一、研究背景

组织工程与再生医学（TERM）通过整合生物相容性支架、合适的细胞来源和生化信号，旨在恢复受损组织功能，已成为克服传统移植局限（如供体短缺、免疫排斥）的 promising 策略。同时，将控释药物递送系统（DDSs）整合到聚合物支架中，使这些产品从被动结构支撑转变为能够提供局部、持续释药并促进组织再生的多功能治疗平台。

然而，这类构建体的临床转化受限于侵入性植入手术带来的创伤、感染风险和漫长恢复期。因此，微创植入（MII）受到越来越多的关注——可变形支架可通过小切口或导管输送，并在原位恢复其原始几何形状。这一概念推动了形状记忆聚合物（SMPs）的发展：这类智能材料能够在外部刺激（通常为生理温度、湿度、pH等）下固定临时形状并恢复其永久构型。将微创植入与自主形状恢复相结合，SMPs为开发兼具组织再生与局部控释药物递送功能的下一代支架提供了强大平台。

PLA/PCL 共混物的形状记忆机制

在形状记忆生物材料中，聚乳酸（PLA）与聚己内酯（PCL）共混物因其生物相容性、可生物降解性和可调降解动力学而备受关注。其形状记忆行为依赖温度变化，源于结晶或玻璃态 PLA 域提供的永久网络点与柔性 PCL 链构成的开关段的共存。加热至 Tg 以上可进行临时变形，随后冷却至 Tg 以下将聚合物共混物固定于编程形状。之后暴露于高于 Tg 的生理温度条件时，通过释放储存的熵能恢复聚合物膜或支架的原始结构。通过调整 PLA/PCL 比例可定制降解动力学，使支架再吸收与组织再生及持续释药同步，前提是其在生理条件下保持合适的形状记忆行为。

两种制造工艺的比较

静电纺丝（ES）长期被视为制造 PLA/PCL 形状记忆支架最有效的技术之一，通过产生类似细胞外基质（ECM）的纳米纤维网，赋予支架高表面积和连通孔隙率，支持细胞黏附并实现持续释药。但 ES 也存在明显局限：工艺主要依赖有机溶剂、大多局限于薄的二维结构，且常产生致密纤维网络、孔径有限，阻碍深层细胞浸润和血管化。

4D打印通过将增材制造与刺激响应材料相结合，为克服这些局限提供了新策略。与传统 3D 打印不同，4D 打印能够制造随时间发生受控、刺激响应转变的定制结构。在众多增材制造技术中，直写成型（DIW）尤为引人注目，因为它可在室温或温和温度下挤出黏弹性墨水，特别适合掺入热敏药物和生物活性分子而不发生热降解。然而，开发同时具备合适可打印性、结构稳定性、形状记忆行为和控释性能的 PLA/PCL 基 DIW 配方仍是重大挑战——目前大多数研究集中在力学薄弱的水凝胶或单组分聚合物上，亟需优化载药 PLA/PCL 体系以弥合加工性能与功能表现之间的差距。

因此，本研究旨在使用相同的聚合物配方，分别通过静电纺丝和 DIW 打印制造 PLA/PCL 基支架，并掺入地塞米松（DXM）作为模型药物，评估载药效率和释药能力。所得构建体从形貌、力学行为、形状记忆性能和药物递送表现等方面进行系统评价，以阐明工艺诱导的结构差异如何影响其整体功能。这一比较方法为选择最优制造策略、开发面向微创组织工程与局部治疗递送的下一代可生物降解 4D 支架提供了宝贵见解。

二、研究内容

2.1 实验配方

实验材料

材料	规格 / 参数	供应商
Resomer® LC 703 S（PLA/PCL 共聚物）	丙交酯/己内酯比 70:30（mol/mol），Mw 160,000 Da，Tg 32–42 °C	EVONIK Operations GmbH（德国达姆施塔特）
地塞米松（DXM）	Mw = 392.46 g/mol	Sigma-Aldrich（德国默克）
二氯甲烷（MC）、1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）	分析纯	Carlo Erba Reagents（意大利米兰）
HEPES、PBS	分析纯	Sigma-Aldrich（德国默克）
DMEM/F-12	细胞培养基	Merck KGaA（德国达姆施塔特）
HPLC 级乙腈	色谱纯	VWR International（意大利米兰）

ES 纺丝液配方

• 空白（EL-PBO）：PLA/PCL 70:30 溶于 MC/DMF（70:30 v/v）混合溶剂，浓度 15% (w/v)。
• 载药（EL-DXM）：同上配方，另加 0.6% (w/w) DXM（相对聚合物含量）。

