Advanced Functional Materials:通过数字化3D打印技术改进生物兼容性材料的复合网络结构

很多年前3D打印人体组织器官还只是人类广泛畅想的“科幻”技术,近年来,一些科学家在该领域取得了很多重要研究成果,其中包括对生物兼容材料的改进。生物兼容材料是可降解的聚合物,采用了天然或有机原料合成,人体对之没有强烈的排异反应,因此成为3D打印生物组织的理想原料。然而大多数生物兼容性材料并不具备身体器官所相匹配的机械性能。要想使其呈现身体组织在修复过程中所需的特异性结构,需要复杂的加工手段,而针对的研究更是寥若晨星。优化生物兼容性材料结构,创新合成和加工手段成为生物工程学的难题之一。

美国加州大学圣地亚哥分校陈绍琛课题组与合作者针对这一难题合成了具有优越生物兼容性的聚二酸癸甘油酯(poly glycerol sebacate, PGS),并通过增加丙烯酸甲酯功能团增强了PGS的可光聚特性。结合数字化控制的3D打印机以及有限元分析等手段,该课题组成功制造出高弹性及韧性的复合式网络结构,相关结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201910391 )上。

PGS是一种简单的甘油酯聚合物,由基本哺乳动物代谢产物甘油和癸二酸制成,这两种物质都在美国食品和药物管理局(FDA)的有效监管之下。 PGS改善了生物兼容材料的很多性能,如弹性、溶胀率、降解性等。PGS制成的溶胶,可以配置成特定的医用植入物的图层,进入人体后被自然降解或吸收,因此PGS被广泛地应用于外伤包扎,组织修复等生物医学领域,尤其是心血管、神经血管、整形外科和软组织的多种植入应用中。遗憾的是,尽管PGS在性能上有很多改善, 其过高的黏度及高温低压等苛刻的成型条件导致很难用于复杂结构的制造,因此目前主要的生产集中于薄膜、滤网等简单的二维物体,这极大地限制了该材料的应用。结合了丙烯酸甲酯功能团后,PGS便拥有了可光聚的特性,并可以直接应用于光学3D打印机上,而光聚之后的聚合物并不失生物兼容性的优越性。该课题组配套研发了无间断打印系统,能轻松地在高分辨率 (< 100 µm)与大型结构(>10 cm)的制造之间切换。更值得一提的是,该打印系统具有先进的数字化控制技术,可以精准地设计特定区域的曝光时间,并改变材料的交叉链接密度和机械性能,从而达到同一材料通过一次曝光就能在特定位置拥有特定机械性能,极大地扩展了该材料的应用范围,增强了相关医疗器材的制造能力。为此,研究者使用有限元分析创造了一种复合型网络结构。该结构拥有软硬两种不同机械性能的连接部分。在拉力作用下较软的结构会断裂吸收能量,而较硬的部分可以保留整体结构不受影响。通过数学模拟以及应力实验,使用聚二酸癸甘油酯做原料,通过3D打印出来的复合型网络使得结构的整体韧性增加了一倍以上。研究者相信,此项研究为弹性结构以及生物材料的研究打开了另一扇窗,也为医疗设备的制造提供了新思路。