近日，比利時根特大學Sandra Van Vlierberghe課題組開發(fā)了一種基于巰基-烯化學反應實現(xiàn)光交聯(lián)的
聚ε-己內酯（PCL）材料體系，并利用該材料體系首次實現(xiàn)了生物可降解聚酯材料的高分辨率體積3D
打印。作者制備出了迄今為止最小的體積3D打印巰基-烯交聯(lián)聚ε-己內酯材料。相對于傳統(tǒng)丙烯酸酯交
聯(lián)的聚ε-己內酯材料來說，這種材料的力學性能提高了10倍以上，材料的交聯(lián)程度及性能具有靈活的
可調性。這項研究為在高分辨率下快速制造定制化的醫(yī)療植入物開辟了一條新途徑。相關研究成果發(fā)
表于Advanced Materials上，文章鏈接DOI：10.1002/adma.202210136。

正文

隨著組織工程學和再生醫(yī)學的快速發(fā)展，越來越多生物材料用于修復組織損傷。近年來，為了
克服傳統(tǒng)組織工程技術面臨的問題，醫(yī)學界提出了原位組織再生修復的概念，該技術是將具有
生物降解特性的支架直接植入到體內缺損部位，利用支架材料固有的生物學活性和誘導分化能
力來促進體內細胞的遷移、增殖和分化來實現(xiàn)缺損組織的修復。待受損組織修復后，植入的支
架材料緩慢降解，損傷的機體恢復如初。聚已內酯作為一種優(yōu)良的生物醫(yī)用材料，具有良好的
柔韌性、可加工性、生物相容性和可生物降解性，植入人體后對人體免疫系統(tǒng)無明顯影響，在
體內降解后沒有殘留，對于制造醫(yī)療植入物是很好的選擇。

體積3D打印技術（volumetric 3D-printing, VP）是指將特定圖案的光直接投影到連續(xù)旋轉的
樹脂中，實現(xiàn)樹脂固化成型。相對于傳統(tǒng)的光固化3D打印技術（例如：DLP數(shù)字光處理），體
積3D打印技術具有成型時間短（僅需數(shù)十秒）、分辨率高（可達微米級）、打印復雜結構無需
支撐并兼容高粘度（大于4 Pa·s）的樹脂墨水等優(yōu)勢，因此非常適合于特殊病人醫(yī)療植入物的
高效定制。

利用光固化3D打印技術實現(xiàn)聚ε-己內酯材料的成型，一般需要在聚ε-己內酯的分子鏈上引入可
以實現(xiàn)光交聯(lián)的官能團。目前，這方面的研究都是通過在聚ε-己內酯分子鏈上引入丙烯酸酯基
團來實現(xiàn)。然而，丙烯酸酯交聯(lián)的聚ε-己內酯材料存在脆性大、力學性能不佳的缺點（斷裂強
度< 2 MPa，斷裂伸長率< 49%）。為了克服這一限制，比利時根特大學Sandra Van Vlierb
erghe課題組將巰基-烯交聯(lián)引入聚ε-己內酯材料，開發(fā)了一種新的材料體系。所制備的材料與
目前性能最好的光交聯(lián)聚ε-己內酯材料相比，斷裂強度和斷裂伸長率提高了10倍以上。這種結
果歸因于交聯(lián)網(wǎng)絡中均勻的拓撲結構以及所涉及的階躍生長聚合機制。在本文中，作者實現(xiàn)了
這種材料的高分辨率體積3D打印，3D打印結構的交聯(lián)網(wǎng)絡具有可調性并展現(xiàn)出優(yōu)異的力學性
能。在具體的研究中，作者首先通過兩步、一鍋法合成了兩端具有烯烴官能團的線性聚ε-己內
酯（Scheme 1），并通過核磁共振譜圖確認了目標產(chǎn)物的化學結構（Figure 1）。

作者進一步將兩端具有烯烴官能團的線性聚ε-己內酯與具有四個巰基官能團的交聯(lián)劑混合，
制備了可光交聯(lián)的聚ε-己內酯材料體系。通過控制線性聚ε-己內酯分子鏈的長度（Mc），
可以方便地調節(jié)交聯(lián)網(wǎng)絡的疏密程度。作者研究了具有不同Mc的聚ε-己內酯材料的光流變
性（Figure 2）。實驗數(shù)據(jù)表明，Mc對凝膠點(即G’和G”的交點坐標)沒有明顯的影響，
較高的Mc僅能使凝膠點出現(xiàn)的時間略微延遲。基于橡膠彈性理論，可以實現(xiàn)對階躍生長
的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡進行預測，以獲得與預期目標相符的聚ε-己內酯交聯(lián)網(wǎng)絡。作者研究
了具有不同交聯(lián)程度的聚ε-己內酯材料的耐候性能、力學強度和可生物降解性。

