美國賓夕法尼亞大學：彈性模量提高3.5倍！新型3D打印技術

來源： EFL生物3D打印與生物制造

糾纏在自然界中無處不在，從染色體DNA到蠕蟲的動態(tài)糾纏都有例子。聚合物熔體中的糾纏已經被廣泛研究；然而，糾纏對聚合物網絡的疲勞和斷裂的作用直到最近才被認識到。與化學交聯不同，糾纏作為非永久性交聯，可以在應力下相互滑動，從而同時增加材料模量和韌性，而不會導致脆化或滯后。因此，人們有興趣利用糾纏作為材料內的增強手段，包括通過新興的光刻增材制造技術生產的材料，如數字光處理（DLP）、連續(xù)液體界面生產或計算軸向光刻。由于預先存在的糾纏使得聚合物熔體具有極高的粘度，這些方法難以均勻加工聚合物熔體。因此，開發(fā)低粘度（單體或低聚物）樹脂，在聚合物鏈形成時引入糾纏是有益的。實現鏈增長和密集鏈糾纏的同時發(fā)生需要精確控制樹脂成分（即單體、交聯劑和光引發(fā)劑）。一種方法是使用異常低的光引發(fā)劑濃度（<0.01 wt.%）；然而，這導致反應速率緩慢（數小時），與許多依賴快速交聯（幾秒鐘內）的槽式光聚合技術（例如，DLP）不兼容（圖1A）。高光引發(fā)劑濃度或輻射暴露顯著加快聚合速度，但這些方法導致過多的起始點和鏈終止事件，建立了一個含有高比例懸垂鏈的網絡。這些懸垂鏈上的糾纏沒有被共價交聯所固定，因此在張力下的較高負載下無法承受。因此，在高度糾纏的聚合物網絡的槽式光聚合中存在一個權衡，其中制造需要快速反應，但這減少了聚合物擁擠和有效糾纏的形成。

來自美國賓夕法尼亞大學的Jason A. Burdick團隊提出了一種結合了光照聚合和暗反應聚合的策略，使得構成聚合物鏈在打印結構形成時能夠密集地糾纏在一起。這種通用的方法可以在室溫下達到高單體轉化率，而無需在打印后額外施加如光或熱等刺激，并能夠實現高度糾纏的水凝膠和彈性體的增材制造，其延展能量是傳統(tǒng)DLP的四到七倍。本文使用這種方法打印了高分辨率和多材料結構，具有空間編程粘附濕組織等特性。相關工作以題為“Additive manufacturing of highly entangled polymer nETworks”的文章發(fā)表在2024年08月01日的國際頂級期刊《Science》。   

      

【用于3D打印的結合光照聚合和暗反應聚合】
DLP是一種有前景的自下而上的槽式光聚合方法，它允許通過逐層投影2D切片圖像來高速制造3D物體。盡管DLP充滿希望，但處理參數，如用于控制分辨率的光衰減添加劑、氧阻聚和自由基介導鏈增長反應的擴散限制，可能會引入單體轉化率的梯度，從而降低長聚合物鏈的總體濃度和打印物體的最終強度（圖1B）。為克服這種機械性能-可加工性的沖突，在這項工作中，本文引入了一步連續(xù)固化過程，即光照后輔助氧化還原引發(fā)的CLEAR過程，以使用槽式光聚合方法形成高度糾纏的聚合物網絡。CLEAR允許空間光照射（即光聚合）來設定物體的形狀，而補充的氧化還原反應（即暗反應聚合）允許物體內未反應的單體緩慢達到完全轉化，從而實現高濃度的聚合物鏈糾纏（圖1C）。這種連續(xù)固化過程在室溫下進行，無需涉及光或熱的額外步驟。

本文首先展示了CLEAR在水凝膠加工中的應用。盡管水凝膠在組織修復、藥物輸送和生物醫(yī)學設備方面引起了人們的興趣，但3D打印水凝膠的機械性能通常遠低于通過鑄造的水凝膠。本文選擇丙烯酰胺作為本文模型單體，低濃度的雙丙烯酰胺作為交聯劑。當通過鑄造以非常慢的反應速率形成時，水凝膠包含密集的糾纏和稀疏的交聯，從而實現高模量和高韌性。對于打印，DLP樹脂包含了單體、交聯劑、光引發(fā)劑和光吸收劑的混合物，而CLEAR樹脂則在3D打印前加入了相同的成分以及氧化還原引發(fā)劑。在沒有交聯劑的情況下，從DLP和CLEAR樹脂制備的�。�100微米）薄膜的1H核磁共振（NMR）光譜表明，對于CLEAR，丙烯酰胺消失并出現了聚丙烯酰胺（~98%轉化率），而對于DLP，~95%的丙烯酰胺仍未反應（圖1D）。當使用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測量時，薄膜的光暴露（與打印期間傳遞到單層的能量0.2 J cm−2相匹配）在輻照期間為DLP和CLEAR樹脂都導致了近20%的轉化率（圖1E）。然而，輻照后DLP的轉化率保持不變，而CLEAR的轉化率隨著氧化還原反應（暗反應聚合）完全消耗未反應的單體而穩(wěn)步增加到100%。這種暗反應聚合也通過CLEAR隨時間增加的儲存模量（G′）反映出來，相比之下，DLP的G′在光輻照后保持不變（圖1F）。   

