美国宾夕法尼亚大学：弹性模量提高3.5倍！新型3D打印技术
时间:2024-09-30 14:31 来源:EFL生物3D打印与生物制造 作者:admin 点击:次
纠缠在自然界中无处不在，从染色体DNA到蠕虫的动态纠缠都有例子。聚合物熔体中的纠缠已经被广泛研究；然而，纠缠对聚合物网络的疲劳和断裂的作用直到最近才被认识到。与化学交联不同，纠缠作为非永久性交联，可以在应力下相互滑动，从而同时增加材料模量和韧性，而不会导致脆化或滞后。因此，人们有兴趣利用纠缠作为材料内的增强手段，包括通过新兴的光刻增材制造技术生产的材料，如数字光处理（DLP）、连续液体界面生产或计算轴向光刻。由于预先存在的纠缠使得聚合物熔体具有极高的粘度，这些方法难以均匀加工聚合物熔体。因此，开发低粘度（单体或低聚物）树脂，在聚合物链形成时引入纠缠是有益的。实现链增长和密集链纠缠的同时发生需要精确控制树脂成分（即单体、交联剂和光引发剂）。一种方法是使用异常低的光引发剂浓度（<0.01 wt.%）；然而，这导致反应速率缓慢（数小时），与许多依赖快速交联（几秒钟内）的槽式光聚合技术（例如，DLP）不兼容（图1A）。高光引发剂浓度或辐射暴露显著加快聚合速度，但这些方法导致过多的起始点和链终止事件，建立了一个含有高比例悬垂链的网络。这些悬垂链上的纠缠没有被共价交联所固定，因此在张力下的较高负载下无法承受。因此，在高度纠缠的聚合物网络的槽式光聚合中存在一个权衡，其中制造需要快速反应，但这减少了聚合物拥挤和有效纠缠的形成。
来自美国宾夕法尼亚大学的Jason A. Burdick团队提出了一种结合了光照聚合和暗反应聚合的策略，使得构成聚合物链在打印结构形成时能够密集地纠缠在一起。这种通用的方法可以在室温下达到高单体转化率，而无需在打印后额外施加如光或热等刺激，并能够实现高度纠缠的水凝胶和弹性体的增材制造，其延展能量是传统DLP的四到七倍。本文使用这种方法打印了高分辨率和多材料结构，具有空间编程粘附湿组织等特性。相关工作以题为“Additive manufacturing of highly entangled polymer nETworks”的文章发表在2024年08月01日的国际顶级期刊《Science》。
【用于3D打印的结合光照聚合和暗反应聚合】
DLP是一种有前景的自下而上的槽式光聚合方法，它允许通过逐层投影2D切片图像来高速制造3D物体。尽管DLP充满希望，但处理参数，如用于控制分辨率的光衰减添加剂、氧阻聚和自由基介导链增长反应的扩散限制，可能会引入单体转化率的梯度，从而降低长聚合物链的总体浓度和打印物体的最终强度（图1B）。为克服这种机械性能-可加工性的冲突，在这项工作中，本文引入了一步连续固化过程，即光照后辅助氧化还原引发的CLEAR过程，以使用槽式光聚合方法形成高度纠缠的聚合物网络。CLEAR允许空间光照射（即光聚合）来设定物体的形状，而补充的氧化还原反应（即暗反应聚合）允许物体内未反应的单体缓慢达到完全转化，从而实现高浓度的聚合物链纠缠（图1C）。这种连续固化过程在室温下进行，无需涉及光或热的额外步骤。
本文首先展示了CLEAR在水凝胶加工中的应用。尽管水凝胶在组织修复、药物输送和生物医学设备方面引起了人们的兴趣，但3D打印水凝胶的机械性能通常远低于通过铸造的水凝胶。本文选择丙烯酰胺作为本文模型单体，低浓度的双丙烯酰胺作为交联剂。当通过铸造以非常慢的反应速率形成时，水凝胶包含密集的纠缠和稀疏的交联，从而实现高模量和高韧性。对于打印，DLP树脂包含了单体、交联剂、光引发剂和光吸收剂的混合物，而CLEAR树脂则在3D打印前加入了相同的成分以及氧化还原引发剂。在没有交联剂的情况下，从DLP和CLEAR树脂制备的薄（100微米）薄膜的1H核磁共振（NMR）光谱表明，对于CLEAR，丙烯酰胺消失并出现了聚丙烯酰胺（~98%转化率），而对于DLP，~95%的丙烯酰胺仍未反应（图1D）。当使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量时，薄膜的光暴露（与打印期间传递到单层的能量0.2 J cm−2相匹配）在辐照期间为DLP和CLEAR树脂都导致了近20%的转化率（图1E）。然而，辐照后DLP的转化率保持不变，而CLEAR的转化率随着氧化还原反应（暗反应聚合）完全消耗未反应的单体而稳步增加到100%。这种暗反应聚合也通过CLEAR随时间增加的储存模量（G′）反映出来，相比之下，DLP的G′在光辐照后保持不变（图1F）。
