用于高分辨率3D打印超低污染微结构的两性离子光固化树脂

《Small Methods》：Zwitterionic Photocurable Resin for High-Resolution 3D Printing of Ultralow-Fouling Microstructures

高分辨率3D打印技术推动了微结构生物相容材料的开发，但传统光敏树脂存在抗污性与机械性能的权衡问题。本文设计了一种两性离子丙烯酰胺单体CBDA，通过光固化VAT技术实现复杂负泊松比结构的精准打印，其表面形成的刚性水合层有效抑制蛋白质和细胞附着，同时通过HDDA交联增强材料刚性，达到抗污与力学性能的协同优化，在心血管支架等植入物领域展现应用潜力。

　　高分辨率3D打印技术正在为需要生物相容性的应用领域带来全新的微结构材料。然而，大多数传统3D打印树脂材料在抗污染性能与机械强度之间存在权衡，限制了其在生物系统中的应用。自然界中，带电中性（zwitterionic）表面基团能够形成紧密的水合层，从而有效阻挡蛋白质和细胞的附着。受这一策略启发，研究人员开发了一种基于丙烯酰胺的带电中性光固化树脂——羧酸甜菜碱二甲基丙烯酰胺（CBDA），用于投影式光聚合（PSLA）技术，从而实现了具有卓越抗污染性能的复杂微结构制造。这种双功能单体能够在不牺牲带电中性基团密度的前提下，形成致密的交联网络，避免材料吸水膨胀，同时保持良好的机械性能。打印出的结构展现出对蛋白质和细胞附着的强抵抗性，这通过猪血实验得到了验证。作为示范，研究人员打印了一种具有负泊松比（negative Poisson's ratio）的管状结构，以展示其结构精度和应用灵活性。这种树脂配方为制造需要抗污染性能和结构完整性的微尺度设备和表面提供了一种广泛适用的策略，涵盖了生物医学界面、软体机器人以及更广泛的领域。

在过去的十年中，3D打印技术因其能够以低成本高效制造具有特定几何结构的复杂部件而受到广泛关注。在多种3D打印技术中，投影式光固化（PSLA）因其能实现微米级精度和高生产效率而脱颖而出。尽管PSLA技术在生产效率和精度方面表现优异，但能够同时实现高分辨率打印和强表面抗污染性能的光固化树脂配方仍较为有限。这种局限性促使了对新型光化学体系的研究，以满足在各种对表面性能有要求的应用场景中的需求，包括但不限于生物医学设备。

许多用于3D打印的材料，尤其是那些需要与生物流体或易污染环境接触的材料，要求其表面具有良好的抗污染性能。在这种情况下，材料的界面特性与机械性能同样重要。聚乙二醇（PEG）长期以来被认为是提供非污染表面的候选材料，许多研究已将PEG基树脂引入光固化树脂中，以提升生物相容性。然而，PEG基材料存在一些限制，如对蛋白质吸附的抑制效果有限，以及在氧化环境下易发生降解，导致异物反应。这些局限性促使研究者探索其他化学体系。

带电中性材料因其模仿哺乳动物膜中最常见的磷脂——磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine）的结构设计，展现出解决上述问题的潜力。带电中性材料的优异生物相容性来源于其整体电荷中性和由带电中性基团形成的强水合层，从而显著提高对生物分子污染的抵抗力。已有研究表明，带电中性材料能够实现低于5 ng/cm2的蛋白质吸附，且具有较长的血液相容性。为了克服传统接枝方法的复杂性和耗时性，研究人员开发了带电中性光固化单体，将带电中性功能直接引入3D打印的聚合物网络中。然而，到目前为止，仅开发了带电中性单甲基丙烯酸酯，其高度水溶性使其不适合在水性环境中使用。为了解决这一问题，通常将带电中性单甲基丙烯酸酯与二（甲基）丙烯酸酯或其他交联剂混合。但这种方法制造的3D打印带电中性结构仍然具有水凝胶的特性，高含水量和低机械刚度，其模量通常低于3 MPa。尽管这种特性适用于如组织工程和生物传感器等应用，但对于高精度3D打印的生物医学设备来说，这些特性仍显不足。此外，混合方法会降低带电中性基团的密度，从而影响抗污染效果和生物相容性。迄今为止，3D打印的带电中性结构尚未表现出持续的抗凝血能力。虽然有研究使用带电中性二甲基丙烯酸酯进行3D打印，但其在长期植入性医疗设备中的应用仍受限于酯键的水解不稳定性。因此，开发一种能够同时实现强生物相容性、良好机械性能和大规模生产的通用树脂配方仍是当前研究的重点。