DIW 打印墨水配方

• 空白（DIW-PBO）：PLA/PCL 70:30 溶于 1,4-二氧六环，浓度 8% (w/v)。
• 载药（DIW-DXM）：同上配方，另加 0.6% (w/w) DXM（相对聚合物含量）。

ES 纺丝工艺参数

参数	数值
施加电压	30 kV
流速	1 mL/h
针头规格	22 G（0.7 mm）
注射器体积	5 mL
接收器宽度/速度	40 mm / 10 mm/s
针头-接收器距离	15 cm
总纺丝时间	20 min

DIW 打印工艺参数

参数	数值
支架尺寸	长 30 mm × 宽 15 mm × 高 0.30 mm
孔径	0.30 mm
层高	0.15 mm
流动速度	0.8 mm/s
填充速度	7 mm/s
轮廓速度	10 mm/s
喷头	5 mL 注射器 + 22G 精密锥形针头（内径 0.406 mm）

2.2 实验步骤

① 静电纺丝（ES）制造

• 使用 NANON 01 静电纺丝仪（MECC Co., Ltd.，日本福冈），配备控湿系统，遵循 Pisani 等报道的已优化且获专利的制造方案。
• 分别配制 PLA/PCL 15% w/v 的 MC/DMF（70:30 v/v）溶液，以及添加 0.6% w/w DXM 的载药溶液。
• 按上述参数纺丝 20 min；纺丝后支架在层流罩下放置 12 h 确保溶剂完全挥发。
• 将支架切成 1.5 × 3 cm 矩形样品，用分析天平（ENTRIS124-1S, Sartorius）称重，用数显游标卡尺（LTF, 0–150 mm）测厚度。

② DIW 3D 打印制造

• 使用 Regemat 3D 生物打印机（西班牙格拉纳达），通过注射体积填充（IVF）系统运行。
• 配制 PLA/PCL 8% w/v 的 1,4-二氧六环溶液（空白与载药两种），室温磁力搅拌至完全溶解。
• 使用 CAD 模型定义支架几何形状（1.5 × 3.0 cm），逐层沉积，相邻层正交排列。
• 打印后支架置于培养皿中，−80 °C 冷冻，随后用 Epsilon 2-4 LSCplus 冻干机（Martin Christ）在 −50 °C、0.2 mbar 下冻干，确保溶剂完全升华。

③ 热致形状记忆处理（SMT）

• 将 ES 和 DIW 支架置于两块金属板（200 × 250 × 0.6 mm）之间，60 °C 烘箱中加热 30 min 使热激活均匀。
• 将样品绕直径 1.5 mm 不锈钢芯轴卷曲，获得管状临时构型。
• 移除芯轴后，−80 °C 冷冻 60 min 固定变形（评估 Rf,1%）。
• 真空干燥 24 h 去除残余水分，评估脱水后临时形状的稳定性（Rf,2%）。
• 将干燥支架浸入 37 °C PBS（位于 PLA/PCL 共聚物 Tg 范围内）中，量化形状恢复比（Rr%）。
• 使用 MATLAB R2025b 对冷冻后、冻干后、恢复后的照片进行定量图像分析。
• 计算公式：Rf(%) = [1 − (εf − εi)/εf] × 100（式1）；Rr(%) = (εp/ε0) × 100（式2）。

④ 地塞米松定量分析

• 每个支架溶于 1.0 mL MC，加入 2.0 mL 0.1 M HEPES 缓冲液（pH 7.4）诱导液-液萃取相分离。
• 振荡 30 min 促进 DXM 转移至水相，6000 rpm 离心 20 min 完成相分离。
• 收集水相，经 0.22 μm 滤膜过滤后用 HPLC 分析。
• HPLC 条件：Agilent 1260 Infinity 系统，ZORBAX C18 反相柱（5 μm, 150 × 4.6 mm），流动相为 Milli-Q 水/乙腈（60:40 v/v），流速 1.0 mL/min，UV 检测 238 nm；校准曲线 R² = 0.9985，线性范围 0.35–90 μg/mL。
• 载药效率 LE(%) = (mDXM,exp / mDXM,theor) × 100（式3）。

