一种光固化树脂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物材料
技术领域
，具体涉及一种光固化树脂及其制备方法和应用。背景技术
在骨科临床中，原发性和转移性的骨肿瘤切除、骨骼创伤后的骨丢失以及骨组织炎症都会造成骨缺损和骨坏死。常见的骨缺损修复使用自体骨或异体骨移植修复，但自体骨来源有限，异体骨修复由于不可降解而达不到最理想的修复层次。目前随着组织工程技术的发展，在体外构建具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物多孔支架，并将该支架植入机体缺损部位，是一种具有广阔前景的组织再生技术手段，达到最理想的修复创伤和重建功能的目的。
聚富马酸丙二醇酯(PPF)满足许多骨科应用的设计标准。PPF是一种可注射、可生物降解的聚合物，具有良好的应用前景。由于其原位交联特性，已被广泛用于组织工程中，尤其是用作骨再生材料。PPF是一种不饱和线性聚酯，它可以通过主链上的碳双键进行交联，并通过酯键的简单水解而降解为无毒产物。由PPF制备的三维多孔支架，不仅提供足够的力学支撑，还具备诱导骨组织生长的功能。，
但针对不同病例，骨缺损修复往往需要个性化定制三维多孔植入体。当前流行的高精度3D打印技术，是精确定制三维多孔植入体的最佳方案。PPF材料具备光交联特性，因此常用立体光刻技术(Stereo Lithography Appearance)和数字光处理技术(DigitalLight Processing)个性化定制高精度三维多孔植入体。在现有技术中，可通过光交联3D打印可制备成具有精细多孔结构的三维骨组织工程支架，但纯的PPF由于粘度高：在40℃时，重均分子量为1130g/mol的线性PPF零剪切粘度为24Pa·s，重均分子量为3340g/mol的PPF则高达11600Pa·s。而光交联3D打印要求聚合物材料具有较低的粘度(0.25-10Pa·s)，因此纯的PPF并不适合直接在光交联3D打印中直接使用，往往需要添加反应性稀释剂富马酸二乙酯(DEF)，以降低PPF的粘度。因此PPF的3D打印方案通常是将其溶解到作为溶剂和交联剂的反应性稀释剂DEF中，从而形成可打印的PPF树脂。当前几乎所有关于PPF的3D打印的研究都使用DEF作为反应性稀释剂。但是随着DEF含量的提高，所制备的支架的力学性能急剧下降，且固化速度慢。这主要是由于DEF的成分改变了PPF的交联网络，一个小分子DEF只含有一个双键，提供PPF交联的能力有限，因而无法满足实际的需求。
发明内容
本发明提出一种光固化树脂及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为了克服上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种光固化树脂，包括聚富马酸丙二醇酯和超支化聚酯丙烯酸酯。
值得说明的是，超支化聚合物是一类具有高度支化结构的聚合物。以甲基丙烯酸酐改性超支化聚酯，可得到链末端含有大量C＝C的超支化聚酯丙烯酸酯(即HPA)。超支化聚酯丙烯酸酯具有较低的黏度、良好的流动性、溶解度，以及较高的化学反应活性。作为一种用作紫外光固化的涂料组分，超支化聚酯丙烯酸酯含有大量的外部活性端基提供交联点位，使其固化速度快、固化完全，以及涂膜性能好。超支化聚酯丙烯酸酯在本发明中作为反应性稀释剂溶解PPF，可以有效降低PPF的粘度，使其适用于光交联3D打印。相比富马酸二乙酯，链末端富含碳碳双键的超支化聚酯丙烯酸酯可以提供更多的交联点位，抓取更多的PPF链段形成更完善的交联网络，从而显著提高支架的力学性能；并且制备的光固化树脂能在极低的紫外线曝光能量下可以快速固化成型，有效节省了3D打印时长，提高了打印效率，并且制备的三维支架更符合模型的设计值。
进一步，所述聚富马酸丙二醇酯的分子量约为2500g/mol。
作为上述方案的进一步改进，按重量份计，所述光固化树脂包括富马酸丙二醇酯40-60份和超支化聚酯丙烯酸酯40-60份。
作为上述方案的进一步改进，所述光固化树脂还包括光引发剂。
作为上述方案的进一步改进，所述光引发剂选自苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、光引发剂784或光引发剂754，优选为苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦；按重量份计，所述光引发剂为0.5-3份，优选为1-2份。
如本发明任一项所述的光固化树脂的制备方法，包括如下步骤：在避光条件下，取聚富马酸丙二醇酯，经溶解后加入超支化聚酯丙烯酸酯，搅拌，加入光引发剂混合，得到所述的光固化树脂。
