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发布时间:2023-12-18 22:00:27 阅读: 来源:气瓶厂家

可酸解的光固化3D打印生物材料

可酸解的光固化3D打印生物材料

2019年01月21日

3D打印 生物材料 可酸解 缸式聚合

3D打印由于可以定制化地制造病患所需要的特殊结构组件而被越来越多地应用于医学领域。缸式光聚合增材制造技术可以得到极好精度的高分辨率、复杂形状材PET材料试血管成功生产料来满足各种需求。但现在所使用的很多材料都缺乏生物相容性,以及在生理环境中所需要的应激反应等生物材料性能中国涂料。

对于3D打印的生物材料,需要同时兼顾其生物功能和合适的机械性能是困难的。这一挑战使得确定材料具有最优的化学、生物和机械性能,变得至关重要。新材料需要能够更好地复制生物材料的自然软组织特性。只有当材料的化学、生物和机械性能得到很好的平衡,才能得到对目标组织最好的复制(图1)。

美国弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的Donald C. Aduba, Jr.等人制造了一种可以酸解的3D打印增材制造材料,该材料在生理温度(37℃)下表现出很好的热稳定性,以及根据交联剂含量不同而可以调整的吸水性。该可酸解材料在酸性环境中会增加其解散,而且所得到的解散后的副产物表现出很好的体外细胞相容性。这一3D打印的生物材料,为施药、组织工程支架和创伤敷裹等应用,提供了很好的潜在前景。

能够用于制造对pH响应的材料包括叔烷基酯、含氟苯基酯和聚丙交酯-co-乙交酯等材料。Donald等人的工作中所制备的交联剂叔烷基二丙烯酸酯,该交联剂为聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)提供了交联络结构。

对于可酸解交联剂的制造,是通过2,5-二甲基-2,5-丁二醇和酰氯,在三乙胺以及DCM环境中反应得到的(图2)。

这一交联剂再和聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA,制冷机组平均分子量500),在光引发剂二甲氧基苯乙酮(DMPA)存在条件性进行光聚合,最终得到所需要的可酸解生物材料。

用于性能测试的薄膜制备,是在PEGMA的配方中,分别包含重量百分比分别为0,1和10wt%的可酸解交联剂,2wt%的DMPA,以及0.5wt%阿伏苯宗(Avobenzone)紫外阻滞剂,并分别命名为PEGMA-0,PEGMA-1,PEGMA-10 xlinker。固化用光源为功率9W,波长365nm紫外灯,辐照强度为2.5mW/cm2。光固化后的膜,在异丙醇溶剂中浸泡10分钟来除去残留的单体,再后固化1分钟来达到最终交联效果。

对于3D打印材料的制备,是首先通过实验获得树脂交联络的工作曲线,然后再对含有不同可酸解交联剂比例的PEGMA配方进行3D打印光聚合得到固体的长方体和格子框架材料(图3)。

图3 a) 长方体和格子框架CAD模型,b) 相应的缸式光聚合后的光聚合PEGMA 10-linker 3D凝胶络

所使用的增材3D打普兰印设备的配置如图4所示。曝光强度为7.5mW/cm2,所得到的物件高度最高为8mm,每层厚度100微米。

图4 增材3D打印设备的设置示意图

升压器实验发现,在该条件下如果曝光强度低于3其中1款试制品被称之为“SHIRANUI神秘之光”0秒(225mJ•cm-2)时,由于配方中PEGMA的单官能特点,打印层将不能完全固化。对三个配方材料的TGA分析显示,他们的Td,5%均大于250°C,同时在相关生理温度(即37 °C)下,均表现出很好的热稳定性。

不同交联剂含量的三个体系PEGMA-0,PEGMA-1,和PEGMA-10 xlinker,对于最终的吸水量表现出很少的波动,在95%湿度下,分别为56.1,55.6和53.1wt%。这说明在交联剂含量较低的情况下,吸水性表现很接近。

图5 光固化后二手跑车PEGMA络体系的吸水性分析

在pH值为1的环境下浸泡6小时,PEGMA-0,PEGMA-1,和PEGMA-10 xlinker配方的长方体样品分别表现出35.67 ± 1.240%,48.50 ± 3.384%,和54.22 ± 2.414%的质量损失,格子框架材料则分别表现出54.44 ± 4.493%,52.14 ± 3.196%,和62.34 ± 2.271%的质量损失(图6)。总体来说,可酸解交联剂的含量越高的情况下,其在酸性环境中所表现出来的质量损失越大。

图6 光固化后的a)长方体和b)格子框架材料浸泡6小时后的质量损失

对三个配方的细胞培植实验表明,PEGMA-xlinker光交联材料在分别暴露24和72小时都表现出无毒性的性能(图7)。

图7 A) 成纤维细胞分别暴露于PEGMA-0 linker,PEGMA-1 linker和PEGMA-10 linker光交联络中72小时候的形态; B) 分别暴露24和72h小时后的细胞增殖(细胞数目)情况

图8 添加了可酸解交联剂的PEGMA体系的反应机理

Donald等人的工作表明,所制备的双叔烷基酯可酸解交联剂可以用于调节生物材料在生理环境中的可溶性。添加了可酸解交联剂的材料在酸性环境中表现出比中性环境中多于15%的质量损失,含量越高质量损失越大就能够很好的额分别出分析仪还是济南试金实验机。对材料的热力学和吸水性分析表明该材料具有在生理环境中施药的潜在应用。生物相容性测试表明光交联的的PEGMA络对于成纤维细胞在72小时都表现出无毒性。根据生物医学应用的实际需要,如何能够通过缸式光聚合来达到材料的设计、聚合物性能,以及加工处理性能的最优组合来制造所需的生物材料,是该应用的最终现实挑战。

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