⑤ 体外药物释放测试

• 释放介质：0.1 M HEPES 缓冲液（pH 7.4），37 °C，200 rpm 磁力搅拌。
• 每个支架置于含 5 mL 释放介质的独立试管中。
• 取样时间点：0.5、1、2、3、4、5、6 h，以及 7、10、21、24、30 天；每次取 1 mL 并补充等量新鲜缓冲液。
• 样品经 0.22 μm 滤膜过滤后用 HPLC 定量（同上述色谱条件）。
• 累计释药量以 μg DXM/mg 支架和初始药物含量百分比表示。
• 释放数据拟合零级、一级、Higuchi 和 Korsmeyer–Peppas 动力学模型，用 MATLAB R2025b 进行线性回归拟合，以 R² 最高的模型为最优。

⑥ 润湿性测试

• 使用 DMe-211 Plus 接触角测量仪（Kyowa Interface Science），座滴法。
• 液滴体积 9 ± 2 μL，室温 25 ± 2 °C；每种介质测试前及 SMT 循环后的支架。
• 三种介质：HEPES 缓冲液、PBS、DMEM（pH 均 7.2–7.4）。
• 接触角在液滴沉积后立即记录，随后每 60 s 记录一次至 300 s；每种条件重复三次。

⑦ 力学测试

• Mark-10 拉伸试验机，25 N 力传感器，室温 25 °C，十字头速度 5 mm/min。
• 样品总长 30 mm、宽 15 mm（参照 ISO 527-2 标准 1BB 型试样尺度，标距 10 mm）。
• 测试前用电子数显游标卡尺测量支架厚度（标距区三点平均）。
• 记录力-位移数据，用 MATLAB 处理生成工程应力-应变曲线。
• 提取参数：断裂伸长率（εb）、最大拉伸应力（σmax）、杨氏模量（E，取初始线性弹性区斜率）。

⑧ 差示扫描量热法（DSC）

• Q2000 差示扫描量热仪（TA Instruments），铟标准校准（纯度 99.999%，Tm = 156.6 °C，ΔH = 28.54 J/g）。
• 样品 10–12 mg，标准开放式铝坩埚，氮气氛围（45 mL/min），0–200 °C 扫描，升温速率 10 °C/min。
• 分析 Tg、冷结晶温度（Tcc）、冷结晶焓（ΔHcc）、熔融温度（Tm）、熔融焓（ΔHm）。

⑨ 扫描电镜（SEM）

• TESCAN MIRA3 XMU 场发射扫描电镜，高真空，加速电压 5 kV，工作距离 15 mm，二次电子探测器。
• 样品切成 0.5 × 0.5 cm 方块，粘于铝桩上的导电碳胶带，Cressington 208 碳真空镀膜机镀约 10–15 nm 导电碳层。
• 用 MATLAB 进行图像定量分析：ES 支架分析纤维直径分布、孔径和表观孔隙率；DIW 支架分析孔径和孔隙率。

⑩ 统计分析

• 所有实验重复三次，数据以均值 ± 标准差（SD）表示，用 MATLAB R2025b 分析。
• 形状记忆参数：PBO 与 DXM 载药支架间用双尾非配对 Student's t 检验，p < 0.05 为显著。

三、结果与讨论

3.1 支架制造与尺寸表征

两种工艺均成功制备出 1.5 × 3.0 cm 矩形支架。空白与载药配方的重量比较显示，两种工艺产生的支架重量可比：ES PBO 为 11.94 ± 0.60 mg，DIW PBO 为 11.54 ± 0.14 mg。所有样品厚度均在亚毫米范围内：ES 配方为 0.06 ± 0.01 mm，DIW 支架约为 0.10 ± 0.02 mm。总体而言，尺寸表征证实优化后的制造条件产生了质量与厚度相近的构建体，为后续比较分析提供了一致的基础。

支架	重量 (mg)	厚度 (mm)
ES PBO	11.94 ± 0.60	0.06 ± 0.01
ES DXM	11.34 ± 1.20	0.06 ± 0.01
DIW PBO	11.54 ± 0.14	0.10 ± 0.01
DIW DXM	11.97 ± 0.55	0.15 ± 0.03

（表 2：ES 和 DIW 空白与载药支架的重量和厚度）

3.2 形状记忆性能

通过测定 −80 °C 冷冻后的形状固定率（Rf1%）和干燥后的形状固定率（Rf2%），以及形状恢复率（Rr%）来评价 ES 和 DIW 支架的形状记忆性能。

ES 支架：PBO 样品 Rf1% 接近 95%，而载药支架显著降低至约 63%（p = 0.0029）。干燥后，Rf2% 下降至 PBO 与 DXM 支架均可比的水平，分别约为 66% 和 67%。尽管初始形状固定行为不同，两种 ES 配方均表现出高形状恢复效率，Rr% 高于 90%。

