一、研究背景

创伤、疾病或先天畸形导致的骨缺损是骨科领域的重大挑战。自体骨、异体骨移植等传统修复方法存在供区并发症、免疫排斥等固有局限；金属植入物不可降解，易引发应力遮挡与纤维包裹；生物活性玻璃虽可与骨结合，但脆性大、力学匹配性差。

无机-有机杂化材料可结合生物活性玻璃的成骨活性、可降解性与聚合物的可调力学性能，通过纳米尺度网络互锁与共价键合，实现耐循环载荷与可控降解，是极具潜力的骨修复材料。但传统天然聚合物基杂化材料存在偶联效率难控、批次重复性差的问题。

聚甲基丙烯酸甲酯（MMA）与3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯（TMSPMA）共聚物可与二氧化硅网络形成共价键，结构稳定但不可降解。引入聚己内酯（PCL）可降解段，通过RAFT聚合精准调控分子结构，可使非降解链段分子量控制在肾清除阈值（<10 kDa）以下，实现安全降解。

理想骨支架需具备连通的多孔结构（孔径>100 μm）以支持血管化骨长入。直接墨水书写（DIW）3D打印可精准调控孔隙尺寸与连通性，优于发泡、静电纺丝、冷冻干燥等传统方法。但可降解硅基杂化墨水的打印性调控、结构与性能匹配仍需系统研究。

本研究通过RAFT聚合合成ABA型三嵌段共聚物P(MMA-co-TMSPMA)-b-PCL-b-P(MMA-co-TMSPMA)，以其为有机相制备二氧化硅杂化材料，系统探究PCL链长对材料力学、降解与打印性能的影响，通过DIW技术制备多孔骨支架，并验证其体外生物相容性，为骨组织工程提供新型可降解杂化支架制备方案。

二、研究内容

2.1 三嵌段共聚物的合成与表征

（1）双端羟基PCL二醇（HO-PCL-OH）的合成

采用开环聚合法（ROP）制备不同分子量的PCL二醇：

• 单体：ε-己内酯（ε-CL）；引发剂：乙二醇；催化剂：辛酸亚锡；
• 反应条件：氩气保护，120℃油浴反应24 h；
• 后处理：甲醇终止反应，THF稀释，冷甲醇沉淀，真空干燥72 h；
• 合成2 kDa、5 kDa、10 kDa三种分子量的PCL二醇，用于后续对比。

（2）双官能大分子RAFT试剂的制备

通过酯化反应将PCL二醇转化为双端RAFT官能化试剂：

• 原料：HO-PCL-OH、4-氰基-4-(苯基硫代甲酰硫基)戊酸（CPAD）、DCC、DMAP；
• 溶剂：无水二氯甲烷；0℃下滴加DCC溶液，室温搅拌反应48 h；
• 后处理：真空过滤除去二环己基脲，冷甲醇沉淀，真空干燥，得到CPAD-PCL-CPAD双官能大分子RAFT试剂。

（3）ABA型三嵌段共聚物的RAFT聚合

以双官能PCL为中心，通过RAFT聚合在两端增长P(MMA-co-TMSPMA)链：

• 单体：MMA与TMSPMA；引发剂：AIBN；溶剂：无水甲苯；
• 反应条件：三次冷冻-泵抽-融循环脱气，70℃油浴反应，单体转化率约65%时淬灭；
• 后处理：冷正己烷沉淀，真空干燥，氩气保存防止硅烷交联；
• 产物：P(MMA-co-TMSPMA)-b-PCL-b-P(MMA-co-TMSPMA)三嵌段共聚物，非降解段分子量控制在肾清除范围内。

2.2 无机-有机杂化材料的制备

（1）配方设计

设置三种理论有机/无机质量比：90:10、80:20、70:30，探究组成对性能的影响。

（2）溶胶-凝胶制备工艺

1. 正硅酸乙酯（TEOS）用1 M HCl水解1 h，搅拌下形成硅溶胶；
2. 三嵌段共聚物溶于THF（1 g/mL），滴加至硅溶胶中，搅拌10 min均匀混合；
3. 浇铸入PTFE模具，密封后40℃老化25天；前10天完全密封，之后逐步开盖缓慢干燥；
4. 完全干燥后得到块体杂化材料，用于后续理化与力学表征。

