《JOURNAL OF INTERACTIVE MARKETING》：Filament-free rotating-mandrel-assisted 3D printing of bioresorbable polylactic acid/iron composite stents: Effects of iron content
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生物可吸收血管支架的机械性能优化与细胞相容性研究。通过旋转 mandrel 辅助螺杆挤出3D打印技术开发PLA/Fe复合支架，系统研究铁含量（0-25 wt%）对力学性能（径向压力0.51→0.59 N/mm）和细胞相容性的影响。SEM和XRD证实铁微粒均匀分散，但高含量（15-25 wt%）导致界面缺陷和颗粒团聚，机械性能下降。细胞实验表明25 wt%铁含量显著提升细胞活力。该研究首次实现RMA-SME工艺下PLA/Fe复合血管支架的工业化制造，为生物可吸收支架的机械强化与降解调控提供新思路。
刘汉岱|周克然|丹尼尔·P·菲茨帕特里克|卢音诗|徐瀚|弗拉斯塔·奇兹纳|严光明|龚科|朱颖|莱娜·马登|罗南·邓巴|陈圆圆
聚合物、回收、工业、可持续性和制造（PRISM）研究所，香农技术大学：米德兰兹中西部校区，阿斯隆，N37 HD68，爱尔兰
摘要
聚乳酸（PLA）和铁（Fe）是开发可生物降解血管支架（BVSs）的有希望的候选材料。然而，PLA支架通常需要相对较厚的支柱来接近金属支架的机械强度。本研究旨在通过添加Fe微粒来增强PLA支架，并开发一种基于颗粒的直接打印方法来制造复合支架。迄今为止，已有几项研究展示了基于聚合物的支架的3D打印，但通过螺杆挤出（SME）3D打印制造支架的方法仍然有限。因此，开发了一种新型的旋转芯轴辅助SME（RMA-SME）3D打印机，可以直接从颗粒制造支架。随后，打印了不同Fe微粒含量的PLA/Fe复合支架，并进行了系统研究。具体而言，通过测量质量、密度和接触角来表征它们的物理性质，同时结合光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）成像、XRD、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和流变分析，并通过平行径向压缩测试评估其机械性能，而细胞相容性则通过细胞相容性测定进行评估。结果表明，平均径向力从纯PLA支架的0.51 N/mm增加到含有8 wt% Fe的支架的0.59 N/mm，但当Fe含量增加到15 wt%和25 wt%时，分别降低到0.46 N/mm和0.43 N/mm。SEM显示，较高的Fe含量（15-25 wt%）会导致基体开裂、界面空隙和颗粒聚集，从而破坏载荷传递并解释了机械性能的下降。重要的是，与纯PLA相比，添加高达25 wt%的Fe显著提高了细胞存活率。据我们所知，这是首次报道3D打印的PLA/Fe复合血管支架，研究结果表明所提出的RMA-SME方法是制造聚合物支架以及其他生物医学支架的可行策略。
引言
可生物降解血管支架（BVSs）的开发旨在提供临时血管支持，然后逐渐消失，从而避免一些与永久性金属支架相关的长期限制[1]。然而，唯一获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准的生物降解血管支架（BVS），Absorb-BVS，由于不良心脏事件的发生率较高，包括晚期支架血栓形成（ST）和心肌梗死，于2017年从市场上撤下[[2]]，[3]]，[4]]。机制分析将这些不利结果主要归因于Absorb-BVS支架的厚支柱，这些支柱增加了支柱向管腔内的突出，扰乱了层流，延迟了内皮覆盖，并促进了血小板激活[[4]]，[5]]，[6]]，[7]]。此外，与聚合物降解产物相关的局部炎症效应也被认为与晚期不良事件有关。因此，在保持足够的径向强度的同时减少支柱厚度仍然是开发聚合物BVSs的核心挑战之一。
在候选聚合物中，PLA和PLLA因其可生物降解性、热塑性加工性和在生物医学设备中的广泛应用而成为可生物降解支架的吸引人的选择[8,9]；然而，它们相对有限的韧性和径向支撑通常需要比金属支架更厚的支柱。因此，人们已经投入了大量努力，通过结构优化、聚合物共混或共聚以及添加增强相来加强聚合物BVSs[10,11]。铁在这方面特别有趣，因为它结合了可生物降解金属的机械优势以及与脂肪族聚酯的有益相互作用的可能性[12]。先前的研究表明，聚合物/铁系统可以通过它们各自的降解副产物之间的中和反应来改善机械性能并改变降解行为[[13]]，[14]]，[15]]，[16]]，[17]]，[18]]，[19]]。2021年，Singh等人[20]通过添加羰基铁微粒（0.5–5 μm）提高了PCL支架的性能，而我们的最新工作表明，嵌入的铁丝增加了用于可生物降解支架应用的PLLA单丝的整体降解速率[21]。这些发现表明，将铁加入PLA基体中可能提供一种实用的方法来提高聚合物支架的机械性能，同时影响其降解特性。
