杜克大学为可生物降解的医疗植入物开发新型无溶剂3D打印材料

2024年10月29日，南极熊获悉，美国杜克大学（Duke University）的研究人员发明了一种用于数字光处理（DLP）打印的新型无溶剂聚合物。这种聚合物的创新之处在于其低粘度特性，允许它在不使用任何溶剂的情况下直接用于DLP 3D打印机，从而解决了传统DLP打印中常见的尺寸精度和机械性能问题。

△这项研究的详细内容发表在《应用化学国际版》上，题目为“可降解聚（烯丙基缩水甘油醚琥珀酸酯）的合成及无溶剂DLP 3D打印”（传送门）

技术研发背景

增材制造技术已经深刻变革了多个行业，并预计将在未来继续扩大其影响范围。尽管公众可能更熟悉喷墨打印机样式的3D打印机，但另一种增材制造技术——数字光处理（DLP）也正以其独特优势崭露头角。DLP技术在工业和牙科领域得到了广泛应用，它的核心原理是利用光固化技术将液态树脂逐层转化成固态部件，形象地说，就是从一层薄薄的树脂池中“拉出”实体物体。

然而，DLP打印面临的一个主要挑战在于树脂必须具备极低的粘度，几乎与水相当，以便在高分辨率下正常工作。许多适用于DLP打印的聚合物原本是固体形态或过于粘稠，因而需要添加溶剂以达到适当的流动性。

目前存在的问题是，引入这些溶剂会带来显著的缺点，例如可能导致零件在打印后出现高达30%的收缩，以及溶剂蒸发过程中产生的残余应力，这些都会影响最终产品的尺寸精度。

这种无溶剂聚合物的优势在于它能够消除因溶剂蒸发而导致的残余应力和收缩问题，从而提高打印部件的尺寸精度。此外，它还改善了部件的机械性能，并保持了在体内降解的能力，这对于医疗应用尤其重要。这种新材料的开发标志着DLP技术在医疗、工业和其它应用领域的一大进步。

△样件通过数字光处理技术和新型无溶剂树脂打印而成，展现了新材料能够实现的精细细节

创新无溶剂DLP树脂

该研究由MEMS博士候选人Maddiy Segal领导，并在Hugo L. Blomquist杰出化学教授Matthew Becker的实验室进行。Segal表示，她致力于为DLP技术开发一种固有的薄而低粘度的材料，特别是用于可降解医疗设备。通过多次尝试，Segal找到了最佳单体和合成技术，成功创造了一种新型聚合物，它可以在DLP打印机中无需稀释直接使用。

采用新材料打印的测试部件，在测试中没有出现收缩或变形，并且相较于使用溶剂制造的部件，它们展现出了更高的强度和耐用性。Segal的研究成果首次提供了通过消除DLP 3D打印中可降解聚合物的溶剂使用来提升机械性能的实证。

为了开发这种新型聚合物，Segal分析了Becker实验室及其它研究机构开发的现有树脂的结构与特性，并通过经验性方法逐步调整单体和链长，以实现所需的低粘度聚合物。她的方法类似于“试错法”，通过不断调整聚合物的配方，直至找到理想组合。

这个过程类似于烹饪，需要混合特定的成分，加热并测试结果，直至达到预期效果。总体而言，Segal尝试了大约60种不同的配方，最终得到了她所期望的产品。

△新的合成方法示意图。用于制备出一种低粘度、可降解的聚酯材料，并通过与特定交联剂结合，形成一种无溶剂树脂，用于3D打印

可生物降解的植入物

Segal说道：“除了制造一种既不收缩又更坚固的材料外，我还希望它能适用于医疗领域。我正试图创造一种既具有生物相容性又可降解的原型设备。去除生产过程中的有毒溶剂将有助于实现这一目标。”

Segal的终极目标是将这项技术应用于可生物降解的医疗植入物。目前，一些用于制造临时医疗植入物的材料是不可降解的，这意味着它们不仅需要多次手术才能植入，还需要额外手术才能移除。Segal的研究旨在开发能够通过人体自然代谢过程降解的植入物。她补充道：“这项技术可以应用于任何类型的植入物，只要设计目的是在一段时间后自然降解，而不是永久留在体内。”

使用这种材料制造的设备可以植入人体，并设计成随时间自然降解，避免了需要额外手术移除的需要。此外，它还可以作为骨粘合剂使用，暂时固定骨折，或者用于软机器人领域，这些应用需要柔软且可降解的材料。