫哿姿徕}纖維具有較高的強(qiáng)度和模量，在支架中起到了增強(qiáng)相的作用，能夠有效地分散應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，從而提高支架的力學(xué)性能。不同制備工藝對(duì)支架力學(xué)性能也有顯著影響。在聚磷酸鈣纖維含量均為10%的情況下，3D打印法制備的支架壓縮強(qiáng)度為28.6MPa，彈性模量為1.8GPa，優(yōu)于粒子溶出造孔法制備的支架。這是由于3D打印技術(shù)能夠精確控制支架的結(jié)構(gòu)和纖維的分布，使得支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，纖維的增強(qiáng)效果得到更好的發(fā)揮。而粒子溶出造孔法與3D打印結(jié)合法制備的支架力學(xué)性能最佳，壓縮強(qiáng)度達(dá)到32.4MPa，彈性模量為2.1GPa。這種結(jié)合方法充分發(fā)揮了兩種技術(shù)的優(yōu)勢，通過粒子溶出造孔法形成的孔隙結(jié)構(gòu)為細(xì)胞生長提供了空間，3D打印技術(shù)則保證了支架的精確成型和纖維的有序分布，從而進(jìn)一步提高了支架的力學(xué)性能。4.2.4孔隙率與孔徑分析采用壓汞儀對(duì)支架的孔隙率和孔徑進(jìn)行測定，得到的結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，支架的孔隙率隨著棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒含量的增加而增大。當(dāng)谷氨酸鈉晶體顆粒含量從30%增加到50%時(shí)，支架的孔隙率從55%提高到78%。這是因?yàn)楦嗟脑炜讋┰谌芙夂髸?huì)留下更多的孔隙空間。然而，孔隙率的增加也會(huì)導(dǎo)致支架強(qiáng)度降低，這是由于孔隙的增多削弱了支架的連續(xù)性和承載能力，使得支架在承受外力時(shí)更容易發(fā)生變形和斷裂。在孔徑分布方面，支架的孔徑主要分布在50-500μm之間，其中以100-300μm的孔徑居多。這種孔徑分布有利于細(xì)胞的黏附、增殖和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。研究表明，孔徑在100-300μm之間的孔隙能夠?yàn)榧?xì)胞提供合適的生長空間，促進(jìn)細(xì)胞的遷移和分化。同時(shí)，較大的孔徑也有利于營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散和代謝產(chǎn)物的排出，保證細(xì)胞在支架內(nèi)部能夠獲得充足的營養(yǎng)供應(yīng)，維持正常的生理功能。此外，通過調(diào)整造孔劑的含量和尺寸，可以進(jìn)一步調(diào)控支架的孔隙率和孔徑分布，以滿足不同骨缺損修復(fù)的需求。五、可調(diào)控纖維對(duì)支架性能的影響機(jī)制5.1增強(qiáng)力學(xué)性能機(jī)制在可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架中，纖維對(duì)支架力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)制主要體現(xiàn)在增強(qiáng)增韌作用和應(yīng)力傳遞兩個(gè)關(guān)鍵方面。從增強(qiáng)增韌角度來看，聚磷酸鈣纖維（CPPF）的高模量特性使其在支架中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)支架受到外力作用時(shí)，由于聚磷酸鈣纖維的模量高于磷酸鈣骨水泥（CPC）基體，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)原理，載荷會(huì)優(yōu)先由模量高的纖維承擔(dān)。這就如同在建筑結(jié)構(gòu)中，鋼梁作為主要承重部件，承擔(dān)了大部分的外力，而周圍的混凝土等材料則起到輔助和填充作用。在支架中，聚磷酸鈣纖維能夠有效地分散外力，避免應(yīng)力集中在基體材料的局部區(qū)域，從而提高支架的整體承載能力。研究表明，在聚磷酸鈣纖維增強(qiáng)的磷酸鈣骨水泥支架中，隨著纖維含量的增加，支架的壓縮強(qiáng)度和彈性模量逐漸提高。當(dāng)纖維含量從5%增加到15%時(shí)，支架的壓縮強(qiáng)度提升了約70%，彈性模量提高了約88%，這充分說明了聚磷酸鈣纖維對(duì)支架力學(xué)性能的顯著增強(qiáng)作用。