聚乳酸（PLA）是骨组织工程领域中一种有吸引力的材料，但其降解缓慢且呈酸性、有限的亲水性和适度的抗压性能限制了其临床转化。在本研究中，研究人员将PLA与氢氧化镁（Mg(OH)2；0.5–2 wt.%）和纳米羟基磷灰石（nHA；5 wt.%）进行复合，并通过熔丝制造（Fused Deposition Modeling，FDM）工艺制备支架，旨在缓冲降解过程、改善润湿性并增强力学性能。研究人员对复合材料进行了物理化学（接触角、在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中的质量损失）、力学（压缩和拉伸）以及体外（MG-63细胞活力）检测。结果表明：引入Mg(OH)2和nHA使接触角从71.5°（PLA）降低至49.7°（PLA2-5），60天质量损失从约2%增加至15.52%（PLA2-5），并有效缓冲了局部酸性环境。压缩强度从9.37 MPa（PLA）提升至27.55 MPa（PLA0.5-5），而压缩模量达到了281.34 MPa（PLA2-5）。MG-63细胞活力保持在较高水平（例如，PLA0.5-5为98.36%），在最高Mg(OH)2含量下略有下降（PLA2-5为88.76%）。Mg(OH)2与nHA的协同掺入显著增强了PLA支架的亲水性、降解缓冲能力和力学性能，其中PLA0.5-5组分表现出最佳的综合平衡。
本研究旨在解决纯聚乳酸（PLA）作为骨组织工程支架材料所面临的固有局限性。骨骼在人体生理中扮演关键角色，骨疾病是主要的健康问题。创伤、退行性疾病、先天缺陷及肿瘤切除常导致临界尺寸骨缺损（通常大于2 cm），其无法自愈，需要临床干预。传统的治疗方法如使用惰性金属装置、自体骨或异体骨移植，但存在二次手术、供区病变及疾病传播风险等问题。因此，研发安全、有效的骨再生支架成为研究热点。理想的骨支架需在结构、力学和生物学特性上模拟天然骨组织。3D打印技术的发展使得制备具有多孔复杂结构、可模拟天然骨组织的定制化骨组织成为可能，这对于骨再生和细胞增殖至关重要。PLA作为一种可生物降解的热塑性聚合物，具有良好的力学性能、打印性和生物相容性，在骨组织工程中具有应用潜力。然而，其疏水性本质以及降解过程中产生的过量酸性产物会引起局部炎症，不利于天然骨细胞增殖。为克服这些缺陷，研究人员尝试向PLA中添加金属和生物陶瓷粉末以制备适合骨组织工程应用的聚合物复合材料。
在此背景下，镁（Mg）因其密度和弹性模量与天然骨相似，且具有生物相容性和可降解性而备受关注。与会释放氢气气泡的镁和氧化镁不同，氢氧化镁（Mg(OH)
2）在体内可安全降解，并能中和聚合物降解产生的酸性产物、增强成骨细胞活性、减轻炎症反应并提高力学强度。羟基磷灰石（HA）是人体骨骼的主要无机成分，具有优异的生物相容性和骨传导性，是骨组织工程中常用的生物陶瓷填充材料。尽管现有文献广泛探讨了二元PLA/nHA或PLA/Mg(OH)
2体系，但将二者协同引入3D打印支架的研究尚不充分。为解决纯PLA缺乏骨传导性及其酸性降解产物引发的局部炎症问题，研究人员提出了一种新颖的三元复合体系。在该设计中，nHA提供了骨再生必需的骨传导特性，而不同比例的Mg(OH)
2的引入则发挥了关键双重作用：缓冲和中和PLA的酸性降解产物，并主动加速其降解速率。此外，研究人员成功地将该复合材料制备成定制化的打印线材，利用3D打印技术（挤出沉积建模）制造了具有增强生物学和结构性能、个性化、力学坚固的多孔支架，用于骨组织工程。研究不仅确定了不同复合材料的最佳力学和生物学性能，还探究了其力学和热学性能、亲水性、表面形貌和成骨活性。通过运用3D打印技术并制备具有良好力学和生物学性能的新型聚合物复合材料，可以为骨缺损的个性化、工程化修复提供新的解决方案。