作者研究了線性聚ε-己內酯分子鏈的長度（Mc）對交聯(lián)材料各方面性能的影響。Mc 越小
交聯(lián)密度越高，Mc越大交聯(lián)密度越低。DSC數(shù)據(jù)表明，隨著Mc的增加，巰基-烯交聯(lián)的
聚ε-己內酯的熔融溫度呈上升趨勢（Figure 3A）。加速降解試驗(即將材料暴露于5 M
NaOH中)的結果表明降解速率對Mc有很強的依賴性，更高的交聯(lián)密度(即降低Mc)會加速
降解（Figure 3B）。為了模擬材料在生理條件下的降解行為，將材料在37 °C的磷酸鹽
緩沖液中降解一個月。結果表明，在各種交聯(lián)程度的材料中都沒有明顯的降解發(fā)生（Figure
3C）。應力-應變曲線顯示，材料在拉伸過程中會發(fā)生明顯的塑性變形，隨著Mc的增加塑
性變形更加明顯（Figure 3D）。與丙烯酸酯交聯(lián)的聚ε-己內酯材料相比，本研究開發(fā)的
巰基-烯交聯(lián)聚ε-己內酯材料在斷裂伸長率和斷裂強度方面均有明顯的提升（Figure 3E,F）
 

基于體積3D打印技術，作者將定制圖案投影到雙烯烴官能化的線性聚ε-己內酯與四巰基交聯(lián)劑的
混合墨水中，實現(xiàn)了快速、高分辨率地制備定制化的三維結構。作者對打印參數(shù)進行了優(yōu)化，同
時制定了打印結構的篩選標準（Figure 4）。按照作者制定的篩選標準，3D打印的管狀結構通常
可以被劃分為三種狀態(tài)。過短的投影時間會導致打印產(chǎn)物成為一個未完全固化的團聚物，未固化
的部分粘性很大并沒有預期的規(guī)整形狀；相反，過長的投影時間導致管狀產(chǎn)品中央的孔道也被固
化的樹脂所填充；合適的投影時間可以使3D打印的管狀結構具有符合預期的完美形狀和較高的規(guī)
整度。

作者基于所開發(fā)的巰基-烯交聯(lián)聚ε-己內酯材料體系，通過體積3D打印技術制備了復雜的金剛石晶
體三維結構和人工血管結構（Figure 5）。該血管結構具有900 μm的中心通道和400 μm的壁厚，
證實所開發(fā)的材料體系可以通過體積3D打印技術實現(xiàn)高精度的成型。并且3D打印的結構具有豐富
的微觀孔隙，利于人體細胞的遷入和組織的再生與修復。

最后，作者評估了3D打印聚ε-己內酯結構的生物相容性和細胞毒性。體外和體內實驗結果表明，3D
打印結構對小鼠干細胞的活力和代謝活性以及小鼠的健康沒有明顯的影響（Figure 6）。因此，通過
體積3D打印技術制備的巰基-烯交聯(lián)聚ε-己內酯結構是無毒和完全生物相容的。

總結

Sandra Van Vlierberghe課題組開發(fā)了基于巰基-烯化學反應實現(xiàn)光交聯(lián)的聚ε-己內酯材料體系，并首次
實現(xiàn)了生物可降解聚酯材料的體積3D打印�；�于先進的體積3D打印技術，可以在高分辨率下快速制備具
有定制化外形的復雜結構。在本研究中，作者實現(xiàn)了巰基-烯交聯(lián)聚ε-己內酯材料體系迄今為止最高分辨
率的3D打印。這項研究為高效制造具有定制化結構的可降解醫(yī)療植入物開辟了新的途徑。

文獻詳情：

Quinten Thijssen, Astrid Quaak, Joseph Toombs, Elly De Vlieghere, Laurens Parmentier, Hayden
Taylor,Sandra Van Vlierberghe*. Volumetric printing of thiol-ene photo-cross-linkablepoly(ε-cap
rolactone):a tunable material platform serving biomedical applications,
Adv.Mater. , 2023 , https://doi.org/10.1002/adma.202210136.