从传统浇铸到高分辨率立体光刻（SLA）：塑化响应硫醇–烯形状记忆聚合物的转化及定制生物医学器件应用

《Journal of Functional Biomaterials》：Translating Plasticization-Responsive Shape Memory Polymers from Conventional Casting to High-Resolution Stereolithography for Custom Biomedical Devices

　　

能够发生塑化诱导形状恢复的形状记忆聚合物（shape memory polymers, SMPs）为可植入生物医学器件提供了独特机会，但将这些材料从传统浇铸转化至高分辨率立体光刻（stereolithography, SLA）仍是一项关键挑战。本研究开发并评估用于SLA打印的硫醇–烯（thiol–ene）SMP配方，并将其性能与传统浇铸对应物进行比较，以实现可定制可植入器件的快速制造。基于TATATO和TMTMP的树脂配方经光引发剂TPO及打印添加剂（Pyrogallol和Sudan I）优化以用于SLA制造，而浇铸配方则在不含添加剂条件下制备。综合表征包括傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）以定量硫醇转化率，流变学分析以评估可打印性，以及在干燥和生理（phosphate-buffered saline, PBS）条件下进行动态力学分析（dynamic mechanical analysis, DMA）以监测热机械性能。打印网络表现出水诱导塑化，表现为PBS浸泡后玻璃化转变温度（glass transition temperature, T_g）降低。具体而言，浇铸网络在干燥状态下的T_g由31–35 °C降至水合后的21–26 °C，而SLA打印网络表现出较低的初始T_g值17–23 °C，并在水合后进一步降至10–15 °C。这些结果表明，在转化至SLA打印后水响应热机械行为得以保留，尽管打印配方的干燥态T_g降低表明，对于需要室温下临时形状稳定性的应用仍需进一步优化。力学测试表明，浇铸网络干燥模量约为1.2 GPa，而SLA打印配方干燥模量为80–125 MPa。生理水合后，所有配方均发生显著塑化，模量一致降至5–15 MPa，同时保持优异尺寸稳定性和极小溶胀（<1.9%）。浇铸和打印材料均表现出优异形状记忆性能，恢复率约为98–100%，而SLA打印器件在1.29–1.75 s内表现出快速水触发驱动。此外，SLA打印硫醇–烯聚合物无细胞毒性且具有生物相容性，结合了高分辨率可制造性、稳健形状记忆性能和快速塑化诱导形状恢复。这些发现证明了将硫醇–烯SMP从传统制造转化至基于SLA的增材制造的可行性，为进一步材料优化以实现可定制、患者特异性生物医学器件奠定基础。

形状记忆聚合物（shape memory polymers, SMPs）可在外界刺激下由临时形状恢复至预定义永久几何，已用于心血管支架、药物递送系统和栓塞用自膨胀泡沫等可植入器件。已有塑化诱导恢复的浇铸SMP体系多受传统浇铸限制，仅能形成简单整体结构，难以匹配复杂、患者特异性解剖，成为临床转化的重要缺口。增材制造尤其是立体光刻（stereolithography, SLA）可通过逐层光聚合直接由数字设计制造高分辨率定制器件，但将浇铸SMP配方转化至SLA并非易事：树脂需同时具备适宜黏度、可控光聚合动力学、低光散射和足够固化深度，并保留决定形状记忆行为的网络结构，因此需引入光引发剂、光抑制剂和光吸收剂且不损害力学与热机械性能。基于前期流体响应硫醇–烯（thiol–ene）SMP研究，研究人员系统将该材料平台从传统浇铸转化至405 nm高分辨率SLA，通过加入pyrogallol（焦性没食子酸）作为光抑制剂、Sudan-1作为光吸收剂并优化光引发剂浓度，比较SLA打印配方与浇铸对应物的化学、力学、热机械和生物学性能，重点验证水响应形状记忆行为是否保留。研究结论表明该转化可行，打印网络保留水合诱导塑化与形状记忆功能，为可定制、患者特异性生物医学器件及类似SMP体系向增材制造转化提供基础。

关键技术方法不超过250字：关键技术包括以TATATO/TMTMP为单体的硫醇–烯树脂配方及405 nm SLA打印；FTIR定量C=C与S–H转化；旋转流变评价黏度及黏弹行为；DMA在干态和PBS浸泡态测定T_g与储能模量（storage modulus, E′）；单轴与循环拉伸测试干湿态力学；水浴和DMA循环评价形状记忆；按ISO 10993-5使用L929小鼠成纤维细胞（ATCC）进行MTT（噻唑蓝）洗脱细胞毒性评价。

