杜克大學(xué)開(kāi)發(fā)出無(wú)溶劑DLP用樹(shù)脂材料，打印的植入物可實(shí)現(xiàn)生物降解

2024年10月29日，南極熊獲悉，來(lái)自杜克大學(xué)普拉特工程學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種可直接用于商業(yè)數(shù)字光處理（DLP）3D 打印機(jī)而無(wú)需溶劑稀釋的樹(shù)脂聚合物。使用DLP打印技術(shù)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是樹(shù)脂需要低粘度，幾乎像水一樣，才能實(shí)現(xiàn)高分辨率成形。許多原本可用于 DLP 打印的聚合物都是固體或太粘稠——需要用溶劑將它們稀釋到適當(dāng)?shù)某矶?。然而，添加這些溶劑也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的缺陷，例如由于部件收縮（高達(dá) 30%）以及溶劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，打印后尺寸精度較差。

在《應(yīng)用化學(xué)國(guó)際版》發(fā)表的一篇題為“Synthesis and SolventFree DLP 3D Printing of Degradable Poly(Allyl Glycidyl Ether Succinate)”論文中，杜克大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種用于DLP打印的新型無(wú)溶劑聚合物。除了消除收縮問(wèn)題外，溶劑的缺乏還導(dǎo)致部件的機(jī)械性能得到改善，同時(shí)保持在體內(nèi)降解的能力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202414016

在杜克大學(xué) Hugo L. Blomquist 杰出化學(xué)教授 Matthew Becker 實(shí)驗(yàn)室工作的 MEMS 博士生 Maddiy Segal 說(shuō)道：“我希望為 DLP 創(chuàng)建一種固有的薄而低粘度的材料，用于可降解醫(yī)療設(shè)備。經(jīng)過(guò)多次嘗試，我最終找到了最佳單體和合成技術(shù)，以創(chuàng)建一種無(wú)溶劑聚合物，無(wú)需稀釋即可在 DLP 打印機(jī)中使用?！?/div>

△杜克大學(xué)的創(chuàng)新合作實(shí)驗(yàn)室。

作為首批可用于 DLP 打印的無(wú)溶劑樹(shù)脂之一，Segal 對(duì)測(cè)試用它制成的部件的性能很感興趣。研究發(fā)現(xiàn)測(cè)試部件根本沒(méi)有收縮或變形，而且總體上也比用溶劑制成的部件更堅(jiān)固、更耐用。根據(jù)她的研究結(jié)果，這是首次通過(guò)消除 DLP 3D 打印可降解聚合物中的溶劑使用來(lái)提高機(jī)械性能的經(jīng)驗(yàn)證明之一。

為了制造出新的聚合物，Segal分析了貝克爾實(shí)驗(yàn)室和其他實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和特性，并逐步通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法修改了單體和鏈長(zhǎng)，以獲得所需的低粘度聚合物。她基本上采用了“猜測(cè)和檢查”的方法——調(diào)整聚合物的單體或“配方”，直到找到有效的組合。

這個(gè)過(guò)程與做飯并不完全不同。它涉及混合特定組合的成分，加熱它們，然后測(cè)試結(jié)果，直到達(dá)到預(yù)期的結(jié)果?？偟膩?lái)說(shuō)，西格爾嘗試了大約 60 種不同的組合，才最終做出她所希望的產(chǎn)品。

Segal說(shuō)：“除了制造一種不會(huì)收縮且更堅(jiān)固的材料外，我還希望它能用于醫(yī)療應(yīng)用。我正在嘗試制造既具有生物相容性又可降解的原型設(shè)備。消除生產(chǎn)過(guò)程中的有毒溶劑將有助于我做到這一點(diǎn)?！?/div>

她這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于可生物降解的醫(yī)療植入物。目前用于制造臨時(shí)醫(yī)療植入物的一些材料不可降解，不僅植入需要多次手術(shù)，取出也需要多次手術(shù)。Segal旨在通過(guò)她的研究開(kāi)發(fā)可通過(guò)人體自然過(guò)程降解的植入物。

用這種材料制成的設(shè)備可以植入人體，并設(shè)計(jì)成隨著時(shí)間的推移自然降解——無(wú)需進(jìn)行額外的手術(shù)來(lái)移除設(shè)備。它還可以用作骨粘合劑，​​暫時(shí)將骨折固定在一起，或者用于軟機(jī)器人應(yīng)用，這些應(yīng)用需要柔軟、可降解的材料。

Segal說(shuō)：“正是這種材料讓這一特殊應(yīng)用成為我工作的首要目標(biāo)。實(shí)際上，這項(xiàng)技術(shù)可以用于任何類(lèi)型的植入物，只要你想在一段時(shí)間后降解，而不是永遠(yuǎn)留在那里?！?/div>

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院 (1R01HL159954-01) 的支持。杜克大學(xué)已提交了一份涵蓋該技術(shù)的臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng) (申請(qǐng)?zhí)?#63544353)。