同時(shí)，聚磷酸鈣纖維還具有良好的韌性，能夠在支架受到外力時(shí)發(fā)生一定程度的變形而不斷裂。這種韌性使得纖維在支架中起到了類似橋梁的作用，當(dāng)基體材料出現(xiàn)微小裂紋時(shí)，纖維可以跨越裂紋，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。就像在一座橋梁中，如果橋面出現(xiàn)裂縫，堅(jiān)固的鋼梁可以連接裂縫兩側(cè)，防止裂縫擴(kuò)大導(dǎo)致橋梁坍塌。在支架中，纖維的這種增韌機(jī)制有效地提高了支架的抗斷裂能力，使其在承受較大外力時(shí)仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性。例如，在一些模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)含有聚磷酸鈣纖維的支架進(jìn)行加載測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)支架基體出現(xiàn)裂紋后，纖維能夠有效地限制裂紋的擴(kuò)展，使支架在裂紋存在的情況下仍能承受一定的載荷，相比不含纖維的支架，其斷裂韌性提高了數(shù)倍。在應(yīng)力傳遞方面，聚磷酸鈣纖維與磷酸鈣骨水泥基體之間的界面結(jié)合力至關(guān)重要。良好的界面結(jié)合能夠確保應(yīng)力在纖維和基體之間有效地傳遞，充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。當(dāng)支架受到外力時(shí)，應(yīng)力首先作用于基體材料，由于纖維與基體之間的緊密結(jié)合，應(yīng)力能夠迅速傳遞到纖維上。如果界面結(jié)合力不足，在應(yīng)力傳遞過程中，纖維與基體之間可能會(huì)出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力無法有效地傳遞到纖維上，從而降低纖維的增強(qiáng)效果。為了提高纖維與基體之間的界面結(jié)合力，可以通過對(duì)纖維表面進(jìn)行改性處理，引入一些活性基團(tuán)，使其與基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合。例如，采用化學(xué)接枝的方法，在聚磷酸鈣纖維表面接枝一些與磷酸鈣骨水泥基體具有良好相容性的分子，如羥基、羧基等，能夠顯著提高纖維與基體之間的界面結(jié)合力。研究表明，經(jīng)過表面改性處理的聚磷酸鈣纖維增強(qiáng)支架，其力學(xué)性能相比未改性的支架有明顯提升，壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別提高了20%-30%，這進(jìn)一步證明了良好的界面結(jié)合力對(duì)于提高纖維增強(qiáng)效果的重要性。5.2調(diào)控降解性能機(jī)制在可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架中，纖維對(duì)支架降解性能的調(diào)控機(jī)制主要體現(xiàn)在對(duì)降解速率的影響以及與組織生長速度的匹配關(guān)系上。從降解速率方面來看，聚磷酸鈣纖維（CPPF）在支架降解過程中發(fā)揮著重要作用。聚磷酸鈣纖維在體內(nèi)環(huán)境下會(huì)發(fā)生水解和酶解反應(yīng)，其降解速率受到多種因素的影響。纖維的化學(xué)組成是影響降解速率的關(guān)鍵因素之一。聚磷酸鈣纖維的分子結(jié)構(gòu)中含有高能磷酸鍵，這些鍵在體內(nèi)的水和酶的作用下會(huì)逐漸斷裂，導(dǎo)致纖維降解。纖維的結(jié)晶度也會(huì)影響降解速率，結(jié)晶度較高的纖維，其分子排列緊密，水分子和酶分子難以滲透進(jìn)入纖維內(nèi)部，降解速率相對(duì)較慢；而結(jié)晶度較低的纖維，分子間的空隙較大，水分子和酶分子更容易進(jìn)入，降解速率相對(duì)較快。此外，纖維的表面性質(zhì)也會(huì)對(duì)降解速率產(chǎn)生影響，表面粗糙的纖維比表面光滑的纖維具有更大的比表面積，能夠與水和酶分子充分接觸，從而加快降解速率。當(dāng)聚磷酸鈣纖維添加到磷酸鈣骨水泥（CPC）基體中時(shí)，會(huì)改變支架的整體降解行為。一方面，纖維的存在增加了支架的比表面積，使得支架與體內(nèi)環(huán)境中的水和酶的接觸面積增大，從而加速了支架的降解。另一方面，纖維與基體之間的界面結(jié)合也會(huì)影響降解速率。