研究结果如下。3.1 形状记忆聚合物的制备：研究人员通过硫醇–烯点击反应用TATATO和TMTMP合成SMPs，并以TPO或DMPA引发浇铸、以pyrogallol和Sudan-1改良树脂进行SLA；SLA成功打印管状支架和鸭子模型，说明体系可转化至高分辨率增材制造；打印件尺寸保真度受配方影响，PYG组横向收缩、PYG+Sudan-1组因光散射和曝光延长而膨胀。3.2 化学结构与官能团转化：ATR-FTIR显示固化后聚合物骨架保留，S–H和C=C特征带减弱；定量积分表明浇铸网络C=C转化率为93.2%（TPO）和91.8%（DMPA），SLA打印为87.9%（PYG）和88.4%（PYG+Sudan-1），表观S–H转化较低；约4–5%的转化下降与pyrogallol自由基清除和Sudan-1光衰减有关，并解释打印网络干态模量和T_g较低。3.3 溶胀：PBS 37 °C浸泡10天，所有配方质量增加小于约1.6%（PYG上限2.6%），说明硫醇–烯网络高度交联、耐溶胀并保持尺寸稳定，同时允许足够水渗透以诱导塑化。3.4 黏度测试：稳 Shear流变显示各配方近牛顿行为，黏度均低于1 Pa·s，损耗模量（loss modulus, G″）远高于储能模量（G′），表明未固化树脂呈液体状，适合SLA铺展和回涂。3.5 力学拉伸性能：干态断裂应变约40–75%，浇铸DMPA模量约1.2 GPa，SLA打印PYG和PYG+Sudan-1为80–125 MPa；PBS水合后所有配方模量降至5–15 MPa、断裂应变约12–15%；干态循环有明显滞后，水合后15%应变内五次循环滞后很小且无明显永久变形。3.6 热机械性能：DMA显示干态T_g约17–35 °C，浇铸为31–35 °C，SLA打印为17–23 °C；PBS浸泡后浇铸降至21–26 °C、打印降至10–15 °C，tan δ峰低温移动并展宽，证明水塑化保留；但打印配方干态T_g接近或低于室温，限制临时形状在操作和储存中的稳定性。3.7 形状记忆表征与固定率定量：37 °C水浴中所有样品由折叠临时形状恢复，SLA打印PYG和PYG/Sudan-1平均恢复时间分别为1.29±0.41 s和1.75±0.35 s，浇铸DMPA和TPO为2.25±0.07 s和3.58±0.16 s；宏观恢复率约98–100%，DMA固定率约88–95%、恢复率约84–100%，说明打印添加剂未损害本征形状记忆；约束DMA恢复率低于无约束水浴恢复，与夹具预载和应力松弛有关。文献比较显示该平台以37 °C水触发、低溶胀和水合模量5–15 MPa区别于热触发高刚度或高溶胀打印SMP，但干态T_g偏低是主要局限。3.8 细胞相容性评估：MTT洗脱实验在三周提取期内显示所有配方细胞活力均高于70%，说明浇铸和SLA打印硫醇–烯配方未释放细胞毒性浸出物，符合非细胞毒性阈值。

讨论部分总结：研究人员将本体系与Badria等和Shaukat等报道的打印硫醇–烯/硫醇–丙烯酸酯体系比较，指出前者面向高刚度骨支架而未评价刺激响应恢复，后者依赖超过50 °C的热触发，不适合安全腔内递送；本体系在37 °C通过水合塑化实现亚2 s恢复、溶胀≤1.9%并保持水合模量5–15 MPa。与多种光固化SMP比较，多数打印SMP依靠38–74 °C热转变或高溶胀水凝胶触发，而本体系无需外部加热且尺寸变化小；但打印配方干态T_g为16.8–23.3 °C，低于多数打印对照，储存和操作中可能提前恢复，需通过引入更高T_g多官能单体或调整组成提高干态T_g，并进一步开展直接接触细胞相容性评价。研究结论部分翻译：本研究成功开发了可打印高分辨率结构、具有高硫醇–烯转化率和优异打印保真度的SLA可打印树脂配方；通过引入pyrogallol和Sudan-1，研究人员证明将传统浇铸硫醇–烯形状记忆聚合物转化至增材制造并保留其水响应形状记忆行为可行。打印网络保持优异尺寸稳定性，平衡溶胀≤1.9%，并表现水合诱导塑化，T_g和储能模量均降低；与浇铸网络相比，SLA打印配方干态T_g和刚度较低，水合后模量由约80–125 MPa降至5–15 MPa，SLA打印样品在生理水溶液条件下1.29–1.75 s内快速恢复，三周提取后MTT实验显示所有配方细胞活力>70%。当前SLA配方的重要局限是干态T_g接近或低于室温，可能影响操作和储存中的临时形状稳定性；需进一步优化树脂以提高干态T_g，同时保持可打印性、尺寸稳定性和水合响应形状记忆性能，并开展直接接触细胞相容性评估。总体而言，本研究证明将硫醇–烯形状记忆聚合物适配至高分辨率SLA打印并保留水响应形状记忆功能的可行性，为可定制、患者特异性生物医学器件提供基础，并为其他传统制造形状记忆聚合物体系向增材制造转化提供框架。