图1 CLEAR打印
DLP和CLEAR水凝胶树脂被3D打印成固体物体并膨胀直至平衡。与使用DLP打印的水凝胶相比，使用CLEAR打印的水凝胶在拉伸下的弹性模量（ET）和断裂功（Wf）分别增加了近两倍和四倍，并且其性能与铸造获得的水凝胶相匹配（图2A到C）。CLEAR打印的水凝胶承受了高达250 kPa的名义应力（这对应于接近1 MPa的真实拉伸强度），而DLP打印的水凝胶则明显较弱，在低拉伸伸长率下就失效了，这一点通过CLEAR打印的水凝胶环在近200 kPa的名义应力下提起重物的能力进一步得到说明（图2D）。此外，CLEAR打印的水凝胶的ET和Wf与拉伸速率的两个数量级无关，这意味着近乎完美的弹性。
对CLEAR打印水凝胶的弹性的理论预测表明，相对于共价交联，其纠缠水平高出11倍至15倍。CLEAR打印的水凝胶还在压缩和剪切下显示出增加的机械性能，以及在膨胀后聚合物含量增加荧光探针扩散速度减慢，这可能是由于在CLEAR水凝胶内单体转化率提高导致的聚合物链纠缠或有效交联增加。当通过原子力显微镜（AFM）在纳米尺度上映射时，与DLP制造的水凝胶相比，CLEAR打印的水凝胶表现出高出3.5倍的模量（图2E），这一现象在整个z层的深度中都能观察到，意味着CLEAR驱动整个打印部件达到更高的转化率，而不仅仅是最外层的xy层。所有测试都是在膨胀的水凝胶上进行的，这更好地代表了水凝胶使用的环境，但并非所有报道的水凝胶都是这种情况，这可能会显著降低它们的机械性能。尽管是3D打印并膨胀的，CLEAR打印的高度纠缠的单网络水凝胶的ET和Wf值匹配或超过了已报道的单网络水凝胶的ET和Wf值（图2F）。
图2 CLEAR技术使得具有增强机械性能的高度纠缠水凝胶的3D打印成为可能
【CLEAR打印高分辨率和多样化的3D结构】
CLEAR打印可以帮助解决高度纠缠水凝胶的机械性能-可加工性冲突。与可能因无法支撑自身重量或从构建板上恢复而难以加工的柔软或脆弱水凝胶不同，高度纠缠的水凝胶可以被加工成结构复杂的材料。CLEAR允许在水凝胶内生成多种拓扑结构（例如，模仿小梁骨的特征、打结几何形状、具有相互连接空隙的gyroid结构或大孔格构结构）或开放通道（图3A）。DLP和CLEAR都实现了高打印分辨率和保真度（即使在膨胀后，名义xy和z负特征尺寸也达到~400微米），暗反应聚合不会对分辨率产生负面影响。CLEAR也可用于多材料打印，以在z和xy方向上创建异质区域（图3B），以及打印成适应曲面的多孔几何形状，从而制成“坚硬但灵活”的材料（图3C）。此外，CLEAR打印的水凝胶可以被塑造成拉胀结构，如超材料格构（例如，八面体桁架）（图3D）或线圈（图3E），这些结构可以承受压缩或拉伸负载，且几乎无滞后现象（通过结构在去除负载后能够恢复其原始形状而不发生塑性变形的能力来证明）。最后，CLEAR可以修改为连续打印方法，以进一步加速处理时间，这一动机源于光刻打印技术之前的进步。
在将不同的打印组件整合成单一结构方面也有很大的兴趣（例如，嵌入电子传感器或集成微流控电路），这在使用传统打印技术时具有挑战性。在这项工作中，CLEAR作为一项退火技术，用于组装3D打印的水凝胶设备，无需任何额外的试剂或基底功能化（图3F）。持续的氧化还原反应（通过CLEAR实现）导致当两个（或更多）水凝胶接触时，在界面处形成纠缠聚合物网络。这种方法提供了强大的机械互锁，从而产生了高的整合强度（650 J m−2），与水凝胶本身的断裂韧性相似。值得注意的是，整合强度随接触前的时间（从立即到4小时之间）而降低，而达到高整合强度的时间窗口取决于氧化还原引发剂的浓度和打印所需对象所需的时间。作为概念验证，本文通过退火带有开放通道的水凝胶，成功制备了一个封闭的蛇形储存器。
图3 CLEAR技术能够将高度纠缠的水凝胶加工成具有复杂拓扑结构的三维物体
【使用CLEAR打印技术对组织粘附进行空间编程】