值得说明的是，本发明的光固化树脂的整个制备过程中需要在避光条件下进行，这主要是由于光固化树脂的原料中已经包含了PPF、HPA和光引发剂，在进行光交联3D打印之前进行避光处理，可以保证光固化树脂中的成分彼此未发生交联反应和固化，是稳定的混合液体状态，然后在光交联3D打印时，将本发明的光固化树脂在紫外光曝光下即可发生交联反应并固化，光固化树脂从液态变成固态，得到打印成品。HPA与PPF的化学反应方程式如下(其中，BAPO为光引发剂，UV为紫外线，PPF chain为PPF链)
作为上述方案的进一步改进，所述的聚富马酸丙二醇酯的制备方法，包括如下步骤：将富马酸酯、1,2-丙二醇、催化剂、阻聚剂混合，进行第一步反应，得到富马酸二(羟丙基)酯，然后进行第二步反应，得到所述的聚富马酸丙二醇酯。
作为上述方案的进一步改进，所述富马酸酯、1,2-丙二醇、催化剂和阻聚剂的重量份之比约为1：3：0.01：0.002；所述富马酸酯包括富马酸二乙酯；所述催化剂包括氯化锌；所述阻聚剂选自对苯二酚或苯醌中的一种或两种。
作为上述方案的进一步改进，所述第一步反应的过程为：加入富马酸酯、1,2-丙二醇，搅拌10～30min，然后加入催化剂和阻聚剂，混合，惰性气体氛围下于90～110℃搅拌反应20～40min，然后升温至140～160℃反应6～8h，降温至90～110℃；所述第二步反应的过程为：真空条件下于90～110℃反应0.5～1h，然后升温至140～160℃反应3～5h。
一种骨组织工程支架，是采用本发明任一项所述的光固化树脂制得。采用本发明的光固化树脂为原料打印得到的骨组织工程支架具有优异的韧性，更高的压缩模量，更接近打印模型的设计值，以及具备更优异的压缩后恢复形变的能力。
如本发明任一项所述的光固化树脂在光交联3D打印或骨组织工程中的应用。在本发明的光交联3D打印中，需加入染料，所述染料包括奥丽素黄，按重量份计，所述染料为0.03-0.3份，优选为0.1-0.15份。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种光固化树脂及其制备方法和应用，采用聚富马酸丙二醇酯与超支化聚酯丙烯酸酯进行复配，其中，超支化聚酯丙烯酸酯代替富马酸二乙酯作为反应性稀释剂，不仅有效降低了聚富马酸丙二醇酯的粘度，并且超支化聚酯丙烯酸酯的端基具有多个双键，可提供更多的交联点位，从而有效促进PPF在极短的紫外光曝光时间内快速固化和光交联反应完全，使得本发明制备的光固化树脂具备更加完善的交联网络，力学性能更优异，因而更适用于光交联3D打印三维骨组织工程支架。本发明所得的光固化树脂可应用在光交联3D打印或骨组织工程中，应用前景广泛。
附图说明
图1是本发明中光交联3D打印过程的简单示意图；
图2是本发明中对实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂所得的支架进行固化深度和穿透深度实验的结果；
图3是本发明中不同组分配比的PPF/HPA光固化树脂的粘度曲线；
图4是本发明中实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂分别的交联网络示意图；
图5是本发明中实施例4-5、对比例4-5分别所得的三难多孔支架和实心支架的压缩模量测试结果；
图6是本发明中实施例4和对比例4的三维多孔支架的压缩测试结果；
图7是本发明中最小打印图案的光交联3D打印过程的简单示意图；
图8是本发明中实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂的力学拉伸性能测试结果。
针对附图中的英文，对应翻译如下：
Model模型；Slicing：切片；UV curing：紫外光固化；Final Scaffold：固化后的支架；Post-curing：后固化；Scaffold：支架；
Preset layer thickness：预设的固化层厚；Supports：支撑；Cure Depth：固化深度；Exposure：曝光能量；
PPF crosslinked network：PPF交联网络；Reactive diluent：反应性稀释剂；
Compressive modulus：压缩模量；Porous：多孔；Solid：实心；
Minor axis：短轴；Long axis：长轴；
Actual height/initial height：实际高度/初始高度；
Tensile modulus：拉伸模量；Breaking strength：断裂强度；Elongation atbreak：断裂伸长率；Stress：应力；Strain：应变。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或提取方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或提取方法。
实施例1
聚富马酸丙二醇酯(PPF)的合成：