DIW 支架：冷冻后 Rf1 值在约 85–90% 之间。干燥后 Rf2 值在两种配方中均保持 75–80%，表明干燥步骤中形状固定的降低较小，提示编程临时构型的稳定性更好。DIW 支架同样观察到高形状恢复，PBO 与载药样品的 Rr% 均高于 90%。

总体而言，所有支架配方在所考察的单次编程—恢复循环中均表现出有效的形状记忆行为，具有良好的临时形状固定（>60%）和热刺激后原始几何形状的高恢复（>90%）。

3.3 地塞米松定量

用 HPLC 定量 ES 和 DIW 支架中载入的 DXM 量。提取程序的平均回收效率为 97.3 ± 3.2%，证实液-液萃取方法对 DXM 定量的可靠性。

支架	理论 DXM (mg)	实验 DXM (mg)	载药效率 (%)
ES DXM SMT	0.075	0.068 ± 0.006	93.36 ± 8.91
ES DXM NO SMT	0.075	0.069 ± 0.001	94.05 ± 1.57
DIW DXM SMT	0.074	0.069 ± 0.009	93.50 ± 6.29
DIW DXM NO SMT	0.074	0.061 ± 0.007	82.73 ± 5.22

（表 3：ES 和 DIW 载药支架经/未经 SMT 的理论与实验 DXM 含量及载药效率）

ES 支架在 SMT 和 NO SMT 条件下均表现出高于 93% 的 DXM 载药效率。DIW 支架的载药效率在 SMT 和 NO SMT 条件下分别为 93.50 ± 6.29% 和 82.73 ± 5.22%。总体而言，所有配方均显示出高载药能力，且 SMT 后载药效率无显著差异，证实两种制造方法均适合 DXM 的掺入。此外，形状记忆编程后高载药效率的保持表明热处理在支架加工过程中未引起显著药物损失。

3.4 体外药物释放

在 37 °C、0.1 M HEPES 缓冲液中评估载药 ES 和 DIW 支架的体外释放曲线。两种工艺支架在最初 48 h 的累计 DXM 释放曲线均有展示，而 30 天长期释放曲线仅报告 ES 支架（因为 DIW 样品在最初 48 h 内已实现完全释放）。

ES 支架：释放动力学取决于 SMT。ES DXM SMT 支架的初始释放快于 ES DXM NO SMT，1 h 内累计释放约 40%，24 h 内达 80%。相反，ES DXM NO SMT 支架在最初几小时释放较慢，48 h 内达到 80% 累计释放。48 h 后，两种 ES 配方均达到稳定平台，30 天培养期间无进一步 DXM 释放。

DIW 支架：SMT 和 NO SMT 样品在最初 24 h 均表现出明显的突释释放。DIW DXM SMT 支架在 24 h 内实现约完全释放，而 DIW DXM NO SMT 支架在 24 h 内释放超过 90% 的药物，48 h 内实现完全释放。

总体而言，DIW 支架比 ES 支架释放更快且更完全，而 ES 样品表现出缓慢释放行为，最高仅释放约 80% 的药物。这种不完全释放可归因于 ES 基体的致密纳米纤维结构——快速溶剂挥发使部分 DXM 被困于聚合物纤维内部；此外，PLA/PCL 共聚物的疏水性可能限制水介质渗透，减少药物从纤维内部区域的扩散，导致部分保留。

释放动力学模型拟合

配方	零级 k0	R²	一级 k1 (h⁻¹)	R²	Higuchi kH	R²	K-P n	R²
ES SMT	0.0416	0.681	0.0416	0.815	10.05	0.816	0.173	0.563
ES NO SMT	0.0431	0.678	0.0431	0.841	13.87	0.860	0.685	0.895
DIW SMT	0.2233	0.871	0.2233	0.932	32.37	0.933	0.566	0.841
DIW NO SMT	0.2491	0.833	0.2491	0.919	36.20	0.925	0.872	0.994

（表 4：DXM 释放曲线的动力学拟合参数及最优拟合模型）

动力学分析表明，Higuchi 模型对 ES SMT（R² = 0.816）和 DIW SMT（R² = 0.933）支架拟合最佳，表明 DXM 释放主要受聚合物基体中的扩散控制。相反，Korsmeyer–Peppas 模型最能描述 ES NO SMT（R² = 0.895）和 DIW NO SMT（R² = 0.994）的释放曲线，相应的释放指数（n = 0.685 和 0.872）提示反常传输机制，即药物扩散伴随聚合物松弛或结构重排。

