|《AFM》天津大学刘文广团队：3D 打印高强度超分子聚合物水凝胶( 二 )

图1.具有不同类型针头的 PCL 支架的光学显微镜图像（30 G ，内径：0.3 mm；40 G ，内径：0.4 mm；50 G ，内径：0.5 mm）在 a）4×（比例尺：1 mm） ) 和 8 倍放大倍率（比例尺：300 μm）和 b) 在 4 倍放大倍率（比例尺：1 mm）下不同的光纤间距（1000、2000 和 3000 μm）。 c) 不同类型针的 PCL 支架中纤维的理论和实际直径。 d) 不同纤维间距的 PCL 支架的孔径。 PCL-PNAGA支架的制备与表征为了分析 3D 打印 PCL 支架和 PCL-PNAGA 支架的生物力学特性，进行了单轴拉伸和无侧限压缩测试（图 2a-d）。随着纤维间距的增加，对齐的 PCL 支架和交错支架的拉伸强度和杨氏模量由于孔径更大和纤维数量减少而呈现下降趋势。此外，与对齐的 PCL 支架相比，具有较高孔隙率的交错 PCL 支架显示出拉伸性能的降低。相比之下，对齐的 PCL-1 支架表现出更高的拉伸强度 (8.50 ± 0.46 MPa)、杨氏模量 (73.50 ± 8.98 MPa) 和断裂能 (91.26 ± 10.05 MJ m-3)；而交错的 PCL-2 支架机械性能下降，拉伸强度为 3.83 ± 0.44 MPa ，杨氏模量为 22.94 ± 4.37 MPa ，断裂能为 41.06 ± 6.98 MJ m-3 。至于断裂伸长率，对齐和交错的支架都可以承受超过 2500% 的拉伸，并且在所有组中几乎相同（图 2a）。此外，抗压强度和模量也显示出明显的纤维间距依赖性行为。随着纤维间距的增加，对齐和交错支架的这两个特性都大大降低了。与对齐的 PCL 支架相比，交错的 PCL 支架具有较低的抗压强度和模量，因为它们具有更高的孔隙率和更多的 PCL 纤维交叉点分散。作为说明，对齐的 PCL-1 支架的抗压强度 (11.47 ± 1.02 MPa) 和压缩模量 (11.97 ± 1.41 MPa) 高于交错的 PCL-2 支架 (分别为 4.93 ± 0.94 MPa 和 0.53 ± 0.02 兆帕）（图 2b）。
图2. 具有不同纤维间距的对齐和交错的 PCL 支架和 PCL-PNAGA 支架的机械性能。 a) PCL 支架和 c) PCL-PNAGA 支架在单轴拉伸试验中的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和断裂能；b) PCL 支架和 d) PCL-PNAGA 支架在无侧限抗压试验中的抗压强度和压缩模量。 e) 极限应力和 f) PCL-PNAGA 支架第 10 次循环在 10%、20%、30%、40% 和 50% 应变的循环拉伸加载-卸载测试中的耗散能量，分别为 10 个循环。 g) 极限应力和 h) PCL-PNAGA 支架第 10 次循环在 10%、20%、30%、40% 和 50% 应变的循环压缩加载-卸载测试中的耗散能量，分别为 10 个循环。 PCL支架和PCL-PNAGA支架的力学性能为了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力学性能，进行了单轴拉伸和无侧限压缩试验(图2a-d) 。从拉伸应力-应变曲线可以看出，所有支架都经历了弹性变形、屈服、变形发展、应变硬化和逐渐破坏五个阶段。随着纤维间距的增大，排列式PCL支架和交错式PCL支架的抗拉强度和杨氏模量均呈下降趋势，原因是支架孔径增大，纤维数量减少。随着纤维间距的增加， PCL-PNAGA支架的拉伸强度和杨氏模量也出现了类似的下降。然而，当单体浓度为30 wt%时， PCL-PNAGA支架的抗拉强度和杨氏模量均比PNAGA水凝胶提高了约两个数量级(0.95±0.04 MPa 0.15±0.01 MPa) 。特别是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝胶更高的杨氏模量，可以满足半月板置换的要求。尽管它们的力学性能在拉伸强度和杨氏模量方面不如原生半月板，但PCL-PNAGA支架具有足够的强度来维持结构的完整性，并发挥荷载传递的功能。
图3.ae) 对齐和 cg) 交错 PCL-PNAGA 支架的抗疲劳性能，循环拉伸 (ac) 和压缩 (eg) 加载-卸载测试 1000 次。 bdfh) 计算第一个循环和每 100 个循环对应的极限应力和耗散能量。在所有循环中固定最大应变为 30% 。
图4.a) 3D 打印的 PCL 半月板支架和 PCL-PNAGA 半月板支架的示意图和照片（比例尺：1 厘米）。 b）PCL-PNAGA半月板支架沿径向和周向拉伸的拉伸应力-应变曲线，以及c）相应的拉伸强度和杨氏模量。数据表示为平均值 ± SD 。 n = 5 。 d）PCL-PNAGA半月板支架沿轴向压缩的压缩应力-应变曲线。 e) PCL-PNAGA半月板支架的抗疲劳性能进行了1000个循环的循环压缩加载-卸载测试， f) 计算了第一个循环和每100个循环对应的极限应力和耗散能量。在所有循环中固定最大应变为 30% 。 g) 在 PCL 半月板支架和 PCL-PNAGA 半月板支架上培养 1 天和 3 天后小鼠胚胎成纤维细胞 (L929) 的细胞活力。数据表示为平均值 ± SD ，n = 6 。为了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性，研究者也对其力学性能进行了评估。如图4b、c所示，半月板支架的周向抗拉强度为3.40±0.19 MPa ，杨氏模量为20.15±1.37 MPa ，径向抗拉强度为1.41±0.08 MPa ，杨氏模量为10.43±1.54 MPa 。这表明它可以很好地承受周向和径向的拉力，以避免膝关节的径向和纵向撕裂。