氨基酸衍生磷酰胺乙烯酯：面向增材制造的可表面侵蚀光聚合物及其力学性能调控

《Journal of Materials Chemistry B》：Amino acid-derived phosphoramidate vinyl esters enable surface-eroding photopolymers for additive manufacturing with tunable mechanicsOpen Access

　　

摘要专业翻译 可光固化乙烯酯（VEs）因其低细胞毒性和生物相容性降解产物，是（甲基）丙烯酸酯类材料在生物医学应用中颇具吸引力的替代品。然而，其极度脆性及在生理条件下的缓慢降解限制了其在承重和药物递送应用中的使用。本研究开发了缬氨酸衍生磷酰胺乙烯酯（Val-APdA-VEs），该材料兼具可调控的力学性能与受控水解降解特性。通过与己二酸二乙烯酯（DVA）及多官能硫醇共聚，研究人员制备了网络性质可调的光反应性树脂。快速光聚合生成了坚韧、高度交联且力学性能可调的聚合物网络。在生理条件下，该材料表现出稳定的质量损失，与以表面控制为主的降解行为一致。该树脂可通过数字光处理（DLP）和挤出式打印顺利加工成型复杂三维结构，并进一步通过纳米压印光刻（NIL）图案化生成微结构化表面。体外研究表明，该材料对软骨细胞无细胞毒性，并支持强细胞附着与活力。上述结果确立了氨基酸衍生磷酰胺乙烯酯作为一种可生物降解光固化网络的分子设计平台，其降解行为和力学性能可被系统调控，且不损害可加工性或细胞相容性。

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一、研究背景与意义

增材制造（AM）已成为生物医学器件、组织工程支架和药物递送系统制造的有力平台，其中以数字光处理（DLP）为代表的立体光固化技术因其高空间分辨率、快速制造能力及可加工复杂三维结构的能力而备受关注。挤出式打印和纳米压印光刻（NIL）则分别提供了多孔结构制造和微纳表面拓扑复制的互补途径。

然而，同时满足可加工性、力学性能、细胞相容性和可控降解的光固化材料开发仍是重大挑战。传统（甲基）丙烯酸酯类树脂虽具有优异力学强度和快速固化速度，但产生细胞毒性残留物且通常不可生物降解。乙烯酯类材料则因低细胞毒性和可水解为生物相容性聚（乙烯醇）片段而成为更安全的选择。己二酸二乙烯酯（DVA）作为双官能乙烯酯单体是聚合物网络的有前景构建单元，但DVA基体系在生理条件下降解缓慢且极为脆性，易在生理应力下发生力学失效。

氨基酸衍生单体为光固化聚合物网络引入结构多样性和可降解官能团提供了新策略。研究人员此前已报道基于氨基酸磷酰胺酯的乙烯酯或乙烯碳酸酯功能化单体可用于光化学三维打印，其中缬氨酸衍生体系表现出较慢的降解速率。基于此，本研究选择缬氨酸衍生磷酰胺乙烯酯（Val-APdA-VE）作为平台，系统研究网络组成对其材料性能的影响，旨在实现力学性能与可控降解之间的平衡。

二、研究目的

本研究旨在开发结合可调力学性能与受控水解降解的光固化树脂体系。通过将Val-APdA-VE与DVA和四（3-巯基丙酸）季戊四醇酯（PETMP）系统组合，研究人员系统考察了各组分对光聚合动力学、力学与热力学性能、网络完整性及降解行为的影响，并评估了多种先进制造技术的可打印性及材料细胞相容性。

三、关键技术方法

研究人员合成了Val-APdA-VE单体，并将其与DVA和PETMP按不同比例配制成光固化树脂，以TPO-L或锗基光引发剂（GeEtMes₃）引发光聚合。主要表征手段包括：光差示扫描量热法（Photo-DSC）评估光反应活性；紫外光流变学测定凝胶时间；拉伸测试和动态力学热分析（DMTA）评价力学和热力学性能；凝胶分数测定评估网络形成程度；磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4，37°C）浸泡实验监测降解行为；数字光处理（DLP）、挤出式打印和纳米压印光刻（NIL）评估多工艺可加工性；人软骨细胞系CHON-001进行体外细胞相容性评价。