3.5 润湿性

通过时间依赖的座滴接触角测量评估支架润湿性。在 HEPES、PBS 和 DMEM 中观察到的趋势相当，故仅报告 HEPES 中的结果。

ES PBO 支架初始接触角高于 98°，在整个观察时间内保持较高值。相比之下，载药 ES 支架显示较低的初始接触角和更显著的随时间降低，表明润湿性增强。最显著的降低见于 ES DXM SMT，其接触角从 0 min 的 93.74 ± 16.81° 降至 5 min 后的 29.06 ± 7.09°，凸显了药物载入与形状记忆处理对支架表面性能的协同影响。

DIW 空白和载药配方的初始接触角均高于 83°。未经处理的支架在实验期间保持相对稳定的接触角，而经形状记忆处理的样品随时间下降更大：DIW PBO SMT 从 96.73 ± 5.00° 降至 71.91 ± 15.40°，DIW DXM SMT 在 6 min 后从 83.33 ± 18.78° 降至 68.55 ± 14.38°。

总体而言，接触角测量表明支架润湿性强烈受制造工艺、配方组成和形状记忆处理的影响。在所有考察配方中，ES DXM SMT 的接触角降幅最大，提示对水环境的亲和力更强，可能改善液体在纤维支架结构内的渗透。

3.6 力学性能

通过单轴拉伸试验评估 ES 和 DIW 支架的力学性能，提取断裂伸长率（εb）、最大拉伸应力（σmax）和杨氏模量（E）。

支架	εb (%)	σmax (MPa)	E (MPa)
ES DXM SMT	320.27 ± 79.21	7.12 ± 1.05	5.04 ± 0.87
ES DXM NO SMT	288.10 ± 40.59	16.46 ± 3.13	18.05 ± 1.04
ES PBO SMT	150.90 ± 85.84	4.06 ± 2.97	8.29 ± 6.88
ES PBO NO SMT	306.07 ± 47.51	2.89 ± 2.41	6.95 ± 2.39
DIW DXM SMT	144.13 ± 64.55	1.93 ± 0.77	8.04 ± 2.16
DIW DXM NO SMT	214.93 ± 70.29	1.89 ± 0.22	6.53 ± 1.63
DIW PBO SMT	196.27 ± 33.67	1.88 ± 0.39	5.26 ± 1.59
DIW PBO NO SMT	242.60 ± 98.21	1.41 ± 0.49	4.29 ± 1.05

（表 5：ES 和 DIW 支架单轴拉伸试验的力学性能）

ES 支架总体表现出比 DIW 对应物更高的断裂伸长率和拉伸强度。形状记忆处理对 ES 支架力学行为的影响比 DIW 支架更显著：载药 ES 支架在热编程后拉伸强度和刚度均下降——σmax 从 16.46 ± 3.13 MPa 降至 7.12 ± 1.05 MPa，杨氏模量从 18.05 ± 1.04 MPa 降至 5.04 ± 0.87 MPa。相反，DIW 支架总体拉伸强度较低，所有配方的最大拉伸应力均低于 2 MPa；断裂伸长率在 144.13 ± 64.55% 至 242.60 ± 98.21% 之间，杨氏模量在 4.29 ± 1.05 MPa 至 8.04 ± 2.16 MPa 之间。与 ES 支架相比，形状记忆处理对 DIW 配方力学性能的影响较小。

3.7 热学性能

用差示扫描量热法评价纯 PLA/PCL 粉末及支架配方的热行为。

样品	Tg (°C)	Tcc (°C)	ΔHcc (J/g)	Tm (°C)	ΔHm (J/g)
DIW PBO SMT	36.24	97.35	18.27	159.31	19.90
DIW PBO NO SMT	38.58	105.95	10.32	159.74	12.48
DIW DXM SMT	34.71	84.94	29.10	158.86	31.77
DIW DXM NO SMT	33.94	84.15	15.17	158.66	16.57
ES PBO SMT	37.43	108.32	12.51	160.58	14.91
ES PBO NO SMT	34.62	113.07	17.79	159.54	16.97
ES DXM SMT	35.89	120.17	9.14	159.15	12.93
ES DXM NO SMT	33.12	119.49	5.23	158.38	12.29
PLA/PCL 粉末	33.02	108.58	22.89	157.68	22.11

