杜克大學(xué)為可生物降解的醫(yī)療植入物開發(fā)新型無溶劑3D打印材料

2024年10月29日，南極熊獲悉，美國杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員發(fā)明了一種用于數(shù)字光處理（DLP）打印的新型無溶劑聚合物。這種聚合物的創(chuàng)新之處在于其低粘度特性，允許它在不使用任何溶劑的情況下直接用于DLP 3D打印機，從而解決了傳統(tǒng)DLP打印中常見的尺寸精度和機械性能問題。

△這項研究的詳細內(nèi)容發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)國際版》上，題目為“可降解聚（烯丙基縮水甘油醚琥珀酸酯）的合成及無溶劑DLP 3D打印”（傳送門）

技術(shù)研發(fā)背景

增材制造技術(shù)已經(jīng)深刻變革了多個行業(yè)，并預(yù)計將在未來繼續(xù)擴大其影響范圍。盡管公眾可能更熟悉噴墨打印機樣式的3D打印機，但另一種增材制造技術(shù)——數(shù)字光處理（DLP）也正以其獨特優(yōu)勢嶄露頭角。DLP技術(shù)在工業(yè)和牙科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它的核心原理是利用光固化技術(shù)將液態(tài)樹脂逐層轉(zhuǎn)化成固態(tài)部件，形象地說，就是從一層薄薄的樹脂池中“拉出”實體物體。

然而，DLP打印面臨的一個主要挑戰(zhàn)在于樹脂必須具備極低的粘度，幾乎與水相當(dāng)，以便在高分辨率下正常工作。許多適用于DLP打印的聚合物原本是固體形態(tài)或過于粘稠，因而需要添加溶劑以達到適當(dāng)?shù)牧鲃有浴?br />
目前存在的問題是，引入這些溶劑會帶來顯著的缺點，例如可能導(dǎo)致零件在打印后出現(xiàn)高達30%的收縮，以及溶劑蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這些都會影響最終產(chǎn)品的尺寸精度。

這種無溶劑聚合物的優(yōu)勢在于它能夠消除因溶劑蒸發(fā)而導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和收縮問題，從而提高打印部件的尺寸精度。此外，它還改善了部件的機械性能，并保持了在體內(nèi)降解的能力，這對于醫(yī)療應(yīng)用尤其重要。這種新材料的開發(fā)標志著DLP技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)和其它應(yīng)用領(lǐng)域的一大進步。

△樣件通過數(shù)字光處理技術(shù)和新型無溶劑樹脂打印而成，展現(xiàn)了新材料能夠?qū)崿F(xiàn)的精細細節(jié)

創(chuàng)新無溶劑DLP樹脂

該研究由MEMS博士候選人Maddiy Segal領(lǐng)導(dǎo)，并在Hugo L. Blomquist杰出化學(xué)教授Matthew Becker的實驗室進行。Segal表示，她致力于為DLP技術(shù)開發(fā)一種固有的薄而低粘度的材料，特別是用于可降解醫(yī)療設(shè)備。通過多次嘗試，Segal找到了最佳單體和合成技術(shù)，成功創(chuàng)造了一種新型聚合物，它可以在DLP打印機中無需稀釋直接使用。

采用新材料打印的測試部件，在測試中沒有出現(xiàn)收縮或變形，并且相較于使用溶劑制造的部件，它們展現(xiàn)出了更高的強度和耐用性。Segal的研究成果首次提供了通過消除DLP 3D打印中可降解聚合物的溶劑使用來提升機械性能的實證。

為了開發(fā)這種新型聚合物，Segal分析了Becker實驗室及其它研究機構(gòu)開發(fā)的現(xiàn)有樹脂的結(jié)構(gòu)與特性，并通過經(jīng)驗性方法逐步調(diào)整單體和鏈長，以實現(xiàn)所需的低粘度聚合物。她的方法類似于“試錯法”，通過不斷調(diào)整聚合物的配方，直至找到理想組合。

這個過程類似于烹飪，需要混合特定的成分，加熱并測試結(jié)果，直至達到預(yù)期效果�？傮w而言，Segal嘗試了大約60種不同的配方，最終得到了她所期望的產(chǎn)品。

△新的合成方法示意圖。用于制備出一種低粘度、可降解的聚酯材料，并通過與特定交聯(lián)劑結(jié)合，形成一種無溶劑樹脂，用于3D打印

可生物降解的植入物

Segal說道：“除了制造一種既不收縮又更堅固的材料外，我還希望它能適用于醫(yī)療領(lǐng)域。我正試圖創(chuàng)造一種既具有生物相容性又可降解的原型設(shè)備。去除生產(chǎn)過程中的有毒溶劑將有助于實現(xiàn)這一目標�！�

Segal的終極目標是將這項技術(shù)應(yīng)用于可生物降解的醫(yī)療植入物。目前，一些用于制造臨時醫(yī)療植入物的材料是不可降解的，這意味著它們不僅需要多次手術(shù)才能植入，還需要額外手術(shù)才能移除。Segal的研究旨在開發(fā)能夠通過人體自然代謝過程降解的植入物。她補充道：“這項技術(shù)可以應(yīng)用于任何類型的植入物，只要設(shè)計目的是在一段時間后自然降解，而不是永久留在體內(nèi)。”

使用這種材料制造的設(shè)備可以植入人體，并設(shè)計成隨時間自然降解，避免了需要額外手術(shù)移除的需要。此外，它還可以作為骨粘合劑使用，暫時固定骨折，或者用于軟機器人領(lǐng)域，這些應(yīng)用需要柔軟且可降解的材料。