增材制造(AM)已经彻底改变了许多行业,并有望在不久的将来影响更多行业。虽然人们最熟悉的功能与喷墨打印机非常相似的3D打印机,但另一种增材制造采用不同的方法,具有优势:用光逐层构建物体。

新型无溶剂3D打印材料可实现可生物降解的植入物

数字光处理(DLP)就是其中一项技术。DLP广泛应用于工业和牙科领域,其工作原理是利用光将液态树脂转化为固体部件,本质上是将固体物体从浅层树脂池中一层一层地拉出来。

然而,使用这种3D打印方法的一个主要挑战是树脂需要具有低粘度,几乎像水一样,才能在高分辨率下正常工作。许多原本可用于DLP打印的聚合物是固体或太粘稠,需要溶剂将其稀释到适当的稠度。

但添加这些溶剂也会导致严重的缺点,例如由于零件收缩(高达30%)以及溶剂蒸发时产生的残余应力,导致打印后尺寸精度差。

在《应用化学国际版》发表的一篇论文中,杜克大学的研究人员发明了一种用于DLP打印的新型无溶剂聚合物。除了消除收缩问题外,无溶剂还能提高部件的机械性能,同时保持在体内降解的能力。

“我希望为DLP创建一种固有的薄而低粘度的材料,用于可降解医疗设备,”MEMS博士候选人MaddiySegal说道,她在杜克大学HugoL.Blomquist杰出化学教授MatthewBecker的实验室工作。“经过多次尝试,我最终找到了最佳单体和合成技术,可以创建一种无溶剂聚合物,无需稀释即可在DLP打印机中使用。”

由于这种新材料是首批可用于DLP打印的无溶剂树脂之一,Segal对测试用它制成的部件的性能很感兴趣。她兴奋地发现,测试部件根本没有收缩或变形,而且总体而言,它们也比用溶剂制成的部件更坚固、更耐用。根据她的研究结果,这是首次通过消除DLP3D打印可降解聚合物中的溶剂使用来提高机械性能的经验证明之一。

为了创造新的聚合物,西格尔分析了贝克尔实验室和其他实验室开发的现有树脂的结构和特性,并逐步以经验主义方法修改了单体和链长,以实现所需的低粘度聚合物。她基本上采用了“猜测和检查”的方法,调整聚合物的单体或“配方”,直到找到有效的组合。

这个过程与做饭并不完全不同。它涉及混合特定组合的成分,加热它们,然后测试结果,直到达到预期的结果。总的来说,西格尔尝试了大约60种不同的组合,才最终做出她所希望的产品。

“除了制造一种不会收缩且更坚固的材料外,我还希望它能用于医疗应用,”西格尔说。“我正在尝试制造既具有生物相容性又可降解的原型设备。消除生产过程中的有毒溶剂将有助于我做到这一点。”

Segal的最终目标是将这项技术应用于可生物降解的医疗植入物。目前用于制造临时医疗植入物的一些材料不可降解,不仅需要多次手术才能植入,还需要多次手术才能取出。通过她的研究,Segal旨在开发可通过人体自然过程降解的植入物。

用这种材料制成的设备可以植入人体,并设计成随着时间的推移自然降解,无需进行额外的手术来移除设备。它还可以用作骨粘合剂,​​暂时将骨折固定在一起,或者用于软机器人应用,这些应用需要柔软、可降解的材料。

“正是这种材料使这一特殊应用成为我工作的首要目标,”西格尔说。“实际上,这种技术可以用于任何类型的植入物,只要你想在一段时间后降解,而不是永远留在那里。”