3D打印的生物相容性双网络弹性体与机械性能的数字控制

供稿人:贺佩、贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

可降解生物弹性体是一类具有高柔韧性和弹性的生物高分子材料，具有与人体中软组织相似的机械性能，能够在动态环境中保障结构稳定性和完整性，在药物传递和组织工程等生物医学领域极具应用潜力。然而，其苛刻的加工条件(例如高温等)，难以适应先进制造技术构建组织工程中所需的复杂结构，限制了它们在生物医学领域的应用。开发具有优异机械性能、可适应先进制造技术的生物弹性材料，对于构建组织工程中的复杂结构具有重要意义。

聚癸二酸甘油酯（PGSA, poly(glycerol-co-sebacate) acrylate）是一种新型的合成生物相容性弹性生物材料，具有可调节的机械性能，在室温下使用紫外光可实现快速聚合。基于数字光处理（DLP，Digital-light -processing）的3D打印技术可将光聚合聚合物交联成任意复杂的形状，由于DLP打印过程中无扫描和连续性质，所制造的结构之间不存在人工界面从而增强整个结构的机械完整性。美国加州大学圣地亚哥分校的Chen等采用基于DLP的3D打印技术首次构建了使用同种材料、具有不同机械性能的网段（硬段和软段）组成的复杂PGSA双网络（DN，Double Network）结构（见图1B），通过有限元分析（FEA）探索了双网络结构的潜在失效机理，并优化3D打印参数（例如网络长宽比和刚度比），在保持低质量密度的同时提高网络结构的韧性。

图1 基于DLP的双网络弹性体3D打印过程的示意图

DN系统由硬链段和软链段两种结构组成，当DN结构被拉伸时，较软的链段用作牺牲材料以消耗能量，而较硬的链段则保持结构的形状。因此，可以在不增加材料或增加材料密度的情况下增加结构的整体韧性。研究人员使用有限元分析（FEA）模型来预测DN结构在单轴拉力作用下的破坏过程，通过使用软段作为牺牲元素，保留了硬段结构完整性。对FEA优化设计后的单网络（SN）和双网络结构进行拉伸测试，证实了DN结构的韧性是SN的两倍。一些软梁在刚性梁发生任何故障之前断裂从而消耗能量，以避免整个网络的刚性结构的破坏。 因此不间断的刚性梁可以保持网络结构的总体形状和功能，并且网络结构的整体韧性可以提高100％。

图2 SN和DN结构的机械测试

研究中使用基于DLP的3D打印从单个聚合物溶液中快速制造DN结构，通过控制不同浓度的交联剂和曝光时间，实现3D打印网络的机械性能数字化控制。打印的弹性体网络的弹性模量为150至800 kPa，而极限拉伸强度为100至300 kPa，在失效前都可以承受超过50％的应变，并且交联剂浓度和暴露时间的某些组合在断裂前可以承受大于100％的应变，远远超过了生物医学应用中的其他3D打印聚合物材料。通过在单个位置中使用不同的曝光时间将硬链段和软链段分配在特定位置来打印DN结构，通过引入软链段以增强韧性，采用牺牲梁在拉伸期间吸收能量，而硬段则保持结构的整体形状。

研究设计了具有可调控机械强度、良好生物相容性和可生物降解的弹性体网络支架，开发的FEA分析方法可用于其他生物材料的机械性能的设计优化，并结合3D打印技术应用于组织工程领域一体化构建复杂组织结构。

参考文献：
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