中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

实现纳米级分辨率3D打印材料

2021-02-08

组织工程是结合了细胞生物学和材料科学的新领域,指的是用特定材料在体内/外构建组织或器官的方法。双光子聚合(2PP)是一种微纳3D打印技术,能够以几百纳米的分辨率生产复杂的三维(3D)结构,近年来发展迅速,在多个领域都有广泛应用。通过2PP制造的生物医用型微支架在组织工程领域有重大应用潜力。然而,能满足分辨率需求可生物降解材料十分有限,这阻碍了2PP在组织工程领域中的应用。

奥地利学者Aleksandr Ovsianikov领导团队设计合成了每个端基上带有三个丙烯酸酯基团的六官能氨基甲酸酯基遥爪聚己内酯(PCL),并对比了其与双官能氨基甲酸酯基遥爪聚己内酯的性能差异,文章以Polymer architecture as key to unprecedented high-resolution 3Dprinting performance: The case of biodegradable hexa-functional telechelic urethane-based poly-e-caprolacton为题发表在《Materials Today》上。此材料由于高的交联密度和优异的物理强度可应用于2PP领域,实现超高分辨率的3D打印。文章评估了此种3D打印前体材料的光交联动力学、机械性能、降解潜力及细胞相容性等。

【丙烯酸酯封端的氨基甲酸酯基PCL的合成】
在本工作中,通过两步氨基甲酸酯化反应合成了两种聚合物(UPCL-2和UPCL-6),并通过GPC、核磁、红外等表征结构。它们具有相同的PCL主链及不同数量的可交联端基,前者每端连接一个丙烯酸酯基团,后者则为三个。合成过程中使用了生物毒性更低的新癸酸铋催化剂,这有利于材料在生物医药领域的应用。

图1. 最终产物的反应步骤和结构的示意图。
【评估光交联动力学和机械性能】
用于3D打印的树脂需要在较短的时间内实现尽可能大的转化率,因此使用DPC(Differential photocalorimetry)研究了前体的光交联动力学。表征得到的热流数据可用于确定聚合速率与转化率和转化时间的关系。在交联的初始阶段,两种前体物的转化率都快速提高,随后下降,在交联结束时,两种前体表现了十分接近的丙烯酸酯转化率(UPCL-2为0.99,UPCL-6为0.95)。但UPCL-6的聚合速率和丙烯酸酯转化率增加得更快,这表明与UPCL-2相比,UPCL-6的交联速率更高,这有利于基于激光的3D打印应用。使用光流变实验和拉伸测试评估了交联前体的机械性能。得益于内部的微相分离结构,UPCL-6交联产物强度优于UPCL-2,柔性优于EPPETA(UPCL-6的封端剂,纯的多丙烯酸酯前体),表现出更好的韧性。高Tg的刚性丙烯酸嵌段低Tg PCL主链的组合实现了柔韧性和强度之间的良好平衡。此外,即使在低至20°C的温度下,前体仍具有高的反应活性。

图2. 聚合物在UV交联前后的特征:(a)聚合速率与丙烯酸酯转化率的关系,(b)丙烯酸酯转化率与UV辐射时间的关系,通过DPC分析确定。(c)UPCL-2,UPCL-6和EPPETA(即UPCL-6的三官能团封端剂)交联产物的应力-应变图,(d)UPCL-2 ,UPCL-6和EPPETA交联产物的杨氏模量和变形能,(E)UPCL-2,UPCL-6和EPPETA交联产物的损耗因子随温度的变化曲线以及(f)UPCL-2,UPCL-6和商用线性PCL(10,000 g mol -1)在37°C碱性溶液中900小时后的质量损失曲线,用于评估降解性能。
【降解性能及细胞相容性】
基于UPCL-6网络的聚合物由于高交联度,表现出低的降解率,降解速率与线性非交联PCL相似。UPCL-6的缓慢降解能力使其在生物相容性方面表现出优势,快速降解形成羧酸产生的局部酸性环境会影响细胞活力。基于静态接触角测量结果显示交联的UPCL-6润湿性更好,且通过细胞培养测试没有观察到该交联产物或者所用催化剂对L929成纤维细胞活力的不利影响。这表明,即使不进行合成后纯化,新开发的聚合物也具有细胞相容性,适用于工业化生物医学应用。

图3.(a)在含样品提取物及无提取物的培养基中培养24小时和72小时的L929成纤维细胞的相对代谢活性。
【光交联前体用于2PP技术】
图4.(a)2PP制造过程简图,(b和c)基于UPCL-2微结构的SEM图像,(d和e)基于UPCL-6微结构的SEM图像。
图5. 使用UPCL-6 进行3D打印:(a) 微结构的SEM图像,(b) 以1 mm s -1的扫描速度,10 mW的激光功率获得宽为310±8 nm的线, (c) 以100 mm s -1的速度, 18 mW的平均功率获得宽为143±18 nm(c)的线。
此种六官能氨基甲酸酯基PCL用于2PP微结构制造时可实现143±18 nm的超高分辨率,得到具有高形状保真度的结构,且不易塌缩。此外,通过调节其结构单元的化学性质(即骨架,二异氰酸酯类型,可交联基团的数量)可以进一步调控交联聚合物的机械性能,这将大大扩展可生物降解材料在组织工程领域的应用范围。

【结论】

六官能UPCL-6基于改善的交联动力学,较高的强度以及更低的溶剂吸收率展现了良好的加工性,适用于2PP领域:可以被加工成具有高分辨率(143±18 nm)的微结构,可在无溶剂条件下以高扫描速度(100 mm s -1)进行加工。六官能氨基甲酸酯基PCL的分子结构利于硬质聚丙烯酸酯和软质聚己内酯链段分离,从而提高了韧性和刚度。加速降解研究证实了它们的潜在降解性,且开发的聚合物无需昂贵的合成后纯化步骤即可表现出良好的生物相容性。

文章及图片来源:高分子科学前沿