骨修复多孔支架复合材料的力学强度和生物行为的实验测量与模拟

1. 导读

  许多骨折和骨伤需要骨替代物或骨填充物，通常是水凝胶或支架，以修复骨组织，但目前还没有可以提供与真正骨骼相似的足够强度的材料。例如，强度较高的金属合金，如镁和钛板，比骨骼硬度大得多，其弹性模量是骨骼的100到300倍。因此，当这些材料与骨骼接触时，由于大部分应力施加在生物材料上，骨组织的自然再生过程逐渐受到干扰和破坏，这可能导致生物材料植入失败。因此，解决这个问题的一种技术是使用复合材料，其基质或基基质的弹性模量低于骨骼，例如聚乙烯，而分散相的弹性模量高于骨骼，例如羟基磷灰石（HA）或生物活性玻璃（BG）。陶瓷制成的人工骨骼用途更有限，主要与移植骨骼结合使用。最近，应用添加制造工艺来构建类似于骨骼多孔和致密部分的复杂结构，可以通过使用3D打印技术实现。

  然而，使用3D打印不能满足类似的几何形状，需要一些新技术，如冷冻干燥和电纺技术，来涂覆3D支架与天然聚合物。3D打印方法构建三维支架具有不同的设计，由于其增加的强度和耐受各种负荷条件的能力。 3D打印技术可以用于制造形状和几何构造不同的不同结构。为了制造适用于骨组织替代的合适支架，多孔骨的最重要研究之一是其不同层次和生物反应。骨层由具有特定功能和功能的若干完全不同的部分组成。这些部分和层次具有自己所需的功能，在缺少每个层次时，可能会为骨骼功能创建特殊的缺陷。Natalia等人研究了使用新型快速原型制造过程制备的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）药物递送支架。水凝胶是高度水化的聚合物网络，用于3D打印技术中的支架。这些水凝胶基质是天然或合成聚合物，为细胞提供了附着的支持环境。他们得出结论，水凝胶强调细胞存活。此外，他们进行了用于骨髓基质（BMS）移植的柔软、耐用和有结构的纤维研究。他们的研究侧重于骨髓基质移植。此外，他们研究了各种水凝胶以保持骨髓的活力，并制备了不同直径的支架。结果显示，挤出的细胞存活并类似于之前的挤出样品。发现具有合适骨架系统的3D支架适合用于带有不同类型细胞的骨生长移植。骨支架必须具有足够的孔隙度和互联性，以允许细胞生长和营养交换。此外，基材料的性质，包括生物相容性和吸收性，对多孔骨支架的设计至关重要。此外，骨支架必须具有适当的化学表面和足够的力学性能，以满足其应用需求。到目前为止，已经研究了合成和天然聚合物作为骨组织工程应用的支架，然而，尚无研究使用3D打印和冷冻干燥技术制备多孔支架。

  如今，有限元方法的改进和其印象深刻的发展吸引了许多研究人员使用这种方法来解决数值问题和研究问题标准。在最近的几十年中，由于有限元方法（FEM）的出现，许多研究人员使用视觉和分析模拟来研究各种问题，这些问题相对于实验程序成本较低。 FEM的主要用途之一是研究材料的机械和物理参数，例如有效弹性常数、抗压强度，甚至磁性行为，以找到研究问题（例如支架、组织工程和生物医学工程）的最佳候选者。数值分析得到的结果帮助研究人员在实验过程开始之前更全面和精确地了解问题标准。为了分析两相或多相复合材料，使用代表性体积元素（RVE）是适当的。正确的RVE支持和帮助根据所需的应用程序预测所需复合材料的机械性能。在复合材料理论中，RVE是可以进行测量的最小体积，其测量结果可代表整个模型。DIGIMAT是生成具有随机分散颗粒和纤维的基体内部的RVE模型的有用工具。此外，为了研究和评估RVE的机械性能，模型在周期边界条件（PBCs）或Dirichlet边界条件（DBC）下进行了研究。此外，它有助于将数值方法得到的机械性能与实验方法进行比较，并研究数值和实验结果之间的误差。此外，在评估机械性能后，为了研究抗压应力，创建了一个圆柱形支架模型，并导入到ABAQUS有限元软件中。为了研究生物材料的杨氏模量、硬度、工作硬化指数和应变速率敏感性等小尺度参数，样品在纳米压痕测试下进行了测试。此外，根据纳米压痕试验的进展，得到的结果有助于更好地了解生物材料的特性。此外，为了研究生物材料的强化，预测生物材料在外部加载影响下的行为是必要的。在这种情况下，导出了每个模型在单一加载和卸载条件下的载荷与位移的图形。这项工作的主要目标是通过数值方法研究涂覆在3D打印多孔支架上之前的海藻酸盐-HA生物材料。此外，通过数值和实验过程研究了支架的机械行为和材料表征，还进行了纳米压痕测试和单轴压缩测试。此外，在数值和实验结果的比较后，优化的样品被报告为生物医学应用的候选样品。