四、研究结果

4.1 光聚合行为

Photo-DSC结果表明，DVA的加入将最大聚合放热峰时间（t_max）从纯Val-APdA-VE的9.9秒显著缩短至1.79秒（60∶40比例），归因于低分子量乙烯酯降低粘度并增强自由基迁移率。PETMP的加入使t_max增至2.15秒，可能与早期形成更高度交联网络限制扩散有关。GeEtMes₃引发体系主要影响引发动力学而不显著改变总体反应程度。UV流变学显示所有配方在辐照后储能模量（G′）超过损耗模量（G″），表明交联网络形成。DVA和PETMP的加入均缩短凝胶时间。固化树脂的凝胶分数超过87%，表明高度网络形成。

4.2 力学与热力学性能

力学性能对DVA和PETMP含量呈现明显依赖关系。DVA含量增加导致网络更刚硬：Val-APdA-VE/DVA（60∶40）配方的杨氏模量达879.35 MPa，断裂伸长率降至6.12%，玻璃化转变温度（T_g）升至112.44°C。相反，PETMP含量增加使网络更柔韧：烯∶硫醇比从1∶0.05增至1∶0.4时，模量从57.53 MPa降至3.46 MPa，断裂伸长率从17.03%增至102.24%，T_g从63.94°C降至34.46°C。Val-APdA-VE/DVA（60∶40）/PETMP（烯∶硫醇=1∶0.1）配方实现了刚度与韧性的平衡，模量235.22 MPa，断裂伸长率15.47%，韧性约2.8 MJ m^?3，T_g为63.85°C，高于体温。

4.3 制造与微结构化

DLP打印成功制备了Val-APdA-VE/PETMP（烯∶硫醇=1∶0.1和1∶0.2）及Val-APdA-VE/DVA（70∶30和60∶40）配方的多孔网格结构，孔径约1.2 mm。Val-APdA-VE/DVA（60∶40）/PETMP（烯∶硫醇=1∶0.1）配方在DLP条件下出现部分孔堵塞，但通过挤出式打印成功制备了连续丝材沉积的规则多孔结构。NIL技术成功复制了低至8 μm×8 μm×7.5 μm的方柱微结构和齿宽约8 μm的齿轮状微结构，确立了约8 μm的可靠特征复制下限。

4.4 降解行为

纯DVA基网络在初始阶段质量损失低于5%，呈现以本体降解为主的特征。Val-APdA-VE的引入显著加速降解，归因于网络中水解不稳定的P–N键。DVA含量增加导致降解速率减慢。PETMP含量增加同样减缓质量损失，烯∶硫醇=1∶0.4配方降解最慢。优化的Val-APdA-VE/DVA（60∶40）/PETMP（烯∶硫醇=1∶0.1）配方呈现近线性质量损失曲线，表明以表面控制侵蚀为主的降解机制。NIL微结构降解研究显示，方柱和齿轮结构在77天内逐渐失去高度和边缘清晰度，而DVA/PETMP对照配方结构保持完整，进一步证实了Val-APdA-VE体系的表面侵蚀降解特性。

4.5 细胞相容性

间接细胞毒性测试表明，材料浸提液处理后人软骨细胞（CHON-001）在24、48和72小时的活力与阴性对照相当，未观察到明显细胞毒性。细胞附着实验显示，NIL微结构表面支持软骨细胞附着和存活，活/死染色确认了良好的细胞活力。

五、结论

本研究开发了基于缬氨酸衍生磷酰胺乙烯酯（Val-APdA-VE）的可生物降解光固化树脂平台。通过系统调控DVA和PETMP含量，实现了从刚硬脆性到柔韧弹性体的宽范围力学性能调节，同时保持了高于体温的T_g（优化配方）。该材料在生理条件下呈现以表面控制为主的近线性降解行为，有利于可预测的药物释放动力学。树脂可通过DLP、挤出打印和NIL等多种先进制造技术加工，并表现出良好的细胞相容性。该分子设计平台为生物医学应用中需要同时满足力学性能、可控降解和可加工性的可降解光固化网络提供了系统化解决方案。