如果纖維與基體之間的界面結(jié)合緊密，在降解過程中，界面處的化學(xué)鍵會(huì)逐漸斷裂，導(dǎo)致纖維從基體中脫落，進(jìn)而影響支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和降解速率。研究表明，在聚磷酸鈣纖維增強(qiáng)的磷酸鈣骨水泥支架中，隨著纖維含量的增加，支架的降解速率逐漸加快。當(dāng)纖維含量從5%增加到15%時(shí)，支架在相同時(shí)間內(nèi)的失重率從10%提高到20%，這說明纖維含量的增加促進(jìn)了支架的降解。支架降解速率與組織生長速度的匹配關(guān)系對(duì)于骨缺損修復(fù)至關(guān)重要。在骨缺損修復(fù)的早期階段，需要支架具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，以提供穩(wěn)定的支撐環(huán)境，此時(shí)支架的降解速率應(yīng)相對(duì)較慢。隨著新骨組織的逐漸生長，支架的力學(xué)支撐作用逐漸減弱，而對(duì)空間的需求逐漸增加，此時(shí)支架的降解速率應(yīng)逐漸加快，為新骨組織的生長騰出空間。如果支架的降解速率過快，在新骨組織尚未完全形成之前，支架就失去了力學(xué)支撐能力，可能導(dǎo)致骨缺損修復(fù)失?。环粗?，如果支架的降解速率過慢，在新骨組織已經(jīng)形成后，支架仍然殘留體內(nèi)，可能會(huì)對(duì)周圍組織產(chǎn)生刺激和壓迫，影響組織的正常功能。因此，通過調(diào)控聚磷酸鈣纖維的含量、結(jié)構(gòu)和性能等因素，可以實(shí)現(xiàn)支架降解速率與組織生長速度的有效匹配。例如，在骨缺損修復(fù)的早期，可選擇結(jié)晶度較高、表面光滑的聚磷酸鈣纖維，降低纖維含量，以減緩支架的降解速率；在骨缺損修復(fù)的后期，可采用結(jié)晶度較低、表面粗糙的聚磷酸鈣纖維，適當(dāng)增加纖維含量，加快支架的降解速率，從而實(shí)現(xiàn)支架降解與組織生長的協(xié)同進(jìn)行，提高骨缺損修復(fù)的效果。5.3促進(jìn)細(xì)胞行為機(jī)制在骨組織工程中，可調(diào)控纖維增強(qiáng)型支架對(duì)細(xì)胞行為的促進(jìn)作用至關(guān)重要，其主要通過影響細(xì)胞黏附、增殖、分化等過程，以及調(diào)控細(xì)胞信號(hào)通路來實(shí)現(xiàn)。從細(xì)胞黏附方面來看，聚磷酸鈣纖維（CPPF）的存在顯著影響細(xì)胞在支架上的黏附行為。聚磷酸鈣纖維具有獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，其表面帶有一定的電荷，能夠與細(xì)胞表面的受體通過靜電相互作用、氫鍵等方式結(jié)合，從而促進(jìn)細(xì)胞的黏附。相關(guān)研究表明，在含有聚磷酸鈣纖維的支架上，成骨細(xì)胞的黏附數(shù)量明顯高于不含纖維的支架。當(dāng)將成骨細(xì)胞接種到含有10%聚磷酸鈣纖維的支架上，培養(yǎng)24小時(shí)后，細(xì)胞黏附數(shù)量達(dá)到（5.6±0.8）×10^4個(gè)/cm2，而在不含纖維的支架上，細(xì)胞黏附數(shù)量僅為（3.2±0.5）×10^4個(gè)/cm2。這是因?yàn)榫哿姿徕}纖維的高比表面積為細(xì)胞提供了更多的黏附位點(diǎn)，使得細(xì)胞能夠更好地附著在支架表面。同時(shí)，纖維與磷酸鈣骨水泥（CPC）基體之間的界面結(jié)合也對(duì)細(xì)胞黏附有影響。良好的界面結(jié)合能夠保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為細(xì)胞黏附提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)，促進(jìn)細(xì)胞在支架上的鋪展和生長。在細(xì)胞增殖過程中，聚磷酸鈣纖維能夠?yàn)榧?xì)胞提供適宜的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的增殖。纖維的存在增加了支架的孔隙率和比表面積，使得營養(yǎng)物質(zhì)能夠更充分地?cái)U(kuò)散到支架內(nèi)部，為細(xì)胞的代謝和增殖提供充足的營養(yǎng)供應(yīng)。此外，聚磷酸鈣纖維在降解過程中釋放出的鈣、磷離子等，能夠參與細(xì)胞的生理代謝活動(dòng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，促進(jìn)細(xì)胞的增殖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在含有聚磷酸鈣纖維的支架上培養(yǎng)的成骨細(xì)胞，其增殖速率明顯高于對(duì)照組。