（表 6：纯 PLA/PCL 粉末及 ES、DIW 支架配方经/未经 SMT 的 DSC 参数）

纯 PLA/PCL 粉末显示 Tg 为 33.02 °C，结晶峰 108.58 °C，熔融峰 157.68 °C。支架加工对 Tg 无显著影响，各配方 Tg 在 33.12–38.58 °C 之间小幅变化。ES 支架的结晶峰温度在 108.32–120.17 °C 之间，DIW 支架则较低，在 84.15–105.95 °C 之间。所有样品的熔融峰温度保持在 158.38–160.58 °C 的窄范围内。

纯聚合物的结晶焓与熔融焓相近，表明共聚物基本为无定形态。在测试的支架中，DIW DXM SMT 的结晶焓和熔融焓最高（ΔHcc = 29.10 J/g，ΔHm = 31.77 J/g），与纯聚合物相近，表明 DIW 制造过程中共聚物固态未发生变化，聚合物保持几乎无定形。ES DXM 支架显示较低的焓值，特别是 ES DXM NO SMT（ΔHcc = 5.23 J/g，ΔHm = 12.29 J/g），其熔融焓高于冷结晶焓，提示静电纺丝载药支架中存在更多预先存在的有序部分。值得注意的是，这一现象仅见于 ES DXM 样品（SMT 前后均如此）。

总结：共聚物基本无定形；DIW 制造不改变聚合物固态（即使添加 DXM 仍几乎无定形）；聚合物/DXM 溶液的静电纺丝似乎改变了共聚物的固态组织，而静电纺丝对纯聚合物的固态无影响。ES DXM 样品较高的结晶度可能是其 DXM 释放比 DIW 更慢的原因之一。

3.8 SEM 形貌表征

SEM 分析评估 ES 和 DIW 支架在 SMT 前后的表面形貌和微孔结构。

支架	纤维直径 (μm)	表面孔隙率 (%)	表面孔径 (μm)
ES DXM NO SMT	0.313 ± 0.07	22.37 ± 0.08	1.83 ± 0.01
ES DXM SMT	0.309 ± 0.06	22.68 ± 3.32	1.88 ± 0.06
ES PBO NO SMT	0.317 ± 0.07	10.26 ± 2.53	1.42 ± 0.07
ES PBO SMT	0.312 ± 0.07	16.80 ± 1.50	1.81 ± 0.04
DIW DXM NO SMT	—	45.40 ± 9.10	2.36 ± 0.61
DIW DXM SMT	—	44.37 ± 7.14	2.17 ± 0.74
DIW PBO NO SMT	—	26.35 ± 13.80	2.37 ± 1.51
DIW PBO SMT	—	29.99 ± 10.00	1.54 ± 0.40

（表 7：SEM 衍生的 ES 和 DIW 支架 SMT 前后形貌参数。孔径和孔隙率指 SEM 显微照片中观察到的表面微孔，主要与溶剂去除和冻干相关，而非 DIW 架构的宏观设计孔。）

ES 支架：在所有分析条件下均呈随机取向的纤维状形貌，SMT 后纤维网络保持完整，无明显微观结构破坏。定量分析显示 ES 配方平均纤维直径相当（0.309 ± 0.06 至 0.317 ± 0.07 μm）。载药 ES 支架的孔隙率（SMT 前后 22.37–22.68%）高于空白（SMT 前 10.26%，SMT 后 16.80%），相应孔径从 1.42 ± 0.07 μm 增至 1.81 ± 0.04 μm。

DIW 支架：呈连续聚合物结构，SEM 下可见表面微孔。与 ES 相比，DIW 样品表面孔隙率更高：DIW DXM 支架孔隙率 SMT 前 45.40 ± 9.10%、SMT 后 44.37 ± 7.14%，平均孔径分别为 2.36 ± 0.61 μm 和 2.17 ± 0.74 μm；DIW 空白支架孔隙率从 SMT 前 26.35 ± 13.80% 增至 SMT 后 29.99 ± 10.00%，而平均孔径从 2.37 ± 1.51 μm 降至 1.54 ± 0.40 μm。

总体而言，SEM 图像分析表明 SMT 未显著改变 ES 纤维直径，支架组间差异主要体现在表面微孔孔隙率和孔径上。

3.9 讨论

本研究系统比较了 ES 和 DIW 在制造形状记忆 PLA/PCL 支架方面的表现。其创新之处不在于单独使用某一种制造技术（两者均已成熟），而在于直接评估两种截然不同的加工路线如何影响同一 PLA/PCL 平台的多功能性能。空白和载药支架从形貌、热学性能、润湿性、力学行为、形状记忆性能、载药效率和释放动力学等方面进行了比较。两种工艺参数被刻意优化以获得重量（11.34 ± 1.20–11.97 ± 0.55 mg）和亚毫米厚度相近的构建体，确保评估制造诱导结构差异时的可靠基线。因此，本研究的主要科学贡献在于证明制造路线可作为设计参数来调控同一聚合物平台制备的载药形状记忆支架的性能。

