中山大學王山峰教授團隊《Addit. Manuf.》：一種可超快打印組織工程支架的光固化樹脂

來源：高分子科技

近日，中山大學材料科學與工程學院王山峰教授團隊創(chuàng)新地使用超支化反應型稀釋劑去優(yōu)化聚富馬酸丙二醇酯（PPF）樹脂，充分利用了面投影微立體光刻技術（nanoArch P140，摩方精密）的快速制備優(yōu)勢，實現(xiàn)了可降解、無細胞毒性組織工程用多孔支架的超快、高精度打印，同時顯著提高支架結構的模量、韌性、和形變回復率。相關成果以“Projection printing of scaffolds with shape recovery capacity and simultaneously improved stiffness and toughness using an ultra-fast-curing poly(propylene fumarate)/hyperbranched additive resin”為題發(fā)表在國際著名期刊《Additive Manufacturing》上（Doi：10.1016/j.addma.2021.102446）。該期刊的影響因子為10.998，在工程-制造領域中排名第一。

PPF是一種可注射、可光固化、可降解不飽和聚酯，在骨組織工程上具有優(yōu)異應用前景。在以往使用PPF樹脂和立體光刻技術打印組織工程支架的報道中，富馬酸二乙酯（DEF）是作為反應型稀釋劑來調節(jié)樹脂粘度以獲得流動性和可打印性，然而在固化速度和所制備支架結構的力學性能上需要提高。在此論文中，經(jīng)篩選后超支化聚酯丙烯酸酯（HPA）作為反應型稀釋劑與PPF形成新型光固化樹脂，并與PPF/DEF樹脂在流變性質、熱性能、固化速度、固化深度、臨界固化能量、打印速度、打印精度，以及打印出的多孔支架結構的力學性質上進行全面的對比研究。實驗結果表明HPA可有效降低PPF的玻璃化轉變溫度和粘度，以獲得打印時的流動性，同時，HPA極大加速了PPF的光交聯(lián)過程。PPF/HPA樹脂固化需要的臨界能量極低，僅為2.1 mJ/cm2，低于PPF/DEF樹脂的六分之一。

在保證高精度的前提下，使用面投影微立體光刻3D打印技術快速成型的特性最為亮眼。對于PPF/HPA樹脂，每打印一層曝光時間僅為0.1-2 s，比目前已公開報道的使用紫外光交聯(lián)方法的3D打印技術至少縮短了一半。在50微米的分辨率下，PPF/HPA樹脂的打印速度可達18 cm/h，而PPF/DEF樹脂的打印速度僅為其五分之一。得益于更完善的交聯(lián)網(wǎng)絡，使用PPF/HPA樹脂打印的支架結構比PPF/DEF樹脂支架具有更低的收縮率、更高的剛度和韌性，以及更好的形變回復能力，具有4D打印的特性。初步體外細胞實驗也證明這些支架的細胞相容性好，為在支持骨組織修復上使用奠定了基礎。

圖1 面投影微立體光刻技術（nanoArch P140，摩方精密）快速制備PPF/HPA支架

圖2 PPF/HPA、PPF/DEF兩種樹脂的打印速度對打印分辨率和光強的依賴關系

圖3 PPF/HPA支架結構的優(yōu)異力學性能

論文為中山大學材料科學與工程學院獨立完成，第一作者為碩士研究生利文杰，第二作者為博士研究生成肖鵬，其導師王山峰教授、王苑講師為共同通訊作者。該研究得到中國國家自然科學基金（51973242）、中山大學“百人計劃”啟動經(jīng)費、廣州市科技計劃重點項目（201704020145）、和廣東省基礎與應用基礎區(qū)域性聯(lián)合研究計劃（2020A1515110674）的支持。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102446