3D打印PLA﹑PDS及PLGA材料的力學(xué)性能及軟組織再生潛能

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東華大學(xué)紡織學(xué)院，紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室(上海，201620)

0 引言

3D打印技術(shù)具有個性化制造、 高效及制造成本低等優(yōu)點， 近年來得到了快速發(fā)展。在生物材料及醫(yī)療器械領(lǐng)域， 個性化人工器官及醫(yī)療器械的需求日益增加， 3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷得到拓展。目前， 可3D打印的可降解生物醫(yī)用高分子材料包括聚乳酸(PLA)， 聚對二氧環(huán)己酮(PDS)及聚乙交酯丙交酯(PLGA)等。PLA具有良好的組織相容性及生物可降解性， 其中間產(chǎn)物為乳酸、 最終降解產(chǎn)物為二氧化碳和水， 因此在其降解過程對人體無毒[1]。

正由于其良好的生物醫(yī)用前景， PLA在手術(shù)縫合線、 植入性支架、 骨組織再生 、 眼科和藥物緩釋等生物醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2]。受尺寸、 聚合物中異構(gòu)體含量、 溫度和pH等影響， PLA完全降解需6～24個月[3]， 其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在50～70 ℃之間， 熔融溫度為185～190 ℃[4]， 因此利用熔融沉積成型技術(shù)(FDM)進(jìn)行3D打印， 操作簡便。Chacón等[5]通過改變不同的3D打印參數(shù)獲得力學(xué)性質(zhì)不一的PLA樣條， 其拉伸斷裂強(qiáng)度最大可達(dá)65 MPa。而文獻(xiàn)[6]中通過模壓成型的PLA復(fù)合材料樣條所能達(dá)到的最大強(qiáng)度為40～50 MPa。因此， 基于3D打印技術(shù)定制PLA醫(yī)療器械有獲得優(yōu)異力學(xué)性能的可能。PDS可通過二甘醇(DEG)催化并通過開環(huán)反應(yīng)制備而得。PDS的熔點在110 ℃， 玻璃化溫度為-10 ℃。PDS單絲在植入體內(nèi)2周后仍能保持70%的強(qiáng)度， 4周后損失50%的強(qiáng)度， 而在28周后完全降解。PDS具有半結(jié)晶化的分子結(jié)構(gòu)， 其降解過程與PLGA類似， 其降解產(chǎn)物可以被人體吸收或以二氧化碳的形式通過呼吸系統(tǒng)排出體外[7]。因此， PDS常被用來制作手術(shù)縫合線、 軟骨和血管組織工程支架。

由乳酸及乙醇酸單體不規(guī)則共聚而成的不同比率(LA:GA)的PGLA， 具有不同的力學(xué)性能及降解速率。由CORBION?銷售的商品名為PLG 1017的PLGA (90GA/10LA)， 其玻璃化溫度和熔點分別為28.5 ℃和200.2 ℃， 而組分為18GA/82LA的PLG 8218的玻璃化溫度和熔點為60.7 ℃和161.2 ℃。研究表明[8]， PGLA(LA/GA=10/90、 25/75、 50/50、 75/25)的降解時間分別為90， 100， 120， 180 d。因此， 已有較多研究利用PLGA制備用于軟組織再生的支架[9-10]。

體內(nèi)軟組織再生時， 包括皮膚組織、 皮下組織、 肌肉組織及乳腺組織等， 組織工程支架常處于受拉伸、 壓縮以及彎曲載荷作用下。因此， 本研究通過3D打印技術(shù)制備PLA、 PDS、 PLGA標(biāo)準(zhǔn)測試樣品并測試其拉伸、 壓縮、 彎曲等性能， 并通過與文獻(xiàn)報道的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 探討力學(xué)性能可控的3D打印材料作為軟組織再生支架的前景。

1 材料與方法

1.1 材料

本文所用原材料包括PLA、PDS及LA/GA比例分別為10/90、82/18及85/15的PLGA共混高聚物顆粒，分別由法國POLLEN、德國EVONIK及荷蘭CORBION提供，產(chǎn)品基本規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 PLA﹑PDS及PLGA高聚物顆粒規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of PLA, PDS and PLGA pellets

1.2 樣條制備

本文參考ASTM-D638、ASTM-D695及ASTM-D790分別進(jìn)行單軸向拉伸及壓縮實驗的樣品制備及測試，試樣規(guī)格如圖1所示。首先，在SolidWorks中畫出試樣模型，隨后將模型保存為stl格式導(dǎo)入3D打印切片軟件Ultimaker Cura中，設(shè)定打印參數(shù)以制備出打印質(zhì)量統(tǒng)一的樣品。最后導(dǎo)出gcode文件上傳至多材料3D打印機(jī)(Pollen PAM Series P)開始制備實驗樣品。根據(jù)實驗種類，樣品質(zhì)量安排見表2。