圖1 CLEAR打印   

DLP和CLEAR水凝膠樹脂被3D打印成固體物體并膨脹直至平衡。與使用DLP打印的水凝膠相比，使用CLEAR打印的水凝膠在拉伸下的彈性模量（ET）和斷裂功（Wf）分別增加了近兩倍和四倍，并且其性能與鑄造獲得的水凝膠相匹配（圖2A到C）。CLEAR打印的水凝膠承受了高達250 kPa的名義應力（這對應于接近1 MPa的真實拉伸強度），而DLP打印的水凝膠則明顯較弱，在低拉伸伸長率下就失效了，這一點通過CLEAR打印的水凝膠環(huán)在近200 kPa的名義應力下提起重物的能力進一步得到說明（圖2D）。此外，CLEAR打印的水凝膠的ET和Wf與拉伸速率的兩個數量級無關，這意味著近乎完美的彈性。

對CLEAR打印水凝膠的彈性的理論預測表明，相對于共價交聯，其糾纏水平高出11倍至15倍。CLEAR打印的水凝膠還在壓縮和剪切下顯示出增加的機械性能，以及在膨脹后聚合物含量增加熒光探針擴散速度減慢，這可能是由于在CLEAR水凝膠內單體轉化率提高導致的聚合物鏈糾纏或有效交聯增加。當通過原子力顯微鏡（AFM）在納米尺度上映射時，與DLP制造的水凝膠相比，CLEAR打印的水凝膠表現出高出3.5倍的模量（圖2E），這一現象在整個z層的深度中都能觀察到，意味著CLEAR驅動整個打印部件達到更高的轉化率，而不僅僅是最外層的xy層。所有測試都是在膨脹的水凝膠上進行的，這更好地代表了水凝膠使用的環(huán)境，但并非所有報道的水凝膠都是這種情況，這可能會顯著降低它們的機械性能。盡管是3D打印并膨脹的，CLEAR打印的高度糾纏的單網絡水凝膠的ET和Wf值匹配或超過了已報道的單網絡水凝膠的ET和Wf值（圖2F）。

圖2 CLEAR技術使得具有增強機械性能的高度糾纏水凝膠的3D打印成為可能

【CLEAR打印高分辨率和多樣化的3D結構】
CLEAR打印可以幫助解決高度糾纏水凝膠的機械性能-可加工性沖突。與可能因無法支撐自身重量或從構建板上恢復而難以加工的柔軟或脆弱水凝膠不同，高度糾纏的水凝膠可以被加工成結構復雜的材料。CLEAR允許在水凝膠內生成多種拓撲結構（例如，模仿小梁骨的特征、打結幾何形狀、具有相互連接空隙的gyroid結構或大孔格構結構）或開放通道（圖3A）。DLP和CLEAR都實現了高打印分辨率和保真度（即使在膨脹后，名義xy和z負特征尺寸也達到~400微米），暗反應聚合不會對分辨率產生負面影響。CLEAR也可用于多材料打印，以在z和xy方向上創(chuàng)建異質區(qū)域（圖3B），以及打印成適應曲面的多孔幾何形狀，從而制成“堅硬但靈活”的材料（圖3C）。此外，CLEAR打印的水凝膠可以被塑造成拉脹結構，如超材料格構（例如，八面體桁架）（圖3D）或線圈（圖3E），這些結構可以承受壓縮或拉伸負載，且?guī)缀鯚o滯后現象（通過結構在去除負載后能夠恢復其原始形狀而不發(fā)生塑性變形的能力來證明）。最后，CLEAR可以修改為連續(xù)打印方法，以進一步加速處理時間，這一動機源于光刻打印技術之前的進步。   

在將不同的打印組件整合成單一結構方面也有很大的興趣（例如，嵌入電子傳感器或集成微流控電路），這在使用傳統(tǒng)打印技術時具有挑戰(zhàn)性。在這項工作中，CLEAR作為一項退火技術，用于組裝3D打印的水凝膠設備，無需任何額外的試劑或基底功能化（圖3F）。持續(xù)的氧化還原反應（通過CLEAR實現）導致當兩個（或更多）水凝膠接觸時，在界面處形成糾纏聚合物網絡。這種方法提供了強大的機械互鎖，從而產生了高的整合強度（650 J m−2），與水凝膠本身的斷裂韌性相似。值得注意的是，整合強度隨接觸前的時間（從立即到4小時之間）而降低，而達到高整合強度的時間窗口取決于氧化還原引發(fā)劑的濃度和打印所需對象所需的時間。作為概念驗證，本文通過退火帶有開放通道的水凝膠，成功制備了一個封閉的蛇形儲存器。