2.3 块体杂化材料的理化与力学表征

（1）组成与结构表征

• FTIR：同时出现聚合物酯基、硅烷特征峰与Si-O-Si网络振动峰，证实有机-无机共网络形成；PCL羰基峰位移表明其从晶态转变为无定形态。
• XRD：20°~23°处宽的无定形晕，证明有机-无机互穿网络；PCL结晶峰消失，说明分子链被硅网络限制。
• TGA：实际有机/无机比例与理论值偏差小于10%；热分解起始温度约340℃，热稳定性良好。

（2）干态压缩力学性能

70 wt%标称有机含量的样品力学性能最优：

• 2 kDa PCL基（HP2）：屈服强度29 MPa，屈服应变约6%；
• 5 kDa PCL基（HP5）：屈服强度最高，达58 MPa，屈服应变5%；
• 10 kDa PCL基（HP10）：屈服强度34 MPa，屈服应变约7%，韧性提升。

循环加载测试显示，材料无应力软化与滞后，卸载后恢复原形，弹性回复性能优异。

（3）湿态力学性能

PBS 37℃浸泡7天后测试：

• 高无机含量样品吸水后易开裂，强度显著下降；
• 高有机含量样品结构保持完整，屈服应变降低，材料更脆；部分体系因水合作用强度略有提升；
• 机制：亲水硅相吸水产生内应力，疏水有机相重排，共同影响湿态力学行为。

（4）降解性能

PBS中37℃浸泡3个月降解实验：

• 质量损失9%~23%，硅离子释放先快后慢，60天后趋于平台；
• PCL链越长、硅含量越高，硅释放速率越快；HP2体系降解最慢，结构最稳定；
• 降解主要来自PCL链的水解与硅网络的溶蚀，FTIR与NMR证实PCL为主要降解组分。

2.4 DIW 3D打印多孔支架的制备与表征

（1）墨水配制

• 采用70:30有机/无机比例的杂化溶胶作为打印墨水；
• 优化共聚物分子量：降低至12~17 kDa可显著改善打印适性，调控凝胶化速率，拓宽打印窗口；
• 墨水呈现剪切变稀特性，挤出时粘度降低，沉积后快速恢复，保证形状保真。

（2）DIW打印工艺

• 设备：Robocaster直接墨水书写打印机，Robocad软件控制路径；
• 喷嘴：200 μm内径锥形喷嘴；
• 参数：打印速度10 mm/s，挤出速率0.05 mL/min，层厚0.21 mm；
• 结构：正交网格支架，丝间距0.8~1.2 mm梯度设计；
• 后处理：打印后密封容器40℃老化3天，逐步开盖继续干燥7~10天。

（3）支架形貌与孔隙结构

• SEM与显微CT显示，支架网格规则、层间对齐良好，丝材表面粗糙，内部孔隙连通；
• 丝间距0.8 mm时，平均孔径约255 μm，孔隙率53%；丝间距1.2 mm时，平均孔径约424 μm，孔隙率38%；
• 孔隙连通性好，通道在三维方向相互贯通，符合骨支架的孔结构要求。

（4）支架力学性能

• 干态下，丝间距0.8 mm支架屈服强度约10 MPa，屈服应变3%；随丝间距增大，强度逐步降低；
• 循环加载10次后结构保持完整，仅微小滞后，弹性恢复良好；
• PBS浸泡2个月后，支架结构完整，应变略有降低，脆性增加，仍具备支撑能力。

2.5 体外生物相容性评价

采用人骨髓基质细胞（h-BMSCs），依据ISO 10993-5标准，通过条件培养基法评价细胞毒性：

• MTT结果显示，24 h暴露后细胞活力均高于70%阈值，符合生物材料安全要求；
• HP5组细胞活力优于HP10组，高浓度下仍保持良好代谢活性；
• 活死荧光染色显示，细胞形态正常，死细胞比例低，材料降解产物无急性细胞毒性。

三、研究结论

四、论文基本信息