  鉴于此，伊朗自由大学Davood Toghraie等人采用熔融沉积成型（FDM）的方法，使用聚乳酸（PLA）材料，制备了多孔骨支架的3D打印。随后，使用冷冻干燥技术，将制备好的3D支架涂覆了含有不同量羟基磷灰石（HA）的海藻酸盐。在制备了新型功能分级材料支架之后，对其机械强度和生物行为进行了研究。使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析对形态和晶相特性进行了表征。多孔支架的结构采用ABAQUS分析方法进行了模拟，并提取了其机械和物理性质。此外，所有样品在逐渐增加的HA纳米颗粒对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌悬浮液的抗菌性能方面均表现出很强的抗菌性。这些生物纳米复合材料与血液的pH值相容。总的来说，研究发现，最合适的生物纳米复合材料是含有10% HA纳米颗粒的样品。弹性模量随HA纳米颗粒的添加从350MPa增加到394MPa，而孔隙率从44%减少到36%。随着30% HA纳米颗粒的添加，抗压强度从25.2MPa增加到32.7MPa。研究结果表明，本研究制备的生物纳米复合材料具有适用于骨替代物进一步开发的理想机械性能。从数值方法报告的海藻酸盐/HA材料性质与实验结果具有可接受的一致性。此外，数值研究表明，随着30% HA纳米颗粒的添加，支架的抗压强度从22.8MPa（S1）增加到31.2MPa（S4）。纳米压痕测试说明，随着30% HA纳米颗粒的添加，压入物的穿透深度从82.163纳米减少到69.338纳米。因此，PLA-海藻酸盐/20% HA（S3）和PLA-海藻酸盐/30% HA（S4）具有最佳的机械性能。尽管S4在生物学上的优势较低，但考虑到其在骨科应用中的较低生物学优势，选择PLA-海藻酸盐/20% HA（S3）作为合适的生物纳米复合材料。相关工作以“Experimental measurement and simulation of mechanical strength and biological behavior of porous bony scaffold coated with  alginate-hydroxyapatite for femoral applications”发表在《Composites Science and Technology》上。

                                            2. 图文速递

图1. PLA聚合物制备并模拟的多孔支架的示意图，涂覆有海藻酸盐-羟基磷灰石，使用冷冻干燥技术制备。

图1显示了使用PLA基底结构并涂覆不同含量HA纳米颗粒的多孔复合支架的制备示意图。样品进行了机械测试，所得结果与模拟部分的值进行了比较，然后进行了优化。如图1所示，含有20 wt%的样品3具有最佳化和最大强度。XRD图谱用于研究晶态和非晶态材料的结构。在特定条件下，XRD方法可以用于确定晶体的尺寸。它还用于识别薄膜多层结构中的晶体相及其位置。在这项研究中，使用HA和海藻酸盐等材料制备了复合涂层，并使用3D打印机制备了PLA支架。根据所使用的材料，根据这个分析评估和确认了上述材料的有效性。Kumer等人使用自由形式制造具有三维结构的PCL纳米纤维。由于缺乏三维结构和适当的表面性质，所制备的支架不能支持培养细胞以实现细胞的正常行为。图2(a和b)显示了用于涂层组分的HA纳米颗粒和作为基础基质的PLA聚合物的XRD图谱。XRD峰表示具有高纯度和小于100 nm尺寸的球形的尖锐峰。

