3D打印的生物相容性雙網絡彈性體與機械性能的數字控制

供稿人:賀佩、賀健康
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

可降解生物彈性體是一類具有高柔韌性和彈性的生物高分子材料，具有與人體中軟組織相似的機械性能，能夠在動態(tài)環(huán)境中保障結構穩(wěn)定性和完整性，在藥物傳遞和組織工程等生物醫(yī)學領域極具應用潛力。然而，其苛刻的加工條件(例如高溫等)，難以適應先進制造技術構建組織工程中所需的復雜結構，限制了它們在生物醫(yī)學領域的應用。開發(fā)具有優(yōu)異機械性能、可適應先進制造技術的生物彈性材料，對于構建組織工程中的復雜結構具有重要意義。

聚癸二酸甘油酯（PGSA, poly(glycerol-co-sebacate) acrylate）是一種新型的合成生物相容性彈性生物材料，具有可調節(jié)的機械性能，在室溫下使用紫外光可實現快速聚合�；�于數字光處理（DLP，Digital-light -processing）的3D打印技術可將光聚合聚合物交聯(lián)成任意復雜的形狀，由于DLP打印過程中無掃描和連續(xù)性質，所制造的結構之間不存在人工界面從而增強整個結構的機械完整性。美國加州大學圣地亞哥分校的Chen等采用基于DLP的3D打印技術首次構建了使用同種材料、具有不同機械性能的網段（硬段和軟段）組成的復雜PGSA雙網絡（DN，Double Network）結構（見圖1B），通過有限元分析（FEA）探索了雙網絡結構的潛在失效機理，并優(yōu)化3D打印參數（例如網絡長寬比和剛度比），在保持低質量密度的同時提高網絡結構的韌性。

圖1 基于DLP的雙網絡彈性體3D打印過程的示意圖

DN系統(tǒng)由硬鏈段和軟鏈段兩種結構組成，當DN結構被拉伸時，較軟的鏈段用作犧牲材料以消耗能量，而較硬的鏈段則保持結構的形狀。因此，可以在不增加材料或增加材料密度的情況下增加結構的整體韌性。研究人員使用有限元分析（FEA）模型來預測DN結構在單軸拉力作用下的破壞過程，通過使用軟段作為犧牲元素，保留了硬段結構完整性。對FEA優(yōu)化設計后的單網絡（SN）和雙網絡結構進行拉伸測試，證實了DN結構的韌性是SN的兩倍。一些軟梁在剛性梁發(fā)生任何故障之前斷裂從而消耗能量，以避免整個網絡的剛性結構的破壞。 因此不間斷的剛性梁可以保持網絡結構的總體形狀和功能，并且網絡結構的整體韌性可以提高100％。

圖2 SN和DN結構的機械測試

研究中使用基于DLP的3D打印從單個聚合物溶液中快速制造DN結構，通過控制不同濃度的交聯(lián)劑和曝光時間，實現3D打印網絡的機械性能數字化控制。打印的彈性體網絡的彈性模量為150至800 kPa，而極限拉伸強度為100至300 kPa，在失效前都可以承受超過50％的應變，并且交聯(lián)劑濃度和暴露時間的某些組合在斷裂前可以承受大于100％的應變，遠遠超過了生物醫(yī)學應用中的其他3D打印聚合物材料。通過在單個位置中使用不同的曝光時間將硬鏈段和軟鏈段分配在特定位置來打印DN結構，通過引入軟鏈段以增強韌性，采用犧牲梁在拉伸期間吸收能量，而硬段則保持結構的整體形狀。

研究設計了具有可調控機械強度、良好生物相容性和可生物降解的彈性體網絡支架，開發(fā)的FEA分析方法可用于其他生物材料的機械性能的設計優(yōu)化，并結合3D打印技術應用于組織工程領域一體化構建復雜組織結構。

參考文獻：
Wang, P., Berry, D. B., Song, Z., Kiratitanaporn, W., Schimelman, J., Moran, A., He, F., Xi, B., Cai, S., Chen, S., 3D Printing of a Biocompatible Double Network Elastomer with Digital Control of Mechanical Properties. Adv. Funct. Mater. 2020, 1910391.
https://doi.org/10.1002/adfm.201910391