圖3 CLEAR技術能夠將高度糾纏的水凝膠加工成具有復雜拓撲結構的三維物體

【使用CLEAR打印技術對組織粘附進行空間編程】
水凝膠因其在物理性質上的可調性和傳遞治療藥物的能力，正被開發(fā)為多功能的組織粘合劑，然而，堅硬但易碎的水凝膠的粘合很困難，因為界面裂縫容易引發(fā)內聚性失效。因此，人們希望提高材料的韌性以消散機械能并限制裂縫擴展。已有多種方法被描述用于增強水凝膠的韌性（例如，互穿聚合物網絡或軟硬區(qū)域的復合水凝膠）；然而，這些系統(tǒng)通常需要多步驟制造并且表現出明顯的機械滯后性。   

高度糾纏的水凝膠因其單網絡設計和能夠3D打印預設幾何形狀的能力而提供了解決方案（圖4A）。為通過形成界面鍵來幫助粘合，本文在高度糾纏的水凝膠中引入了羧酸基團。使用CLEAR打印的高度糾纏的粘合水凝膠（丙烯酰胺：丙烯酸的摩爾比為1:1）顯示出高彈性模量（ET）220 kPa和功函數（Wf）774 kJ m−3，分別幾乎是單獨使用DLP打印的6倍和4.6倍，前者具有低滯后性（拉伸2時的12.6%）和高人骨髓間充質細胞存活率（>95%）。當水凝膠應用于離體豬心臟組織時，通過物理交聯（即氫鍵或靜電相互作用）實現了牢固的粘合，并且通過與一種成熟的橋接聚合物（例如，殼聚糖）的機械互鎖進一步增強了粘合的穩(wěn)定性。當應用于各種濕潤的豬組織（例如，心臟、肺、胃、小腸或肌腱）時，CLEAR打印的粘合水凝膠展現出高界面韌性（Γint，平均值從265到895 J m−2）和剪切強度（高達50 kPa）值（圖4B）。例如，使用CLEAR打印的、高度糾纏的單網絡水凝膠獲得的界面韌性（高達1410 J m−2）與鑄造的雙網絡水凝膠相當（400到1700 J m−2），遠高于使用相同粘合方法的鑄造單網絡水凝膠（10到400 J m−2）。   

圖4 CLEAR打印技術使得高度糾纏的水凝膠具有空間可編程的組織粘附性成為可能

堅韌的水凝膠可以迅速制成所需的形狀，這些形狀通過傳統(tǒng)的鑄造或成型方法很難實現。例如，3D打印使得水凝膠能夠加工成拉脹結構，這些結構賦予了大的彎曲順應性，以適應器官（例如，豬心臟）的曲面，即使在血液存在的情況下也是如此（圖4C）。CLEAR打印的粘合水凝膠的性能還允許即使在大變形下也能保持粘合，不會導致脫粘或破裂，在腸道組織周圍包裹，同時允許蠕動運動（通過體外磷酸鹽緩沖鹽水流動模擬）而不會造成收縮，并且?guī)缀跄芤越?3 kPa的強大側向整合力壓配到軟骨缺損處。在高度糾纏的粘合水凝膠中CLEAR打印開放凹槽，便于直接在組織界面形成封閉通道而不會發(fā)生泄漏，這可用于局部遞送治療劑或將試劑輸送到觸發(fā)分離的部位（圖4D）。此外，CLEAR使得能夠打印具有可調粘合性的水凝膠，通過3D脊實現了粘合強度的空間編程，即通過將脊間距增加一倍，穩(wěn)態(tài)剝離力從近2.9 N降低到1.7 N。可以通過包含非線性切口的超材料圖案來使用粘合，以抑制裂縫擴展。利用CLEAR打印帶有編程非線性切口的水凝膠可以實現定向粘合，其中正向方向會困住傳播的裂縫并將它們引導至反方向，以實現高且穩(wěn)定的粘合力（FS = 2.2 ± 0.6 N），而在反方向剝離僅需0.4 N（約五倍低）的力（圖4E）。這種方法與未圖案化的水凝膠相比，將粘合力和剝離力提高了兩倍，而無需改變材料成分。   

【總結與展望】
為某些特定應用定制水凝膠的空間粘附性以確保可逆性是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管可以通過超聲波或修改基底來實現圖案化，但這些方法在3D復雜性上十分有限，而多材料CLEAR打印是一種簡單方法，其可以在z或xy方向上區(qū)分“粘性”（丙烯酰胺和丙烯酸）和“滑性”（丙烯酰胺）區(qū)域。當應用于組織時，CLEAR打印貼片中的滑性區(qū)域無法粘附，這便于輕松移除而不損壞下面的基底，而粘性區(qū)域則確保貼片與組織的結合。多材料CLEAR打印可用于將高含水量的水凝膠粘合到彈性體上，這克服了鑄造和成型方法的固有問題。多材料CLEAR打印還允許將粘合水凝膠層與彈性體整合，從而形成功能性水凝膠-彈性體混合體，這些混合體具有組織粘附性并克服了低橋接聚合物滲透到彈性體中的挑戰(zhàn)。這些示例展示了3D打印和CLEAR尚未開發(fā)的潛力，這可以為設計下一代基于水凝膠的組織粘合劑開辟道路，用于感知、監(jiān)測和管理人類健康。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925