为了解决这些问题，本研究设计、合成并评估了一种带电中性甲基丙烯酰胺单体——羧酸甜菜碱二甲基丙烯酰胺（CBDA），该单体专门用于形成稳定且交联的聚合物网络，同时保持高密度的带电中性基团。CBDA的强静电相互作用使得其表面能够形成刚性的水合层，从而防止表面引发的蛋白质等生物污染物的构象变化。CBDA单体被用于制备一种具有优异打印性能和生物相容性的光固化树脂。为了展示这种基于CB的光固化树脂在打印复杂结构方面的潜力，研究人员设计并打印了一种具有负泊松比的管状仿生结构，其功能类似于冠状动脉支架。该结构的打印结果表明，它能够有效减少在插入过程中可能出现的急性并发症，因为其外径在沿着管状轴压缩时会收缩。相比多喷嘴融合（MJF）3D打印工艺，本研究采用的PSLA工艺提供了大约10倍的打印分辨率。对使用该CB基光固化树脂打印的负泊松比结构进行表征，确认了预期的负泊松比行为，并且显示出优于商业金属支架的长期抗细胞附着能力。这项研究确立了CBDA基光固化树脂作为制造需要机械强度和抗污染性能的复杂结构的多功能平台，为先进的增材制造提供了新的设计机会。

本研究中的CBDA单体设计旨在优化其抗生物污染和机械性能。该单体通过甲基丙烯酸酐与3,3’-二氨基-N-甲基二丙基胺的氨基醇解反应形成甲基丙烯酰胺基团，随后通过亲核取代反应引入乙基溴乙酸酯（实验部分）。通过核磁共振氢谱（¹H NMR）确认了CBDA的化学结构（支持信息中的图S1a,b）。在3D打印后，通过碱性溶液水解CBDA中的酯基，生成具有抗污染功能的带电中性羧酸甜菜碱（CB）基团。这种方法克服了之前基于CB的甲基丙烯酸酯设计在水解过程中可能遇到的稳定性问题。CBDA的交联功能使其能够形成更坚硬的交联聚合物网络，从而避免带电中性材料通常会发生的吸水膨胀。为了估算带电中性CB基团的体积密度，研究人员通过其分子式（C₁₆H₂₉N₃O₂）并应用参考文献中描述的方法计算了其范德华体积（V_VdW）。计算得出的V_VdW为325.38 ?³，从而估算出其体积密度为3.1 CBnm^?3，这相当于在磷脂酰胆碱（PC）脂双层中带电中性基团的面积密度。这种设计使得CBDA基材料在抗污染性能方面表现出色。

CBDA被整合进PSLA 3D打印的树脂配方中。该光固化树脂含有70%的CBDA单体、2%的光引发剂（Irgacure 819）和1.2%的光吸收剂（Sudan I）。ACN不仅作为CBDA的溶剂，还通过引入纳米孔隙（经尺寸排除测试确认）促进CBDA中酯基的批量水解，从而生成具有抗污染功能的CB基团。Irgacure 819被用作光引发剂，以实现高效的固化。值得注意的是，酰基磷氧化物引发剂可能在生物打印应用中存在细胞毒性问题。因此，未来的研究可能会探索其他体系，如苯并恶嗪衍生物或乙基（2,4,6-三甲基苯甲酰）苯基磷酸酯，以提高细胞相容性，并调整引发剂浓度和后固化协议。

为了评估CBDA基树脂的打印性能，研究人员在不同的UV光强度（53–103 mW/cm2）和曝光时间（4–10秒）下打印了由50 μm孔和50 μm壁组成的测试图案。结果表明，低光强和短曝光时间会导致图案固化不足，而高光强和长曝光时间则会导致未投影区域的过度固化。例如，使用53 mW/cm2的光强和4秒的曝光时间，仅能获得35 μm的壁厚，远低于设计的50 μm。相反，使用103 mW/cm2的光强和10秒的曝光时间，壁厚增加至67 μm，且设计图案因过度固化而发生变形。最佳的打印效果在中等光强（71–87 mW/cm2）和短至中等的曝光时间（4–6秒）下实现。总体来看，使用稍高的UV剂量（87 mW/cm2，8秒）可以获得接近设计的打印尺寸，同时保持较高的机械强度和抗污染性能。对于需要较低UV剂量或更快处理速度的应用，可以采用后固化策略进一步提升固化程度和机械性能，这可能在需要更高刚度和耐久性的应用中具有优势。

