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(jī)械性能，能夠在動態(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)，限制了它們在生物醫(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現(xiàn)快速聚合?；跀?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，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FEA優(yōu)化設(shè)計后的單網(wǎng)絡(luò)（SN）和雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸測試，證實了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(jié)構(gòu)，通過控制不同濃度的交聯(lián)劑和曝光時間，實現(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(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