圖1 測試試樣規(guī)格Fig.1 Dimensions of the samples

1.3 力學(xué)性能

本文使用Instron(100 kN)多功能力學(xué)試驗機(jī)對所有樣品進(jìn)行單軸向拉伸、壓縮及三點彎曲實驗。實驗分別按照ASTM D638、D695及D790所述進(jìn)行，實驗環(huán)境溫度為25 ℃、相對濕度為40%。試驗機(jī)拉伸、壓縮及彎曲單元位移速率分別為5 mm/min、1.3 mm/min及2 mm/min，拉伸實驗隔距為9.53 mm。在試樣破壞后立即停止并記錄各項測試數(shù)據(jù)及實驗圖像，每組實驗測試5個試樣(n=5)。

表2 實驗樣條質(zhì)量(g)Tab.2 Mass of the samples(g)

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

實驗結(jié)果見圖2～圖4所示。用8218所制備的試驗樣條具有最大的拉伸應(yīng)力，即161.3±9.0 MPa。從材料硬度的角度來看，8218的彈性模量為1.8±0.1 GPa，比8515低了40.0%±0.2%，意味著8218的抗拉伸能力優(yōu)于8515而且比后者更為柔順。1090的拉伸彈性模量與8218相近(P>0.05)，然而其最大抗拉伸應(yīng)力比后者小38.6%±3.5%。

圖2 單軸拉伸斷裂應(yīng)力Fig.2 Uni-axialultimate tensile stress圖3 拉伸彈性模量Fig.3 Tensile elastic modulus

然而, 就斷裂伸長來看，PDS展現(xiàn)了無可替代的優(yōu)勢，是拉伸斷裂伸長最小的PLA的近993%。同時，PDS的彈性模量為0.6±0.1 GPa，顯示了其高彈性。通過與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[6，11-13]比對后發(fā)現(xiàn)，除了PLA樣條外，其余材料通過3D打印成型后，在拉伸強(qiáng)度方面普遍高于文獻(xiàn)中通過模壓成型的實驗樣條。而3D打印成型的PLA樣條也展現(xiàn)了與文獻(xiàn)中相近(P>0.05)的拉伸力學(xué)表現(xiàn)。

圖4 單軸拉伸斷裂伸長Fig.4 Uni-axial tensile strains at break

越來越多的研究討論了組織再生過程中細(xì)胞粘附、增殖、遷移與基質(zhì)剛性、彈性等力學(xué)性能的關(guān)系。在Zhao等[14]的研究中，人體脂肪細(xì)胞對水凝膠的黏附率從水凝膠彈性模量為0.15 kPa時的0.25%增長到4 kPa時的2.5%。對于軟組織再生而言，選擇合適力學(xué)性能的可降解基底材料尤為重要。

2.2 壓縮實驗

單軸向抗壓縮實驗結(jié)果見圖5～圖6。PLGA 8515和PLGA 1090顯示了最大的抗壓縮應(yīng)力，分別達(dá)到37.7±12.6 MPa和37.3±8.2MPa，是抗壓縮應(yīng)力最小的PDS的270%。

圖5 抗壓縮應(yīng)力Fig.5 Ultimate compression stress

同時，PLGA 1090是其中抗壓彈性模量最高的試樣，其彈性模量達(dá)到了0.81±0.30 GPa，而PDS樣條的彈性模量最低，為0.26±0.01 GPa(圖6)，是以上5種生物材料中最容易變形的材料。

PLA的單軸向抗壓縮最大應(yīng)力實驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大的差異(圖5)，原因可能在于3D打印時的填充率。因此，測試填充率分別為25%、50%、75%以及100%的PLA試樣的靜態(tài)抗壓縮實驗，結(jié)果如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣抗壓縮應(yīng)力隨填充率增加而增加，在填充率為75%時，PLA試樣抗壓縮應(yīng)力達(dá)到58.2±3.0MPa，已超過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(55 MPa)。因此，要想獲得力學(xué)性能可控的可降解高聚物材料，可通過調(diào)整3D打印參數(shù)而快速實現(xiàn)。

圖6 抗壓縮彈性模量Fig.6 Compressive elastic moldulus

圖7 PLA試樣抗壓縮應(yīng)力隨填充率變化Fig.7 Compressive stress of PLA samples as a function of the infill rate