研究人员首先通过溶液共混法制备了复合材料膜。将PLA线材切碎、干燥后溶解于氯仿中，加入特定比例的Mg(OH)
2和nHA粉末，经超声分散和磁力搅拌混合均匀，最终蒸发溶剂得到复合膜并裁剪为3D打印的线材原料。复合材料的组成包括纯PLA以及分别添加0.5%、1%、2% Mg(OH)
2的二元复合材料，以及在上述基础上再添加5% nHA的三元复合材料。随后，利用生物打印机通过熔丝制造（FDM）工艺，依据设计参数打印出支架、拉伸和压缩试样等三维模型。研究采用了一系列关键表征方法：使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线（EDX）光谱分析支架的微观结构和填料分布；通过水接触角测量评估材料的亲水性；利用差示扫描量热法（DSC）分析材料的热行为；通过在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中进行60天的浸泡实验，监测支架的质量损失和浸泡液pH值变化以评估其降解行为；最后，使用电子万能试验机依据ASTM标准测试了材料的拉伸和压缩力学性能，并通过MTT法评估了支架对人骨肉瘤细胞系（MG-63）的细胞毒性。样本队列来源于购自Sigma–Aldrich公司的MG-63细胞系。
研究结果如下：
**微观结构表征**：通过FDM工艺成功制备了具有50%填充率的多孔支架，其设计旨在模拟天然骨组织的孔隙结构以促进生物降解和细胞生长。SEM图像显示支架具有均匀的纤维结构和约0.4 mm的平均孔径。实际测量的孔隙率略低于理论值（约50%），这归因于熔融挤出过程中复合材料的膨胀-溶胀效应，其中无机颗粒的加入增加了熔体粘度，从而加剧了该效应。EDX映射证实了Mg(OH)
2和nHA在PLA基质中的分散情况，但当颗粒含量过高时，会发生团聚，可能在打印模型内部形成缺陷。
**热行为分析**：DSC测试表明，纯PLA在约105-110°C表现出冷结晶行为。添加微米级的Mg(OH)
2颗粒后，无论含量多少，均抑制了冷结晶过程。这是因为这些颗粒增加了复合材料的粘度，限制了分子链的移动性。此外，Mg(OH)
2的加入使PLA的玻璃化转变温度（T
g）降低了约10°C。添加5% nHA对热性能无显著影响。计算得到的结晶度显示，填料的加入使PLA的结晶度略有提升，这归因于nHA表面和Mg(OH)
2提供的异相成核效应。
**亲水性与降解性能**：亲水性是影响骨整合的关键因素。纯PLA的水接触角为71.5°，处于疏水与亲水之间。Mg(OH)
2的加入显著降低了接触角，且降低幅度随含量增加而增大；进一步添加nHA使接触角降至最低49.7°（PLA2-5），证实了二者协同改善亲水性的效果。在60天的静态PBS降解实验中，纯PLA的pH值变化很小，质量损失仅约2%。而复合材料支架，特别是含有适量Mg(OH)
2的组分（如PLA0.5, PLA1, PLA0.5-5, PLA2-5），能将浸泡液pH值稳定在7.4至7.96的弱碱性范围内，有效缓冲了PLA降解产生的酸性环境，为骨细胞再生提供了稳定的pH条件。同时，复合材料的降解速率（质量损失）也显著增加，PLA2-5的质量损失达到15.52%。研究指出，在静态环境中评估降解行为代表了一种“最坏情况”，即酸性产物不会被持续冲走，在此条件下Mg(OH)
2仍能稳定pH值，有力证明了其高效中和能力。