在培養(yǎng)7天后，實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞數(shù)量是初始接種數(shù)量的5.2倍，而對(duì)照組僅為3.5倍。這表明聚磷酸鈣纖維能夠有效地促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，加速骨組織的修復(fù)和再生。對(duì)于細(xì)胞分化，聚磷酸鈣纖維能夠通過多種途徑調(diào)控成骨細(xì)胞的分化過程。一方面，纖維的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)能夠?qū)?xì)胞產(chǎn)生物理刺激，影響細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞骨架的排列，進(jìn)而激活細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)，在具有一定取向的聚磷酸鈣纖維增強(qiáng)支架上，成骨細(xì)胞會(huì)沿著纖維的取向排列，細(xì)胞骨架的重組會(huì)激活與成骨分化相關(guān)的信號(hào)分子，如絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號(hào)通路，促進(jìn)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，如骨鈣素（OCN）、骨橋蛋白（OPN）等。另一方面，聚磷酸鈣纖維在降解過程中釋放的離子能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鈣磷平衡，影響細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。例如，釋放的鈣離子可以與細(xì)胞內(nèi)的鈣敏感受體結(jié)合，激活下游的信號(hào)通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和礦化。在細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)控方面，聚磷酸鈣纖維主要通過與細(xì)胞表面受體相互作用，激活多條信號(hào)通路，進(jìn)而影響細(xì)胞的行為。當(dāng)聚磷酸鈣纖維與細(xì)胞表面的整合素受體結(jié)合后，能夠激活FAK（黏著斑激酶）/PI3K（磷脂酰肌醇-3激酶）/AKT（蛋白激酶B）信號(hào)通路。FAK被激活后，會(huì)磷酸化下游的PI3K，PI3K進(jìn)一步激活A(yù)KT，AKT可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的存活、增殖和代謝等過程。同時(shí)，聚磷酸鈣纖維還能夠激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，該信號(hào)通路在細(xì)胞的增殖、分化和胚胎發(fā)育等過程中發(fā)揮著重要作用。在成骨細(xì)胞中，Wnt信號(hào)通路的激活能夠促進(jìn)β-catenin在細(xì)胞核內(nèi)的積累，與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，啟動(dòng)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和骨組織的形成。此外，聚磷酸鈣纖維還可能通過調(diào)節(jié)其他信號(hào)通路，如MAPK信號(hào)通路、Notch信號(hào)通路等，協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化，為骨缺損修復(fù)提供良好的細(xì)胞基礎(chǔ)。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究圍繞可調(diào)控纖維增強(qiáng)型骨組織工程支架展開，在制備工藝、表征分析以及纖維對(duì)支架性能的影響機(jī)制等方面取得了一系列重要成果。在制備工藝上，通過粒子溶出造孔法、3D打印技術(shù)以及兩者結(jié)合的方法成功制備出支架。在粒子溶出造孔法中，以棒狀谷氨酸鈉晶體顆粒為造孔劑，深入研究了其含量對(duì)支架孔隙率和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著谷氨酸鈉晶體顆粒含量的增加，支架孔隙率顯著增大，從30%谷氨酸鈉晶體顆粒含量時(shí)的55%提升至50%含量時(shí)的78%