另外，從成型工藝來看，文獻(xiàn)中多用模壓成型的方法來加工實驗樣條，而本研究采用3D打印熔融層積成型。因此，兩種樣條內(nèi)部不同的填充結(jié)構(gòu)造成了樣條密度差異，這種差異對材料的力學(xué)性能亦有重要影響?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)打印填充率、填充結(jié)構(gòu)及噴頭流量等參數(shù)來調(diào)控其力學(xué)性能，以獲得預(yù)期的抗壓縮應(yīng)力[6]。

2.3 三點彎曲實驗

由圖8及圖9可見，PDS樣條的彎曲模量約為8515的2.5%，反映了極佳的抗彎曲形變性能。同時，除PLGA 1090樣條外，其余樣條都呈現(xiàn)了比文獻(xiàn)數(shù)據(jù)高(P<0.05)的抗彎曲應(yīng)力，進(jìn)一步證實了除抗拉伸及抗壓縮性能以外，通過3D打印成型的生物可降解材料同樣也可以獲得優(yōu)異的抗彎曲性能。由于材料中層(即材料受彎曲作用時不發(fā)生形變的纖維層)以上以壓應(yīng)變?yōu)橹?，而中性層以下受拉?yīng)變?yōu)橹鳎?D打印制備試樣拉伸性能與壓縮性能都接近甚至優(yōu)于文獻(xiàn)中模壓成型試樣，則其抗彎曲性能也將優(yōu)于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(P<0.05)(如PLA、8218與8515)。

圖8 彎曲應(yīng)力Fig.8 Bending stress

圖9 彎曲模量FIG.9 Bending modulus

根據(jù)以上結(jié)果可見，一般情況下，材料最大彎曲應(yīng)力大于其最大壓縮應(yīng)力而小于其最大拉伸應(yīng)力(P<0.05)。由于在彎曲試驗中，試樣上表面受到壓應(yīng)力，下表面受到拉應(yīng)力，而試樣初次斷裂只發(fā)生在一個表面，即上或下表面，這造成了材料主要受拉伸影響的下表面斷裂應(yīng)力小于拉伸試驗中的斷裂應(yīng)力。然而，材料上表面受到來自多個方向的壓縮應(yīng)力，因此其斷裂應(yīng)力往往大于壓縮試驗中材料的斷裂應(yīng)力。

總之，與文獻(xiàn)中模壓成型高聚物材料相比，通過3D打印技術(shù)，不但可以快速設(shè)計、精確成型所需材料，還可以通過控制相應(yīng)的打印參數(shù)極為方便地獲得理想的綜合力學(xué)性能。國際上，BellaSeno(德國)、Tensive(意大利)及Neopec(澳大利亞)等團(tuán)隊在軟組織再生方面做了較多的工作。BellaSeno及Neopec已經(jīng)分別進(jìn)入到臨床前和臨床實驗階段并取得了令人滿意的實驗結(jié)果，脂肪組織生長充分完整，未有明顯炎癥反應(yīng)[15]。BellaSeno團(tuán)隊所研究的PDLLA支架上，脂肪組織填充率在15周后上升了25%。Neopec團(tuán)隊采用不可降解的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在女性患者身上進(jìn)行了6～12個月的實驗，脂肪組織生長率最高可達(dá)150%。而Tensive已發(fā)表多項基于軟組織再生支架設(shè)計的學(xué)術(shù)成果[16]，該團(tuán)隊所使用的PAMAM(聚乙二胺)發(fā)泡支架彈性模量為4.5 kPa左右，在重復(fù)載荷作用(200次)下其模量保持穩(wěn)定，且體外培養(yǎng)脂肪細(xì)胞結(jié)果良好。因此，通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)可以獲得有利于細(xì)胞生長的綜合性能，與可降解高聚物相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)精確、快速成型力學(xué)性能可控的軟組織再生支架，該領(lǐng)域研究將迎來重要進(jìn)展。

3 結(jié)語

本文研究了3D打印標(biāo)準(zhǔn)樣品的力學(xué)性能，包括抗拉伸、抗壓縮及抗彎曲性能，且均能控制在文獻(xiàn)報道的范圍內(nèi)，說明 3D打印技術(shù)在調(diào)控組織工程支架力學(xué)性能方面具有明顯優(yōu)勢。組織工程支架的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能對軟組織再生具有重要影響的事實已被證實，因此3D打印技術(shù)不僅極大地拓寬了可降解生物醫(yī)用高分子材料在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。而且，讓制備同時具有高伸長、高抗壓縮、高拉伸及高抗彎曲強(qiáng)度的可降解生物醫(yī)用材料支架成為可能，這將在多種軟組織再生研究中發(fā)揮重要作用。