**力学性能**：力学性能对于骨组织工程至关重要。拉伸测试显示，纯PLA表现出一定的延展性，而复合材料则表现出脆性断裂特征。适量Mg(OH)
2（0.5%和1%）的添加提高了拉伸强度，但2%的含量使其变脆，强度下降。nHA的加入在所有Mg(OH)
2含量下均能提升拉伸强度，PLA1-5达到22.41 MPa，较纯PLA提高66.7%。压缩性能测试表明，复合材料的压缩强度和模量均优于纯PLA。PLA0.5-5的压缩强度最高，为27.55 MPa，较纯PLA（9.37 MPa）提升66%。PLA2-5的压缩模量最高，为281.34 MPa，较纯PLA提升52%。研究指出，当前50%填充率下支架的压缩强度（12.8-27.55 MPa）满足松质骨的力学要求，通过提高填充率可进一步提升强度，以适用于承重更大的皮质骨应用场景。液氮脆断断面的SEM图像显示，添加0.5% Mg(OH)
2使断裂表面更粗糙，表明其增强作用；而2% Mg(OH)
2则导致明显的孔洞和团聚，形成缺陷区域。
**细胞粘附与活力**：细胞粘附对骨组织工程中前成骨细胞的存活、增殖和分化至关重要。SEM观察显示，纯PLA表面细胞呈圆形，铺展不佳。而随着材料亲水性的提高（添加Mg(OH)
2和nHA），细胞在支架表面的粘附显著改善，细胞广泛铺展并有效增殖。MTT法细胞活力测试表明，所有支架材料的细胞活力均超过90%（除PLA2和PLA2-5外），表明其均无细胞毒性。纯PLA的细胞活力为91.05%，而PLA0.5-5达到最高的98.36%。PLA2和PLA2-5的细胞活力略有下降（分别为87.45%和88.76%），这可能与高含量Mg(OH)
2颗粒团聚导致局部pH值过高有关。
研究讨论部分指出，Mg(OH)
2和nHA的协同掺入是解决PLA在骨组织工程中局限性的有效策略。Mg(OH)
2不仅通过提供羟基离子有效缓冲了PLA降解的酸性产物，稳定了微环境pH值，还加速了材料的降解速率，并与nHA共同增强了支架的亲水性和力学性能。nHA则主要贡献了骨传导性和力学增强。研究发现，PLA0.5-5组分（含0.5% Mg(OH)
2和5% nHA）在力学性能（如最高的压缩强度）和细胞相容性（最高的细胞活力）之间取得了最佳平衡。然而，过高含量的Mg(OH)
2（如2%）可能导致颗粒团聚，引发局部碱化并影响细胞活力和力学性能。本研究也存在局限性，例如体外细胞实验使用了标准化的MG-63细胞系作为初步筛选，未来需要使用原代成骨细胞和间充质干细胞来全面评估成骨分化和免疫调节反应。此外，需要在动态降解模型中量化离子释放，并利用共聚焦显微镜等技术对细胞在支架内的三维分布和活力进行高分辨率验证。
**结论**：本工作表明，通过熔丝制造（FDM）工艺将氢氧化镁（Mg(OH)
2，0.5–2 wt.%）和纳米羟基磷灰石（nHA，5 wt.%）整合到聚乳酸（PLA）中制备复合材料，成功解决了纯PLA酸性降解、亲水性有限和抗压性能不足等关键问题，且未损害其细胞相容性。支架的接触角从71.5°降至49.7°，60天质量损失从约2%增加至15.52%，压缩性能得到显著改善（强度最高达27.55 MPa；模量最高达281.34 MPa）。MG-63细胞实验确认了材料的无细胞毒性并普遍提升了细胞活力（最高达98.36%），尽管过量的Mg(OH)
2使活力略有下降（88.76%）。总体而言，PLA0.5-5在力学性能和生物学性能之间提供了最有利的平衡。未来的研究应定量评估成骨标志物（如碱性磷酸酶活性、矿化），在流动条件下监测离子和pH动态，评估材料的疲劳和蠕变性能，并在体内验证其性能。