图2(a和b)显示了由3D打印技术制备的支架中使用的HA和PLA聚合物的XRD。首先，使用SEM工具拍摄了试件，以比较孔洞的外观和形状以及它们的物理性质。

图3(a-d)展示了涂覆有不同含量HA的海藻酸盐-HA纳米复合物的多孔支架的SEM图像。SEM图像表明，随着HA的添加，孔隙度降低，样品的抗压强度从25.2 MPa增加到32.7 MPa。图4(d)中的壁和颗粒的化学键证明了适当的化学和物理键。涂覆在支架表面的HA纳米颗粒被提出作为差异机械性能的原因。在表面形成HA层可以均匀。两种机制下的磷灰石的形成是由表面的能量和溶液的化学组成决定的，而溶液的化学组成对所有复合材料都是相同的。使用XRD和SEM共同确定了材料的化学组成和表面性质。另一方面，表面磷灰石的形成是不均匀的。因此，由于在冻干技术制备的复合材料表面上存在更多的HA纳米颗粒，可以为纳米复合材料表面的磷灰石的形成创造更多位点。此外，通过SEM图像证明了孔隙度的下降趋势，并在抗压强度数据表示中显示了增加的值。图6显示了浸泡在SBF和PBS中28天后孔隙度对生物活性和降解速率的影响的比较。此外，样品的润湿性研究与粗糙度值相关，表明随着粗糙度的增加，旋转速率增加得太快。抗菌试验的结果显示，金黄色葡萄球菌对海藻酸盐-HA生物纳米复合支架的抵抗较大肠杆菌较低。尽管HA纳米颗粒对细菌的确切作用机制和该化合物抗菌效应的潜在趋势尚未被阐明，但已报道细胞膜异常和氧化应激。HA复合支架没有在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的培养基中产生生长氛围，但在培养基中观察到了不生长的海藻- HA纳米颗粒复合支架周围的氛围。大肠杆菌和金黄色葡萄球菌培养基中生长氛围的直径分别为20和30 μm。

图2. HA纳米颗粒和PLA聚合物的XRD图谱。

图3. PLA聚合物制备的多孔支架的SEM图像，涂覆有海藻酸盐-羟基磷灰石，使用冷冻干燥技术，含有(a) 0 wt%，(b) 10 wt%，(c) 20 wt%，和(d) 30 wt% HA纳米颗粒。

图4. 在四种不同重量百分比下，生成的两相海藻酸盐/HA的RVE（代表性体积元素）和网格模型，分别为S1、S2、S3和S4。

Alginate/HA复合材料以不同的HA重量百分比使用DIGIMAT-FE生成，这是由e-Xstream Engineering S.A.生产的商业DIGIMAT软件平台的有用工具。该软件根据微观结构参数（如密度、杨氏模量、泊松比等）创建RVE（代表性体积元素），即RVE中HA的形状被视为球形，其直径在50纳米范围内。Alginate/HA纳米复合材料以六种不同的重量百分比生成，包括纯海藻酸盐（S1）、海藻酸盐/10 wt% HA（S2）、海藻酸盐/20 wt% HA（S3）和海藻酸盐/30 wt% HA（S4）。HA纳米颗粒在三维空间内随机分散在海藻酸盐基质内。图4展示了不同重量百分比的海藻酸盐/HA RVE。海藻酸盐基质被视为各向同性、弹性和均匀的，而HA被视为弹性和各向同性的材料。

图5. S1) 0 wt% HA、S1) 10 wt% HA、S3) 20 wt% HA和S4) 30 wt% HA的等效VMS（体积平均应力）。

在这一部分中，研究了具有不同HA纳米颗粒重量百分比的PLA支架，这些支架具有海藻酸盐/HA涂层层。支架的几何形状由达索系统（Dassault Systems）的CATIA生成，支架直径、支架高度和多孔直径分别考虑为6毫米、12毫米和0.5毫米。此外，海藻酸盐/HA涂层层厚考虑为50微米，涂在PLA支架上。图5展示了PLA-海藻酸盐/HA支架模型，该模型被导入至Dassault Systemes生产的有限元分析软件ABAQUS CAE中进行进一步的力学分析。ABAQUS CAE是一款出色的有限元分析软件，能够解决各种线性和非线性问题，并具有可接受的准确性。为了研究支架的压缩应力，模型在150 MPa的条件下进行了压缩。图6展示了S0）PLA支架、S1）PLA-海藻酸盐、S2）PLA-海藻酸盐/10 wt% HA、S3）PLA-海藻酸盐/20 wt% HA和S4）PLA-海藻酸盐/30 wt% HA的等效Von Mises应力（VMS）和位移（U）。S4的支架位移比S1减少了超过5％，而S4的VMS（约31.2 MPa）比S1的VMS（约22.8 MPa）增加了8.4±0.5 MPa。

