3D打印水凝膠混合材料新方法可實現具有藥物釋放功能的心血管支架

來源：江蘇激光聯盟

據悉，目前水凝膠已廣泛用于各種應用，例如生物醫(yī)學設備和柔性電子產品。然而，目前的技術將水凝膠-混合聚合物的幾何形狀限制在由水凝膠和硅橡膠組成的層狀材料上。這極大地限制了基于水凝膠聚合物設備和機器的功能和性能。由南方科技大學和浙江大學等研究單位組成的國際研究團隊開發(fā)了一種基于DLP的簡單而通用的多材料3D打印方法，以制造復雜的混合3D結構。

水凝膠是一種含水的網絡狀聚合物，已在生物醫(yī)學、柔性電子學和其他技術中得到了廣泛的應用。在許多應用中，水凝膠與其他聚合物結合形成混合結構，用于保護、增強水凝膠結構或為水凝膠結構添加新的功能。比如具有基于水凝膠的親水性和潤滑性表層的彈性生物醫(yī)學設備，具有彈性體防脫水涂層的基于水凝膠的柔性電子設備，由彈性體纖維增強的水凝膠復合材料等。盡管最近取得了快速進步，但可以與水凝膠牢固粘合的聚合物主要限于硅橡膠，而水凝膠與聚合物的雜化體的幾何形狀大多局限于層狀結構，這極大地限制了硅橡膠的性能�；�于水凝膠聚合物的設備和機器的功能和性能。因此，期望開發(fā)一種有效的方法來制造具有高設計自由度和豐富材料選擇的基于水凝膠-聚合物的混合結構。

以自由形式創(chuàng)建復雜3D對象的3D打印已廣泛用于制造3D水凝膠結構。在所有3D打印技術中，直接墨水書寫(direct ink writing, DIW)技術已被最廣泛地用于3D打印水凝膠。與基于DIW的3D打印不同，3D打印通過直接擠壓墨水來形成3D結構，基于數字光處理(digital light processing, DLP)的3D打印通過數字化紫外線(ultraviolet, UV)照射形成3D結構，引發(fā)局部光聚合，將液體聚合物樹脂轉化為固體3D結構，因此是制造高分辨率高度復雜3D結構的理想技術。但是，目前尚未實現使用基于DLP的3D打印來制造由高拉伸性和高含水量水凝膠與其他可紫外固化聚合物組成的混合結構的能力。這主要是因為基于高效DLP的多材料3D打印系統(tǒng)的選擇有限，并且缺乏在高性能水凝膠與各種可紫外固化聚合物之間形成牢固結合的通用方法的缺乏。

圖1. 具有其他聚合物的多材料3D打印水凝膠

如圖1D所示，通過交替切換每一層的彈性體和水凝膠前體溶液，最終打印出對角對稱的Kelvin。由于在高度可變形的AP水凝膠和彈性體之間的界面處形成了牢固的共價鍵，因此我們可以將印刷的多材料開爾文形式壓縮50％，而不會在兩種組成材料之間發(fā)現任何脫鍵現象（圖1E和下方視頻所示）。

▲圖解：(F和G)用一半AP水凝膠和一半Tango彈性體(F)，Vero剛性聚合物(G)，Agilus彈性體(H)，PEGDA(I)，基于甲基丙烯酸酯的SMP(J)打印的狗骨樣品的單軸拉伸測試分別為ABS類聚合物(K)。(L至Q)相應的被提拉樣品的快照。（圖片來源：浙江大學陳哲。）

研究人員還執(zhí)行了180°剝離測試，以研究水凝膠與UV固化聚合物之間的界面韌性（如圖3和下方視頻）。圖2(F至K)中的6種不同的UV固化聚合物上的AP水凝膠的界面韌性彼此相似。這種相似性可以通過在剝離測試過程中六個破裂的水凝膠-混合聚合物樣品的圖像來解釋（圖4）�？梢钥闯�，在剝離測試期間，AP水凝膠而不是水凝膠-聚合物界面在界面附近發(fā)生內聚破壞，這在聚合物基材上留下了水凝膠的殘留層（圖4）。剝離測試證實，破壞水凝膠-聚合物界面所需的能量大于破壞水凝膠本身所需的能量。

▲圖3. 剝離測試以研究水凝膠-聚合物界面。(A)180°剝離試驗的圖示。(B)剝離試驗以分別研究水凝膠和聚合物之間的界面結合。

圖4. 水凝膠-聚合物樣品破裂的快照。（照片來源：浙江大學陳哲）

水凝膠是一種生物相容性材料，已廣泛應用于各種生物醫(yī)學領域。然而，在許多應用中，水凝膠和人體組織之間的硬度不匹配成為一個巨大的挑戰(zhàn)。剛性聚合物增強水凝膠的多材料3D打印為解決這一問題提供了一個有前途的解決方案。為了證明這個概念，研究人員打印了一個由維羅剛性聚合物增強的水凝膠組成的彎月面。3D打印的制造自由度使我們能夠根據彎月面的各向異性來調整彎月面內的局部機械特性。圖5(從高到低)表示印刷彎月面內位置1到4處的微結構。通過將桿直徑從0.2調整到0.5毫米，我們可以將局部剛度從0.6增加到5兆帕。這種通過改變剛性微結構來調整局部機械性能的能力將極大地增強3D印刷生物材料和組織的功能和性能。

圖5. 3D打印剛性聚合物增強水凝膠復合材料

SMP是一種理想的4D打印材料，用于3D打印形狀令人難忘的心血管支架，以使狹窄的血管擴張。通過利用多材料3D打印，我們可以通過將水凝膠整合到SMP支架中來將藥物釋放功能賦予心血管SMP支架。

圖6. 將SMP-水凝膠支架浸入PBS溶液中24小時的快照

▲圖7. 定量的藥物釋放過程。比例尺，5毫米。（照片來源：南方科技大學。）

研究人員開發(fā)了一種簡單而通用的多材料3D打印方法，該方法能夠制造高度復雜的混合3D結構，該結構由高水含量、高拉伸性水凝膠組成，并與其他各種UV固化聚合物共價鍵合。他們使用了基于DLP的自建多材料3D打印機來制造水凝膠-聚合物混合3D結構，并使用兩親性表面活性劑使AP水凝膠的UV固化能力將疏水性光引發(fā)劑TPO粉末轉化為高度水溶性的TPO納米顆粒。在多材料3D打印過程中，保留在TPO引發(fā)的水凝膠中的未反應單體和交聯劑在水凝膠-聚合物界面處形成共價鍵。研究人員展示了多種利用這種多材料3D打印方法的應用：通過馬蹄形和晶格結構增強的水凝膠復合材料，具有空間可變剛度的3D打印彎液面，具有藥物釋放功能的4D打印心血管支架以及3D打印離子導體和應變傳感器具有防脫水彈性層。

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本文來源：https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eaba4261