形貌差异：ES 产生由随机取向亚微米纤维组成的无纺基体，类似 ECM 纤维结构；纤维形貌不随 DXM 掺入或 SMT 应用而改变。DIW 打印则产生具有更开放结构和更高表面孔隙率的连续聚合物结构，其表面微孔特征可能与冻干过程中溶剂去除有关。

热学与固态组织：所有配方 Tg 保持在 33–39 °C，接近纯 PLA/PCL 粉末的 Tg，表明制造和 DXM 掺入均未显著改变形状记忆响应所涉及的热转变。更显著的差异来自熔融焓与冷结晶焓的比较：所有 DIW 配方和 ES 空白的 ΔHm − ΔHcc 差异有限（0–2.67 J/g），而 ES DXM 的差异更大（SMT 前 7.06 J/g，SMT 后 3.79 J/g），提示 ES DXM 中存在更多预先形成的有序/结晶域。这一趋势仅见于 ES DXM，表明其不能仅归因于 ES——可能是 ES 与 DXM 掺入的协同效应：纺丝过程中聚合物射流受到的强拉伸力促进链伸展和取向，溶剂挥发逐渐降低链迁移率并固定纤维形成时的分子组织。DXM 的存在可能通过改变聚合物-药物相互作用、链迁移率或结晶动力学影响这一平衡。不过 DSC 数据无法确定 DXM 的具体作用，需 XRD 等互补技术进一步确认。这种不同的聚合物组织也可能影响 ES DXM 的释放行为——更高的结晶/有序比例通常降低链迁移率，形成对所载分子不友好的扩散环境，从而减缓药物传输。

形状记忆性能：所有配方均表现出优异的恢复能力，在生理温度暴露后形状恢复率超过 90%。接近生理条件的激活温度是微创 SMP 装置的关键要求，允许植入前固定临时形状并在体温下恢复。连续打印的 DIW 结构在临时形状保持期间提供更大的几何稳定性，而柔性纤维 ES 网络在编程和干燥过程中经历更大重排。需注意，形状记忆性能仅在单次编程—恢复循环后评估，本研究发现证明了临时形状固定和热触发恢复的可行性，但尚未确立支架的重复性或循环耐久性。

润湿性：接触角随时间降低，尤其是 ES DXM SMT 支架，表明药物掺入和热编程后润湿性增强。ES 的纳米纤维组织可能因高可用表面积促进液体铺展，而 DIW 支架表现出较温和的时间依赖变化。润湿性不仅受材料组成影响，还受制造过程中产生的架构影响。

药物释放：两种方法均实现了高 DXM 掺入，ES 支架载药效率高于 93%，DIW 支架在 82.73–93.50% 之间。释放动力学在两种架构间差异显著：DIW 支架在 24–48 h 内提供更快且几乎完全的 DXM 释放，其更易接近的多孔结构可能促进释放介质渗透并减少有效扩散距离；ES 支架则呈更渐进的释放曲线，在约 80% 处达平台。部分释放可归因于致密互连纤维网络、纤维内/间 DXM 可及性降低、药物-聚合物相互作用以及 DSC 提示的更高有序比例。

力学性能：ES 支架因互连纤维网络表现出优于 DIW 构建体的力学性能。ES DXM NO SMT 力学性能最高（断裂伸长率 288.10 ± 40.59%，拉伸强度 16.46 ± 3.13 MPa，杨氏模量 18.05 ± 1.04 MPa），可归因于随机取向纤维在拉伸变形过程中逐步重排和再分布应力的能力。SMT 后 ES DXM 支架保持高伸长率（320.27 ± 79.21%）但拉伸强度（7.12 ± 1.05 MPa）和刚度（5.04 ± 0.87 MPa）降低，表明热编程影响了纤维网络的力学响应。相比之下，DIW 支架拉伸强度较低（<2 MPa），但 SMT 后变化较小，提示打印架构在编程后保持更稳定的力学响应。

总体结论性观点：这些结果证明制造技术是控制 PLA/PCL 基 4D 支架多功能行为的关键参数。ES 产生力学强健且高度可变形的纳米纤维基体，能够提供持续 DXM 释放；DIW 打印则实现几何稳定、具有高效形状固定和更快药物可用性的结构。因此，本研究并非确定一种优越的制造方法，而是突出如何将制造技术作为设计工具，根据微创组织工程和局部药物递送的特定需求定制可生物降解 4D 支架。

