中山大學(xué)王山峰教授團(tuán)隊(duì)《Addit. Manuf.》：一種可超快打印組織工程支架的光固化樹(shù)脂
時(shí)間：2021-11-10 20:56 來(lái)源：高分子科技 作者：admin 閱讀：次
近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王山峰教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地使用超支化反應(yīng)型稀釋劑去優(yōu)化聚富馬酸丙二醇酯（PPF）樹(shù)脂，充分利用了面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）的快速制備優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了可降解、無(wú)細(xì)胞毒性組織工程用多孔支架的超快、高精度打印，同時(shí)顯著提高支架結(jié)構(gòu)的模量、韌性、和形變回復(fù)率。相關(guān)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(guó)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(lǐng)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(yīng)用前景。在以往使用PPF樹(shù)脂和立體光刻技術(shù)打印組織工程支架的報(bào)道中，富馬酸二乙酯（DEF）是作為反應(yīng)型稀釋劑來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)脂粘度以獲得流動(dòng)性和可打印性，然而在固化速度和所制備支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(yīng)型稀釋劑與PPF形成新型光固化樹(shù)脂，并與PPF/DEF樹(shù)脂在流變性質(zhì)、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(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)上進(jìn)行全面的對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HPA可有效降低PPF的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和粘度，以獲得打印時(shí)的流動(dòng)性，同時(shí)，HPA極大加速了PPF的光交聯(lián)過(guò)程。PPF/HPA樹(shù)脂固化需要的臨界能量極低，僅為2.1 mJ/cm2，低于PPF/DEF樹(shù)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(shù)快速成型的特性最為亮眼。對(duì)于PPF/HPA樹(shù)脂，每打印一層曝光時(shí)間僅為0.1-2 s，比目前已公開(kāi)報(bào)道的使用紫外光交聯(lián)方法的3D打印技術(shù)至少縮短了一半。在50微米的分辨率下，PPF/HPA樹(shù)脂的打印速度可達(dá)18 cm/h，而PPF/DEF樹(shù)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(luò)，使用PPF/HPA樹(shù)脂打印的支架結(jié)構(gòu)比PPF/DEF樹(shù)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(fù)能力，具有4D打印的特性。初步體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也證明這些支架的細(xì)胞相容性好，為在支持骨組織修復(fù)上使用奠定了基礎(chǔ)。
論文為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獨(dú)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(dǎo)師王山峰教授、王苑講師為共同通訊作者。該研究得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（51973242）、中山大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201704020145）、和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)區(qū)域性聯(lián)合研究計(jì)劃（2020A1515110674）的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102446
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(yīng)用前景。在以往使用PPF樹(shù)脂和立體光刻技術(shù)打印組織工程支架的報(bào)道中，富馬酸二乙酯（DEF）是作為反應(yīng)型稀釋劑來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)脂粘度以獲得流動(dòng)性和可打印性，然而在固化速度和所制備支架結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(yīng)型稀釋劑與PPF形成新型光固化樹(shù)脂，并與PPF/DEF樹(shù)脂在流變性質(zhì)、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(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)上進(jìn)行全面的對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HPA可有效降低PPF的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和粘度，以獲得打印時(shí)的流動(dòng)性，同時(shí)，HPA極大加速了PPF的光交聯(lián)過(guò)程。PPF/HPA樹(shù)脂固化需要的臨界能量極低，僅為2.1 mJ/cm2，低于PPF/DEF樹(shù)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(shù)快速成型的特性最為亮眼。對(duì)于PPF/HPA樹(shù)脂，每打印一層曝光時(shí)間僅為0.1-2 s，比目前已公開(kāi)報(bào)道的使用紫外光交聯(lián)方法的3D打印技術(shù)至少縮短了一半。在50微米的分辨率下，PPF/HPA樹(shù)脂的打印速度可達(dá)18 cm/h，而PPF/DEF樹(shù)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(luò)，使用PPF/HPA樹(shù)脂打印的支架結(jié)構(gòu)比PPF/DEF樹(shù)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(fù)能力，具有4D打印的特性。初步體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也證明這些支架的細(xì)胞相容性好，為在支持骨組織修復(fù)上使用奠定了基礎(chǔ)。
圖1 面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）快速制備PPF/HPA支架
圖2 PPF/HPA、PPF/DEF兩種樹(shù)脂的打印速度對(duì)打印分辨率和光強(qiáng)的依賴關(guān)系
圖3 PPF/HPA支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)異力學(xué)性能
論文為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院獨(dú)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(dǎo)師王山峰教授、王苑講師為共同通訊作者。該研究得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（51973242）、中山大學(xué)“百人計(jì)劃”啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、廣州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201704020145）、和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)區(qū)域性聯(lián)合研究計(jì)劃（2020A1515110674）的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102446
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