从制造角度来看，激光切割仍然是主要的工业方法，但激光加工是一种热处理方法，可能会引入热影响区、微裂纹、拉伸残余应力和毛刺，通常需要额外的后处理[22,23]。近年来，增材制造因能够快速进行设计迭代、几何灵活性以及制造患者特定设备的可能性而受到越来越多的关注[9,24]。在可用的技术中，材料挤出是制造聚合物血管支架最广泛探索的方法。相比之下，基于螺杆的材料挤出（SME）特别吸引人，因为它可以直接处理颗粒[25]，绕过了丝材制造步骤，降低了原料准备成本，并可能减少与额外挤出循环相关的降解[26]。当使用昂贵的高性能聚合物且需要严格控制性能时，这些优势变得尤为重要[27]。尽管传统的材料挤出（ME）3D打印技术已被用于制造各种可生物降解的聚合物支架（BPS），但已经报告了几种常见缺点，包括支柱过厚、由于层间间隙和支持物去除而导致表面质量差，以及由于打印支架中层间结合力弱而引起的机械强度不足[[28]]，[29]]，[30]]。为了解决这些限制，最近的一些研究引入了旋转芯轴辅助（RMA）3D打印来制造管状结构[9]，因为芯轴为圆柱形沉积提供了原位支撑，并据报道与无支撑或纯逐层制造相比，可以改善结构完整性、尺寸控制和表面质量[31,32]。
尽管取得了这些进展，但仍然缺乏将增强型可生物降解聚合物复合材料与旋转芯轴辅助的基于螺杆的材料挤出相结合用于血管支架制造的文献[33]。虽然已经报道了用于聚合物支架的基于螺杆的挤出和旋转芯轴系统，以及在其他支架和支架相关格式中探索了含铁的可生物降解复合材料[34]，但关于通过RMA-SME 3D打印制造的PLA/Fe微粒复合血管支架的研究仍然很少。因此，本研究开发了一种定制的RMA-SME 3D打印系统，直接从颗粒制造PLA/Fe复合支架，并系统研究了Fe含量（0–25 wt%）对可打印性、支柱一致性、形态、热行为、径向机械性能和细胞相容性的影响。通过测量质量、密度和接触角来表征支架的物理性质，同时结合光学显微镜、SEM成像、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和流变分析。通过平行径向压缩测试评估其机械性能，而通过细胞相容性测定评估其细胞相容性。
材料
在本研究中，从德国Total Energies Corbion获得了聚乳酸（PLA）颗粒（Luminy L175），如图1a所示，为结晶白色。颗粒的具体性质根据技术数据表（TDS）列在表1中。纯铁微粒（纯度：99.5%，尺寸：6-9 μm）从Honeywell Fluka购买。铁粉的微粒形态通过SEM成像观察到，如图1b所示。
PLA/Fe复合材料的制备
首先使用...
XRD分析
图6显示了原始PLA、挤出PLA、Fe粉以及不同铁含量（2%、4%、8%、15%和25%）的PLA/Fe复合颗粒的X射线衍射（XRD）图案。原始PLA样品显示出一个宽的无定形晕圈，中心位于16-22°附近，以及几个典型的尖锐衍射峰[58,59]，表明其具有半结晶性质和明显的结晶区域。挤出后，所有挤出组的PLA均未显示尖锐的衍射峰
结论
在这项研究中，开发了一种新型的RMA-SME 3D打印机，用于制造聚合物或复合血管支架。通过制造一系列不同铁含量的PLA/Fe复合支架，并进行系统表征和测试，成功证明了打印代表性波状细胞的可行性。主要结论如下：
1)SEM和XRD结果确认铁微粒被掺入了打印支架的PLA基体中，
知情同意
已从研究中包括的所有参与者那里获得了知情同意。
CRediT作者贡献声明
刘汉岱：概念化、数据管理、资金获取、研究、方法论、软件、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。周克然：研究、方法论、资源。丹尼尔·P·菲茨帕特里克：研究、方法论、资源。卢音诗：研究、方法论。徐瀚：数据管理、正式分析、方法论。弗拉斯塔·奇兹纳：研究、方法论。严光明：研究、方法论。龚科：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
这项工作得到了爱尔兰科学基金会 [资助编号：SFI 18/IF/6248]和爱尔兰香农技术大学：米德兰兹中西部的校长博士奖学金基金[资助编号：PA00005]的支持。