四、研究结论

本研究证明，即使采用相同的共聚物组成，制造技术在决定形状记忆 PLA/PCL 支架的结构与功能性能方面也发挥着决定性作用。尽管 ES 和 DIW 产生的支架具有可比的总质量和厚度，但两种技术生成了显著不同的架构，进而影响润湿性、力学行为、形状记忆性能和药物释放动力学。

本研究还强调了根据预期生物医学应用选择制造技术的重要性：当需要仿生纤维架构和增强的力学顺应性时，ES 支架可能更有优势；而当架构可控性和高效药物释放为主要目标时，DIW 支架可能更可取。

需要承认本研究的一些局限：力学表征仅限于单轴拉伸试验，药物释放在简化体外条件下评估；且虽然既往研究已证明 PLA/PCL 共聚物的生物相容性，本研究未考察静电纺丝和 DIW 打印支架的生物学响应。未来研究应纳入流变学和可打印性分析、在生理相关条件下评估支架性能，以及体外生物学评估，以确立支架架构、细胞响应和治疗效果之间的关系。

总体而言，结果表明即使产生结构不同但功能均合格的平台，这些制造技术也为未来在微创再生医学和局部药物递送中的应用提供了互补的机会。

五、论文信息

题录

标题	面向4D生物材料：静电纺丝与3D打印形状记忆支架的比较研究
英文标题	Toward 4D Biomaterials: Comparing Electrospun and 3D-Printed Shape-Memory Scaffolds
期刊	Pharmaceutics, Vol. 18, Article 1084 (2026)
DOI	10.3390/pharmaceutics18091084
收稿历程	2026-07-15 收稿；2026-08-17 修回；2026-08-18 接收；2026-08-28 发表
作者	Luigi Ruccolo, Aleksandra Evangelista, Francesco Andresini, Rossella Dorati, Ida Genta, Marco Benazzo, Pietro Canzi, Elena Carlotto, Bice Conti*, Silvia Pisani
单位	1 意大利帕维亚 IRCCS Policlinico San Matteo 基金会耳鼻喉科（UOC Otorinolaringologia）；2 帕维亚大学药物科学系；3 帕维亚大学临床-外科、诊断与儿科科学系综合实验外科、先进显微外科与再生医学单元
通讯作者	Bice Conti（bice.conti@unipv.it）
基金	意大利卫生部 RC-2024-08053424，"微创可植入形状记忆工程组织（SMET）以促进再生，避免上呼吸道感染疾病和生物膜形成"
学术编辑	Dong Keun Han
许可	开放获取（CC BY 4.0），版权 © 2026 作者，MDPI 出版

关键词

形状记忆支架；静电纺丝；直写成型（DIW）；地塞米松

摘要速览

背景/目的：形状记忆可生物降解支架（4D 支架）是微创组织工程和局部药物递送的 promising 平台。本研究考察了两种不同制造技术——静电纺丝（ES）和挤出基直写成型（DIW）——如何影响载地塞米松（DXM）的聚(L-丙交酯-共-己内酯)（PLA/PCL 70:30）支架的结构、热学、力学、形状记忆和释药性能。

方法：通过 ES 和 DIW 制造载 DXM 的 PLA/PCL 70:30 支架，对所得基体从形貌、重量、厚度、载药效率、DSC 热学性质、形状记忆性能、拉伸力学性能和体外 DXM 释放等方面进行表征。

结果：两种制造技术均产生重量和厚度可比的载 DXM 基体，载药效率高（>82%）。玻璃化转变温度在 33–39 °C 之间，支持生理相关条件下的热致形状恢复；ES 加工与更高的聚合物结晶度相关。所有支架均表现出形状记忆行为，恢复率超过 90%。ES 支架呈微孔纳米纤维架构，DIW 支架呈更开放的高度多孔结构。这些形貌差异反映在力学行为上：ES 支架表现出更高的拉伸强度（最高 16.5 MPa vs 1.9 MPa）和断裂伸长率（最高 320% vs 243%）。释药曲线也取决于制造工艺：ES 支架在约 80% DXM 释放时达到平台，而 DIW 支架在 48 h 内表现出近完全释放。

结论：两种制造方法均保持了 PLA/PCL 70:30 的热响应形状记忆行为，但产生了显著不同的支架架构，强烈影响力学性能和 DXM 释放动力学。