水凝胶因其在物理性质上的可调性和传递治疗药物的能力，正被开发为多功能的组织粘合剂，然而，坚硬但易碎的水凝胶的粘合很困难，因为界面裂缝容易引发内聚性失效。因此，人们希望提高材料的韧性以消散机械能并限制裂缝扩展。已有多种方法被描述用于增强水凝胶的韧性（例如，互穿聚合物网络或软硬区域的复合水凝胶）；然而，这些系统通常需要多步骤制造并且表现出明显的机械滞后性。
高度纠缠的水凝胶因其单网络设计和能够3D打印预设几何形状的能力而提供了解决方案（图4A）。为通过形成界面键来帮助粘合，本文在高度纠缠的水凝胶中引入了羧酸基团。使用CLEAR打印的高度纠缠的粘合水凝胶（丙烯酰胺：丙烯酸的摩尔比为1:1）显示出高弹性模量（ET）220 kPa和功函数（Wf）774 kJ m−3，分别几乎是单独使用DLP打印的6倍和4.6倍，前者具有低滞后性（拉伸2时的12.6%）和高人骨髓间充质细胞存活率（>95%）。当水凝胶应用于离体猪心脏组织时，通过物理交联（即氢键或静电相互作用）实现了牢固的粘合，并且通过与一种成熟的桥接聚合物（例如，壳聚糖）的机械互锁进一步增强了粘合的稳定性。当应用于各种湿润的猪组织（例如，心脏、肺、胃、小肠或肌腱）时，CLEAR打印的粘合水凝胶展现出高界面韧性（Γint，平均值从265到895 J m−2）和剪切强度（高达50 kPa）值（图4B）。例如，使用CLEAR打印的、高度纠缠的单网络水凝胶获得的界面韧性（高达1410 J m−2）与铸造的双网络水凝胶相当（400到1700 J m−2），远高于使用相同粘合方法的铸造单网络水凝胶（10到400 J m−2）。
图4 CLEAR打印技术使得高度纠缠的水凝胶具有空间可编程的组织粘附性成为可能
坚韧的水凝胶可以迅速制成所需的形状，这些形状通过传统的铸造或成型方法很难实现。例如，3D打印使得水凝胶能够加工成拉胀结构，这些结构赋予了大的弯曲顺应性，以适应器官（例如，猪心脏）的曲面，即使在血液存在的情况下也是如此（图4C）。CLEAR打印的粘合水凝胶的性能还允许即使在大变形下也能保持粘合，不会导致脱粘或破裂，在肠道组织周围包裹，同时允许蠕动运动（通过体外磷酸盐缓冲盐水流动模拟）而不会造成收缩，并且几乎能以近43 kPa的强大侧向整合力压配到软骨缺损处。在高度纠缠的粘合水凝胶中CLEAR打印开放凹槽，便于直接在组织界面形成封闭通道而不会发生泄漏，这可用于局部递送治疗剂或将试剂输送到触发分离的部位（图4D）。此外，CLEAR使得能够打印具有可调粘合性的水凝胶，通过3D脊实现了粘合强度的空间编程，即通过将脊间距增加一倍，稳态剥离力从近2.9 N降低到1.7 N。可以通过包含非线性切口的超材料图案来使用粘合，以抑制裂缝扩展。利用CLEAR打印带有编程非线性切口的水凝胶可以实现定向粘合，其中正向方向会困住传播的裂缝并将它们引导至反方向，以实现高且稳定的粘合力（FS = 2.2 ± 0.6 N），而在反方向剥离仅需0.4 N（约五倍低）的力（图4E）。这种方法与未图案化的水凝胶相比，将粘合力和剥离力提高了两倍，而无需改变材料成分。
【总结与展望】
为某些特定应用定制水凝胶的空间粘附性以确保可逆性是一个巨大的挑战。尽管可以通过超声波或修改基底来实现图案化，但这些方法在3D复杂性上十分有限，而多材料CLEAR打印是一种简单方法，其可以在z或xy方向上区分“粘性”（丙烯酰胺和丙烯酸）和“滑性”（丙烯酰胺）区域。当应用于组织时，CLEAR打印贴片中的滑性区域无法粘附，这便于轻松移除而不损坏下面的基底，而粘性区域则确保贴片与组织的结合。多材料CLEAR打印可用于将高含水量的水凝胶粘合到弹性体上，这克服了铸造和成型方法的固有问题。多材料CLEAR打印还允许将粘合水凝胶层与弹性体整合，从而形成功能性水凝胶-弹性体混合体，这些混合体具有组织粘附性并克服了低桥接聚合物渗透到弹性体中的挑战。这些示例展示了3D打印和CLEAR尚未开发的潜力，这可以为设计下一代基于水凝胶的组织粘合剂开辟道路，用于感知、监测和管理人类健康。
文章来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925
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