杜克大學(xué)為可生物降解的醫(yī)療植入物開(kāi)發(fā)新型無(wú)溶劑3D打印材料

2024年10月29日，南極熊獲悉，美國(guó)杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員發(fā)明了一種用于數(shù)字光處理（DLP）打印的新型無(wú)溶劑聚合物。這種聚合物的創(chuàng)新之處在于其低粘度特性，允許它在不使用任何溶劑的情況下直接用于DLP 3D打印機(jī)，從而解決了傳統(tǒng)DLP打印中常見(jiàn)的尺寸精度和機(jī)械性能問(wèn)題。

△這項(xiàng)研究的詳細(xì)內(nèi)容發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)國(guó)際版》上，題目為“可降解聚（烯丙基縮水甘油醚琥珀酸酯）的合成及無(wú)溶劑DLP 3D打印”（傳送門(mén)）

技術(shù)研發(fā)背景

增材制造技術(shù)已經(jīng)深刻變革了多個(gè)行業(yè)，并預(yù)計(jì)將在未來(lái)繼續(xù)擴(kuò)大其影響范圍。盡管公眾可能更熟悉噴墨打印機(jī)樣式的3D打印機(jī)，但另一種增材制造技術(shù)——數(shù)字光處理（DLP）也正以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)嶄露頭角。DLP技術(shù)在工業(yè)和牙科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它的核心原理是利用光固化技術(shù)將液態(tài)樹(shù)脂逐層轉(zhuǎn)化成固態(tài)部件，形象地說(shuō)，就是從一層薄薄的樹(shù)脂池中“拉出”實(shí)體物體。

然而，DLP打印面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)在于樹(shù)脂必須具備極低的粘度，幾乎與水相當(dāng)，以便在高分辨率下正常工作。許多適用于DLP打印的聚合物原本是固體形態(tài)或過(guò)于粘稠，因而需要添加溶劑以達(dá)到適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。

目前存在的問(wèn)題是，引入這些溶劑會(huì)帶來(lái)顯著的缺點(diǎn)，例如可能導(dǎo)致零件在打印后出現(xiàn)高達(dá)30%的收縮，以及溶劑蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這些都會(huì)影響最終產(chǎn)品的尺寸精度。

這種無(wú)溶劑聚合物的優(yōu)勢(shì)在于它能夠消除因溶劑蒸發(fā)而導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和收縮問(wèn)題，從而提高打印部件的尺寸精度。此外，它還改善了部件的機(jī)械性能，并保持了在體內(nèi)降解的能力，這對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用尤其重要。這種新材料的開(kāi)發(fā)標(biāo)志著DLP技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)和其它應(yīng)用領(lǐng)域的一大進(jìn)步。

△樣件通過(guò)數(shù)字光處理技術(shù)和新型無(wú)溶劑樹(shù)脂打印而成，展現(xiàn)了新材料能夠?qū)崿F(xiàn)的精細(xì)細(xì)節(jié)

創(chuàng)新無(wú)溶劑DLP樹(shù)脂

該研究由MEMS博士候選人Maddiy Segal領(lǐng)導(dǎo)，并在Hugo L. Blomquist杰出化學(xué)教授Matthew Becker的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。Segal表示，她致力于為DLP技術(shù)開(kāi)發(fā)一種固有的薄而低粘度的材料，特別是用于可降解醫(yī)療設(shè)備。通過(guò)多次嘗試，Segal找到了最佳單體和合成技術(shù)，成功創(chuàng)造了一種新型聚合物，它可以在DLP打印機(jī)中無(wú)需稀釋直接使用。

采用新材料打印的測(cè)試部件，在測(cè)試中沒(méi)有出現(xiàn)收縮或變形，并且相較于使用溶劑制造的部件，它們展現(xiàn)出了更高的強(qiáng)度和耐用性。Segal的研究成果首次提供了通過(guò)消除DLP 3D打印中可降解聚合物的溶劑使用來(lái)提升機(jī)械性能的實(shí)證。

為了開(kāi)發(fā)這種新型聚合物，Segal分析了Becker實(shí)驗(yàn)室及其它研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與特性，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)性方法逐步調(diào)整單體和鏈長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)所需的低粘度聚合物。她的方法類(lèi)似于“試錯(cuò)法”，通過(guò)不斷調(diào)整聚合物的配方，直至找到理想組合。

這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于烹飪，需要混合特定的成分，加熱并測(cè)試結(jié)果，直至達(dá)到預(yù)期效果�？傮w而言，Segal嘗試了大約60種不同的配方，最終得到了她所期望的產(chǎn)品。

△新的合成方法示意圖。用于制備出一種低粘度、可降解的聚酯材料，并通過(guò)與特定交聯(lián)劑結(jié)合，形成一種無(wú)溶劑樹(shù)脂，用于3D打印

可生物降解的植入物

Segal說(shuō)道：“除了制造一種既不收縮又更堅(jiān)固的材料外，我還希望它能適用于醫(yī)療領(lǐng)域。我正試圖創(chuàng)造一種既具有生物相容性又可降解的原型設(shè)備。去除生產(chǎn)過(guò)程中的有毒溶劑將有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)�！�

Segal的終極目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于可生物降解的醫(yī)療植入物。目前，一些用于制造臨時(shí)醫(yī)療植入物的材料是不可降解的，這意味著它們不僅需要多次手術(shù)才能植入，還需要額外手術(shù)才能移除。Segal的研究旨在開(kāi)發(fā)能夠通過(guò)人體自然代謝過(guò)程降解的植入物。她補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于任何類(lèi)型的植入物，只要設(shè)計(jì)目的是在一段時(shí)間后自然降解，而不是永久留在體內(nèi)�！�

使用這種材料制造的設(shè)備可以植入人體，并設(shè)計(jì)成隨時(shí)間自然降解，避免了需要額外手術(shù)移除的需要。此外，它還可以作為骨粘合劑使用，暫時(shí)固定骨折，或者用于軟機(jī)器人領(lǐng)域，這些應(yīng)用需要柔軟且可降解的材料。