《ACS Publications》绿色赋能骨修复：基于蛋壳微粒的3D打印热塑性支架在骨组织工程中的应用研究

先导小贴士

在骨组织工程领域，寻找可持续、可定制、高性能的支架材料一直是核心问题。近日，来自美国马萨诸塞大学的研究团队（Gezek et al.）在ACS Applied Materials & Interfaces期刊发表文章，提出了一种新颖的策略：将农业废弃物——鸡蛋壳微粒（eggshell microparticles, ESP）与医用热塑性聚合物PCL复合，制备出结构精准、具备良好生物活性与力学性能的3D打印骨支架，为未来骨缺损修复提供了低成本、高可用性的新材料方案。

研究背景与创新点

1.骨缺损修复面临供体不足、并发症风险高等难题，传统自体/异体移植材料存在局限。

2.蛋壳作为农业废弃物中富含碳酸钙的天然生物陶瓷，具备良好的生物相容性和成骨诱导潜力。

3.研究团队创新性地将不同质量分数（0%、5%、15%、50%）的蛋壳微粒与PCL混合，通过无溶剂挤出型3D打印方式构建支架，系统评价其理化特性、生物相容性和成骨能力。

3D打印支架制备与结构特性

制备方式：将蛋壳煮沸灭菌后研磨筛分至平均粒径约50 μm，与PCL混合形成颗粒后用于3D打印。

支架厚度约1 mm，孔径分布一致。

ESP含量越高，支架颜色越白，形貌一致性越高。

SEM显示ESP呈不规则形状，粒径分布集中，且在支架中均匀分散。

3D打印ESP增强PCL支架的制造过程的图形摘要(Gezek et al. , 2024)

理化性能评估

化学稳定性

所有支架均保持PCL与ESP的特征峰，未出现新官能团，说明3D打印过程未改变材料本质结构。

ESP增强PCL支架的FTIR-ATR光谱，包括ESP-0、ESP-5、ESP-15和ESP-50条件和原始ESP (Gezek et al. , 2024)

热稳定性

TGA显示支架在400°C前质量损失主要来自PCL降解，ESP部分作为残留矿物存在。

DSC数据显示加入ESP略提升熔点（Tm）与结晶温度（Tc），但较高浓度（50%）显著降低结晶度，推测微粒阻碍PCL链段规整排列。

原始和ESP增强复合PCL支架的热分析 (Gezek et al. , 2024)

晶体结构

PCL特征峰（21.3°、21.9°、23.6°）在加入ESP后逐渐减弱，ESP特征峰（30°）增强，体现出ESP引入后导致支架晶体结构趋于无序，有望提升生物活性。

分析了原始ESP以及ESP-0、ESP-5、ESP-15和ESP-50支架的XRD衍光图 (Gezek et al. , 2024)

力学性能与降解行为

压缩测试结果：

ESP-0（纯PCL）弹性模量最高

ESP-15力学性能与ESP-0接近，是性能与成骨潜力之间的平衡点

ESP-50力学性能下降明显，与支架孔隙率增加有关。

压缩测试的结果是松石和ESP强化PCL支架 (Gezek et al. , 2024)

加速降解实验：

ESP含量越高，支架降解越快；

ESP-15在96小时后仍保持结构完整，ESP-50则在48小时后结构崩解，表明ESP对PCL降解行为具有明显调控作用。

0至96小时间支架剩余质量的百分比（%）(Gezek et al. , 2024)

生物学性能验证

细胞粘附与增殖：

选用小鼠MC3T3-E1成骨前体细胞在支架表面培养14天。

激光共聚焦成像：所有支架均观察到细胞铺展良好，形成密集细胞层。

Alamar Blue检测：ESP-15支架在第7天增殖最活跃，第14天活性略有下降，提示可能进入分化阶段。

共聚焦显微镜和阿拉马尔蓝测定的成像结果用于分析细胞附着、分布和增殖 (Gezek et al. , 2024)

成骨相关基因表达（RT-qPCR）

RUNX2（早期标志物）：ESP-15和ESP-50表达显著高于ESP-0。

ALP：ESP-15表达最强，表明其处于活跃分化阶段。

OCN（晚期标志物）：ESP-50表达略高，提示部分细胞进入矿化期。

用ESP增强的3D打印支架培养的骨母细胞前细胞的成骨基因表达14天 (Gezek et al. , 2024)

总结与展望

Gezek等人的研究表明，基于蛋壳微粒的3D打印PCL复合支架可通过调控颗粒浓度实现对支架结构、力学性能、降解速率及成骨潜能的多维度调节。尤其是ESP-15浓度展现出结构稳定性与成骨性能的最佳平衡，具有较高转化潜力。本研究不仅探索了农业废弃物的高值转化，也为骨修复支架材料的个性化设计与绿色制造提供了新思路。

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