投影式光固化3D列印具有區域強度差異的雙網絡結構

2020-12-07 3D科學谷

目前生物3D列印所使用的生物可降解材料大多是脆性或過軟的質地，這限制了他們在組織工程中的應用。美國加州大學聖地牙哥分校的陳紹琛教授團隊發表在「Advanced FunctionMaterials」上的「3D Printing of a Biocompatible Double Network Elastomer with Digital Control of Mechanical Properties」一文中，研究人員採用投影式光固化3D列印技術來構建複雜的聚癸二酸甘油-丙烯酸酯（PGSA）雙網絡結構，所製造出的結構各部分具有不同的機械性能並具有良好的生物相容性。針對雙網絡結構體的光固化列印，研究人員利用有限元力學分析對其結構進行了優化，從而使其在力學性能上有著巨大的提升。

首先，研究人員為了驗證PGSA的可列印性，列印了絲徑為75µm的網格支架（圖1）。並通過在特定位置設定不同的曝光時間，列印出了機械性能具有區域差異性的雙網絡結構。

圖1 DLP列印流程示意圖及列印支架掃描電子顯微鏡（SEM）觀察結果

其次，研究人員對所用的PGSA/PEGDA樹脂材料進行了機械性能測試，從機械性能測試結果來看增加曝光時間會增加聚合物的拉伸模量和極限拉伸強度（圖2）。

圖2 PGSA/PEGDA複合材料的機械性能表徵

隨後，研究人員在列印的PGSA/PEGDA複合材料表面上進行內皮細胞的接種培養，經過7天的培養後細胞活性依然保持正在90%以上（圖3）。

圖3 內皮細胞的體外接種培養

在驗證完材料的生物相容性後，研究人員利用有限元分析對雙網絡結構進行了力學優化（圖4）。

圖4 不同網絡結構的力學性能測試

最後，為了對比雙網絡結構的機械性能，研究人員對比了列印出的單網絡結構（SN）和雙網絡結構（DN）的破壞測試結果（圖5）。實驗結果說明雙網絡結構相較於單網絡結構而言，其結構內較軟的部分在斷裂前起到了犧牲梁的作用，吸收了能量，從而避免了整個網絡的斷裂。

圖5 單網絡結構和雙網絡結構的力學測試

總的來說，該研究利用光固化投影3D列印技術對材料進行簡單、快速地構建及結構優化，可實現同一列印結構內的不同區域具有強度差異，並針對不同的生物醫學應用進行整體機械性能的優化，該方法設計出的機械強度高、生物相容性好、可生物降解的彈性支架在生物醫學領域具有巨大應用潛力。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910391

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