可 3D 打印的生物活性丝材,再生医学新希望

生物医疗对定制化生物活性材料需求激增，3D 打印成重要技术，但生物分子易被热塑加工破坏，且材料成本高、临床转化难。

米兰理工等机构的研究团队，研发出 PCL – 胶原蛋白肽复合 3D 打印丝材，探究了再生 PCL 的性能，证实该丝材保留 PCL 特性且具生物活性，还成功打印出复杂仿生支架。

PCL 丝材挤出系统及参数

图 1 展示了优化后的 PCL 基丝材挤出系统，核心为 Felfil Evo 挤出机，搭配 20° 倾斜定制支架、水冷槽、风机阵列和收卷装置，同时标注了关键工艺参数。倾斜支架解决了 PCL 粘喷嘴的问题，水冷 + 风机的双重冷却系统让挤出的丝材快速固化，精准的参数设置保障了丝材从挤出到收卷的连续稳定，这套系统的设计与优化，是获得直径均匀、符合 3D 打印要求丝材的关键，为后续各类 PCL 基丝材的制备奠定了设备和工艺基础。匀的多孔结构，孔径约 300 微米，纤维直径约 500 微米。红外光谱分析确认胶原已成功涂覆在PCL表面，显示出酰胺 I 带和 II 带特征峰，表明涂层有效改善材料表面生物活性。

丝材挤出问题与结果

图 2 直观呈现了丝材挤出的问题及优化后的效果，对比了无飞行时间优化和有优化的两种挤出状态，前者丝材直径骤减，后者直径均匀。同时通过数据对比，展示了工业级 PCL 与不同工艺下实验室制备 PCL 丝材的直径差异，以及优化工艺后各类 PCL 基丝材的长度和直径分布。清晰说明飞行时间优化和 20° 倾斜设计的必要性，优化后丝材直径接近工业级 1.75 mm 标准，且各类材料的丝材尺寸均一，证实了挤出工艺的可靠性。

各类 PCL 材料 SEM 图像

图 3 通过 SEM 图像呈现了四种 PCL 基材料的微观形貌，包含丝材外表面、横截面及 3D 打印件层间结构。工业级和实验室级 PCL 丝材表面光滑，胶原肽复合丝材表面有不规则凸起；所有丝材横截面直径均一，再生 PCL 有少量孔隙。3D 打印件中，再生 PCL 层间有孔隙，胶原肽复合材层间融合紧密。微观形貌的差异反映了材料制备工艺和成分的影响，也为材料性能差异提供了微观依据。

PCL 材料结构热学表征

图 4 整合了 XRD、荧光光谱、光学显微镜和热学分析结果，完成对 PCL 基材料的结构与热学表征。XRD 证实胶原肽未改变 PCL 晶型仅略降结晶度，荧光光谱和光学显微镜验证了胶原肽在 PCL 基质中的存在，DSC 和 TGA 则显示各类 PCL 材料热学特性相近，胶原肽复合材保留 PCL 关键热转变温度。全方位表征证实，胶原肽的掺入未破坏 PCL 的核心结构与热性能，且能稳定存在于基质中，保障材料可加工性。

PCL 体外相容性与降解

图 5 展示了 PCL 基材料的体外生物相容性和降解性能测试结果。MTT 实验表明，工业级、实验室级和胶原肽复合 PCL 对成纤维细胞活力无显著影响，证实材料无细胞毒性、生物相容性良好。降解曲线显示，实验室级 PCL 降解起始早，胶原肽复合 PCL 降解速率最快，工业级 PCL 最稳定。结果说明材料的相容性不受制备工艺和胶原肽掺入影响，且可通过调控成分和工艺实现降解速率的定制。

PCL 基材料拉伸性能

图 6 呈现了四种 PCL 基材料的拉伸性能测试结果，包含应力 – 应变曲线、不同打印角度的模量、峰值应力及统计分析。结果显示打印角度对拉伸性能无显著影响，材料呈类各向同性；工业级 PCL 拉伸模量和峰值应力最高，再生 PCL 略降，胶原肽复合 PCL 模量显著回升。证实 PCL 再生工艺对拉伸性能影响小，胶原肽可通过分子间氢键增强材料拉伸刚度，提升了材料的拉伸性能。

PCL 基材料压缩性能

图 7 为 PCL 基材料的压缩性能测试结果，含应力 – 应变曲线和压缩模量统计分析。工业级 PCL 压缩模量最高，实验室级 PCL 有所下降，再生 PCL 模量最低，胶原肽复合 PCL 模量与再生 PCL 相近。说明实验室挤出工艺和再生过程会降低 PCL 的压缩性能，胶原肽的掺入虽提升拉伸性能，但对压缩性能无改善，这一特性为材料的实际应用场景选择提供了依据。

TPMS 支架 3D 打印成品

图 8 展示了利用 PCL – 胶原肽复合丝材 3D 打印的五种 TPMS 多孔支架成品，包含宏观形貌、光学特写和 SEM 微观图像。五种支架几何结构完整、尺寸精准，内部填充均匀，仅少量细微丝状物，SEM 图像显示支架侧壁无孔洞、层间粘附良好，无塌陷等打印缺陷。证实该复合丝材具备优异的可打印性，能够精准成型结构复杂的仿生支架，为再生医学的定制化支架制备提供了可行材料。

本研究研发的 PCL – 胶原肽复合丝材可 3D 打印，保留 PCL 核心性能且具生物活性，再生 PCL 性能损失小，还可定制降解速率，适配再生医疗应用。

参考文献：

Cantella S, Badini S, Bollati C, et al. Development of a 3D-printable bioactive polycaprolactone–collagen peptides filament for biomedical applications [J]. Scientific Reports, 2025, 15(1).

DOI: 10.1038/s41598-025-28030-5