3D打印的生物相容性雙網(wǎng)絡(luò)彈性體與機(jī)械性能的數(shù)字控制

供稿人:賀佩、賀健康
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)械性能，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性，在藥物傳遞和組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。然而，其苛刻的加工條件(例如高溫等)，難以適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)構(gòu)建組織工程中所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，限制了它們?cè)谏�物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、可適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的生物彈性材料，對(duì)于構(gòu)建組織工程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)的機(jī)械性能，在室溫下使用紫外光可實(shí)現(xiàn)快速聚合�；�于數(shù)字光處理（DLP，Digital-light -processing）的3D打印技術(shù)可將光聚合聚合物交聯(lián)成任意復(fù)雜的形狀，由于DLP打印過程中無掃描和連續(xù)性質(zhì)，所制造的結(jié)構(gòu)之間不存在人工界面從而增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械完整性。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Chen等采用基于DLP的3D打印技術(shù)首次構(gòu)建了使用同種材料、具有不同機(jī)械性能的網(wǎng)段（硬段和軟段）組成的復(fù)雜PGSA雙網(wǎng)絡(luò)（DN，Double Network）結(jié)構(gòu)（見圖1B），通過有限元分析（FEA）探索了雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的潛在失效機(jī)理，并優(yōu)化3D打印參數(shù)（例如網(wǎng)絡(luò)長寬比和剛度比），在保持低質(zhì)量密度的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的韌性。

圖1 基于DLP的雙網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)組成，當(dāng)DN結(jié)構(gòu)被拉伸時(shí)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體韌性。研究人員使用有限元分析（FEA）模型來預(yù)測(cè)DN結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)完整性。對(duì)FEA優(yōu)化設(shè)計(jì)后的單網(wǎng)絡(luò)（SN）和雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸測(cè)試，證實(shí)了DN結(jié)構(gòu)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的剛性結(jié)構(gòu)的破壞。 因此不間斷的剛性梁可以保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的總體形狀和功能，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體韌性可以提高100％。

圖2 SN和DN結(jié)構(gòu)的機(jī)械測(cè)試

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

研究設(shè)計(jì)了具有可調(diào)控機(jī)械強(qiáng)度、良好生物相容性和可生物降解的彈性體網(wǎng)絡(luò)支架，開發(fā)的FEA分析方法可用于其他生物材料的機(jī)械性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域一體化構(gòu)建復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：
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