具有抗菌和成骨功能的3D打印PLA/胶原-米诺环素-纳米羟基磷灰石复合支架

3D打印科研前沿
2021
02/25
17:27
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供稿人:郑纪豹,李涤尘 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室 

PLA材料具有良好的生物相容性和力学性能,作为骨替代材料已以通过美国国家药监局(FDA)的认证,在临床应用中PLA已被用来代替不锈钢作为新型的骨科固定材料。通过3D打印技术制备PLA多孔骨支架能够有效促进养分的传输以及成骨细胞的增殖。由于PLA材料疏水的表面会导致支架表面细菌的粘附和生物膜的形成,进而造成支架周围组织的感染以及抑制新骨的生成。为克服上述3D 打印PLA多孔支架的缺点的,葡萄牙的Ana F. Bettencourt 团队提出在PLA支架表面制备胶原涂层,其中胶原中分别含有盐酸米诺环素(MH)和柠檬酸-羟基磷灰石纳米颗粒,以提高支架的抗菌和成骨功能。

复合材料支架制备过程中,首先使用挤出打印的方式制备PLA支架,将所打印的PLA支架浸入NaOH/乙醇(1:1)的混合溶液中搅拌4小时并使用去离子水冲洗,然后分别将支架浸入胶原(5mg/mL)溶液、胶原(5mg/mL)/盐酸米诺环素溶液(0.5mg/mL)、胶原(5mg/mL)/柠檬酸-羟基磷灰石(5mg/mL)溶液搅拌24小时后烘干,分别制备成为PLA-Col, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA 支架。

如图1所示,通过Micro-CT检测发现所打印支架内部具有较好的连通结构,支架孔径和横梁分别为为1000μm±30和440±20μm,支架通过涂层改性后表层为淡黄色,所制备PLA, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA三种支架具有相近的孔隙率,分别为56.5%, 55.4% 以及57.1%。改性前后支架的力学性能与松质骨力学性能接近,强度和模量分别在11.2~13.6 MPa 和 150~200MPa 范围内。纯PLA支架的亲水角为45 ± 2°,改性后PLA-Col, PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架的亲水角分别下降至12 ± 6°, 15 ± 3°, 17 ± 4°。

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图1. 支架改性后支架特性测试结果
测试PLA-Col-MH或PLA-Col-MH-cHA 两种支的米诺环素的释放情况,如图2所示,两种支架在一个小时之内米诺环素呈现爆发式释放,随后的4~24小时内米诺环素释放较为缓慢,24小时后PLA-Col-MH或PLA-Col-MH-cHA最终的米诺环素的释放量分别为136.2±15.0μg/g和 155.4±10.8μg/g。对所制备支架进行金黄色葡萄球菌的抗菌测试,结果表明PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架能够有效抑制细菌生长,其抑制区直径约为26 mm,接近阳性对照抑制区29毫米。而蒸馏水阴性对照和添加米诺环素的PLA-Col支架没有观察到抑制区。通过SEM评估葡萄球菌在支架上的生长情况。发现PLA-Col支架表面完全被金黄色葡萄球菌生物膜覆盖,载有目米诺环素的支架显示出明显的抗菌功能。在PLA-Col-M或PLA-Col-MH-cHA支架顶部均未检测到葡萄球菌细胞,说明承载米诺环素的支架具有良好的抗菌功能。

通过在支架表面培养充质干细胞探究改性支架的生物相容性,细胞培养2天和10天后使用SEM观察细胞形态,如图2所示,发现PLA-Col支架上的细胞呈现出扁平的形态,而在PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架上细胞呈现出更为细长的形态,且有伪足的突起与延伸与支架直接相连。说明改性后的支架更利于充值干细胞的贴附与分化。同时通过测试发现PLA-Col-MH和PLA-Col-MH-cHA支架的RUNX、OCN和OPN成骨蛋白的表达显著提高。

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图2.改性支架抗菌及生物相容性测试结果
文本通过3D打印和后期改性获得了PLA/胶原蛋白-米诺环素-纳米羟基磷灰石支架。所制备支架同时具有抗菌和成骨功能,而不会对人体充质干细胞干细胞活性产生副作用,可增强细胞粘附,增殖和成骨分化等能力,同时保持了与小梁骨匹配的形态和机械特性。

参考文献:
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.


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