图6. RVEs中的海藻酸盐/HA复合材料在周期边界条件（PBC）下的等效Von Mises应力。

图7. PLA/海藻酸盐-羟基磷灰石支架。

图8. （a） PLA/海藻酸盐-羟基磷灰石支架的Von Mises应力，（b）PLA/海藻酸盐-羟基磷灰石支架的位移，S0）纯PLA，S1）PLA/海藻酸盐，S2）PLA/海藻酸盐-10 wt% HA，S3）PLA/海藻酸盐-20 wt% HA和S4）PLA/海藻酸盐-30 wt% HA。

图9. 纳米压痕工具和伯克维奇压头的示意图。

图9展示了纳米压痕试验仪以及伯克维奇压头的几何形状。实验和数值研究都使用了200 μN的压头力进行了调查。图10显示了PLA/海藻酸盐-羟基磷灰石复合材料的原子力显微镜（AFM）和有限元分析（FEM）结果，分别由实验和数值方法得出。图17(a)显示了实验过程中获得的纳米压痕穿透深度分析。此外，图17(b)展示了通过数值和实验方法获得的PLA/海藻酸盐-羟基磷灰石复合材料的压头穿透深度的比较。结果表明，通过实验方法获得的压头穿透深度随着30 wt% HA的添加从80.163纳米（S1）减少到69.338纳米（S4）。此外，有限元分析报告，随着30 wt% HA的添加，压头穿透深度从78.265纳米（S1）减少到65.453纳米（S4）。因此，PLA/海藻酸盐-30 wt% HA（S4）在S1、S2和S3中具有最高的强度。Jung等人进行了一项关于在骨骼器官中使用进展性设计模式的研究。他们使用3D生物打印技术将载有细胞的生物墨水涂覆在多孔结构上。在他们的研究中，他们注意到能够将细胞和细胞外基质（ECM）成分的定义模式打印到简单生物组织工程的三个维度中。然而，生物打印固体器官的性能超出了当前生物生产技术的能力。

图10. 海藻酸盐/HA复合材料的塑性变形区域：FEM（a、c）和（e、g），以及EXP：（b、d）和（f、h），在不同的样品S1、S2、S3和S4中。

图11. a）PLA/海藻酸盐（S1）压痕穿透，b）EXP和FEM的压痕穿透比较。

3. 小结

在这项研究中，海藻酸盐-HA生物材料涂覆在PLA丝上，打印成圆柱形。对含有不同量HA纳米颗粒的多孔涂层支架进行了机械和生物分析。从机械测试获得的数值插入到FEM模型中，用于预测具有不同孔隙度的结构的机械性能。此外，在数值和对实验结果的比较之后，优化的样品被报告为生物医学应用的候选样品。数值分析结果表明，PLA/海藻酸盐-30 wt% HA具有最高的强度，同时对其他样品的压痕穿透最低。此外，通过PBC获得的海藻/HA材料性质与实验方法报告的海藻/HA性质具有可接受的一致性。多孔支架的结构使用ABAQUS分析方法进行了模拟，并提取了它们的机械和物理性质。此外，观察到了所有样品的细胞性质随着HA纳米颗粒的增加而增强。这些生物纳米复合材料与血液的pH兼容。总的来说，发现最适合的生物纳米复合材料是含有10 wt% HA纳米颗粒的样品。弹性模量由于HA纳米颗粒的添加从350 MPa增加到394 MPa，而孔隙度百分比从44%减少到36%。随着30 wt% HA纳米颗粒的添加，抗压强度从25.2 MPa增加到32.7 MPa。所获得的结果表明，制备的生物纳米复合材料具有良好的机械性能，适用于进一步开发具有理想机械性能的骨替代材料。数值方法报告的海藻/HA材料性质与实验结果具有可接受的一致性。此外，数值研究表明，随着30 wt% HA纳米颗粒的添加，支架抗压强度从22.8 MPa（S1）增加到31.2 MPa（S4）。纳米压痕测试解释了随着30 wt% HA纳米颗粒的添加，压痕穿透从82.163 nm减少到69.338 nm。因此，在机械性能方面，PLA-海藻酸盐/20 wt% HA（S3）和PLA-海藻酸盐/30 wt% HA（S4）表现出最佳性能。尽管S4相对于S3的生物优势较低，但在这项研究中选择了PLA-海藻酸盐/20 wt% HA（S3）作为适用于生物纳米复合材料。