通过上述打印参数，研究人员评估了CBDA基光固化树脂在垂直方向（z轴）的分辨率和可能的过度固化现象。他们选择了一种具有负泊松比的管状结构进行测试，这种结构包含密集的窄孔（约50 μm）和悬臂梁，对局部氧气（抑制剂）的缺乏极为敏感，容易导致过度固化。比较打印结构与设计尺寸后，发现其具有良好的精度，孔和悬臂梁均被准确复制，且在垂直方向上的过度固化不超过10 μm。负泊松比结构（如反向六边形设计）因其独特的变形特性，如增强的能量吸收和抗压性能，在多种工程应用中具有吸引力，包括医疗设备、软体机器人、柔性电子和抗冲击材料。在本研究中，研究人员选择了冠状动脉支架启发的几何结构，以展示树脂在制造复杂3D结构方面的潜力。这种结构在压缩时会收缩其外径，从而降低急性并发症的风险。通过拓扑优化方法，研究人员解决了逆向同化问题，设计出具有负泊松比的单元格结构。通过数值模拟，研究人员对单个单元格施加了0.2 MPa的压缩应力，观察到单元格中横梁的向内位移，验证了负泊松比行为。进一步模拟了由5×5×1个单元格组成的更大结构，其泊松比达到–0.92。实验测量的泊松比为–0.93，与模拟结果高度一致。光学图像（图3e）显示，在5%应变下，管状负泊松比结构的直径发生收缩，其力-应变曲线表现出良好的弹性，表明其具有优良的抗冲击能力。这些结果表明，CBDA基树脂能够成功制造出机械性能优异且结构复杂的3D部件，为植入式医疗设备、水凝胶肌肉、皮肤贴片和生物传感器等应用提供了新的可能性。

在抗污染性能方面，研究人员通过蛋白质吸附实验进一步评估了CBDA基3D打印结构的性能。结果表明，CB基团能有效抑制纤维蛋白原（Fg）的吸附，其吸附量仅为商业钴铬（CoCr）支架的不到10%。为了进一步验证这一效果，研究人员还进行了血液细胞附着实验。在猪全血接触后，CoCr支架表面很快出现了细胞聚集，而CBDA基结构在16周内未观察到细胞附着，表明其在复杂蛋白质丰富的血液环境中仍能有效防止细胞粘附。这些结果验证了CBDA基材料在抗污染方面的显著优势。

本研究的成果表明，通过交联带电中性单体，可以实现高分辨率、低成本的复杂微结构制造。实验结果表明，随着带电中性基团密度的增加，抗污染性能也随之提升，这体现在蛋白质吸附量的减少和血液细胞附着的降低。打印结构能够精确复制设计细节，并在不同CBDA浓度下保持良好的机械性能，这验证了该树脂在投影式光聚合中的适用性。重要的是，抗污染功能无需复杂的后处理步骤，仅需简单的水解过程即可激活CB基团。此外，该树脂能够可靠地制造具有复杂结构的3D部件，如负泊松比支架，为未来更广泛的应用提供了可能性。

本研究的成果不仅为材料科学提供了新的方向，也为未来应用驱动的优化奠定了基础。提高带电中性基团密度，例如通过将3,3’-二氨基-N-甲基二丙基胺替换为2,2’-二氨基-N-甲基二乙基胺，可以进一步增强抗污染性能。减少带电中性基团之间的间距也有助于提高水合层的稳定性，例如，三甲胺-N-氧化物（TMAO）能够形成更加稳定的水合层，从而提高抗污染能力。对于需要更高模量的应用，可以通过无溶剂配方或核壳结构实现。新兴的多波长立体光刻技术可以支持这种设计，通过制造致密的核心结构和抗污染的外壳，同时保持机械性能和表面功能。本研究中，CBDA基树脂被成功用于制造具有负泊松比的支架结构，其尺寸精确，表面特性良好，且具有显著的抗污染性能。

在实验部分，研究人员详细描述了CBDA的合成方法、聚合动力学表征、机械性能测试、负泊松比结构的设计和模拟，以及3D打印和生物相容性测试的具体步骤。CBDA的合成涉及多种化学反应，包括在低温下的氨基醇解反应和随后的亲核取代反应。通过FT-IR光谱，研究人员实时监测了CBDA基树脂在UV照射下的聚合动力学，分析了乙烯基相关吸收带的变化。机械测试使用了压缩试验，评估了不同CBDA/HDDA比例下的材料性能。通过拓扑优化方法，研究人员设计出了具有负泊松比的单元格结构，并利用数值模拟验证了其机械响应。在3D打印过程中，使用了特定的打印参数，如光强和曝光时间，以确保结构的精度和性能。生物相容性测试通过荧光方法评估了蛋白质吸附和血液细胞附着情况，进一步验证了CBDA基材料的抗污染性能。

本研究的成果表明，CBDA基树脂在3D打印技术中具有重要的应用价值。它不仅能够实现高分辨率的打印，还能在生物医学领域提供优异的抗污染性能和机械强度。这种材料的开发为制造复杂且生物相容的微结构提供了新的途径，为未来的生物医学应用开辟了广阔的前景。