将50g富马酸二乙酯与65.97g的1,2-丙二醇依次加入三口烧瓶内，在氮气氛围下(流速：3～5气泡每秒)150rpm搅拌20min,随后加入0.39g氯化锌(ZnCl2)和0.064g对苯二酚混合；在100℃搅拌300rpm下反应30min后升温至150℃下反应7h后降温至100℃，得到富马酸二(羟丙基)酯；加真空，在100℃下反应1h后升温至150℃反应4h，得到PPF，分子量约为2500g/mol。
PPF/HPA光固化树脂的制备：
在避光条件下，取15gPPF溶于3ml二氯甲烷，二氯甲烷充当助溶剂，待PPF充分溶解后加入15g超支化聚酯丙烯酸酯，使用搅拌子搅拌树脂液体使其充分混合，加入0.3g光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦，充分混合12h，待混合均匀后在室温条件下置于真空烘箱中抽真空12h，以完全去除助溶剂二氯甲烷，制得PPF/HPA光固化树脂，记为PPF/HPA 50：50。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中PPF与HPA的质量之比为40：60，其余组分和制备过程与实施例1相同。得到PPF/HPA光固化树脂，记为PPF/HPA40：60。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，实施例3中PPF与HPA的质量之比为60：40，其余组分和制备过程与实施例1相同。得到PPF/HPA光固化树脂，记为PPF/HPA60：40。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1中用DEF代替实施例1中的超支化聚酯丙烯酸酯，其余组分和制备过程与实施例1相同。得到PPF/DEF光固化树脂，记为PPF/DEF 50：50。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，对比例1中PPF与HPA的质量之比为20：80，其余组分和制备过程与实施例1相同。得到PPF/HPA光固化树脂，记为PPF/HPA20：80。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，对比例1中PPF与HPA的质量之比为80：20，其余组分和制备过程与实施例1相同。得到PPF/HPA光固化树脂，记为PPF/HPA 80：20。
实施例4三维多孔支架打印
取实施例1的PPF/HPA光固化树脂，添加染料巴斯夫奥丽素黄，重量份为0.15份，提高Z轴方向精度后，进行光交联3D打印(打印过程的简单示意图如图1所示)，包括如下步骤：
1)模型设计：在K3DSurf软件中输入数学函数模型cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+cos(z)*sin(x)-0.7得到多孔、高孔隙率的三维支架模型，支架整体形貌呈圆柱状，直径4.5mm，高6.5mm；
2)模型切片处理：将三维支架模型导出成STL格式，导入Creation workshop切片软件切成二维投影图形；
3)将图片信息输入电脑进行逐层光交联3D打印，打印机型号为摩方新材科技有限公司nanoArch P140打印机，紫外线波长为405nm，打印层厚为每层20μm，每一层紫外线曝光时间为2.8s，紫外光能量为35mJ/cm2；
4)用刀片小心地将支架从打印平台移除，通过离心法去除孔隙内部多余的树脂，离心速度为4500r/min，离心时间为2min；
5)将支架放入Form Cure固化箱(Formlabs)固化2h，固化箱波长为405nm，得到三维多孔支架。
对比例4
对比例4与实施例4的区别在于，对比例4中用PPF/DEF光固化树脂代替实施例4中的PPF/HPA光固化树脂，其余组分和制备过程与实施例4相同。
实施例5实心支架打印
取实施例1的PPF/HPA光固化树脂进行光交联3D打印，添加染料巴斯夫奥丽素黄，重量份为0.15份，提高Z轴方向精度后，进行光交联3D打印(打印过程的简单示意图如图1所示)，包括如下步骤：
1)模型设计：在K3DSurf软件中输入数学函数模型cos(x)*sin(y)+cos(y)*sin(z)+cos(z)*sin(x)-0.7得到多孔、高孔隙率的三维支架模型，支架整体形貌呈圆柱状，直径3mm，高6mm；
2)模型切片处理：将三维支架模型导出成STL格式，导入Creation workshop切片软件切成二维投影图形；
3)将图片信息输入电脑进行逐层光交联3D打印，打印机型号为摩方新材科技有限公司nanoArch P140打印机，紫外线波长为405nm，打印层厚为每层40μm，每一层紫外线曝光时间为1.4s，紫外光能量为20mJ/cm2；
4)用刀片小心地将支架从打印平台移除，通过离心法去除孔隙内部多余的树脂，离心速度为4500r/min，离心时间为2min；
5)将支架放入Form Cure固化箱(Formlabs)固化2h，固化箱波长为405nm，得到实心支架。
对比例5
对比例5与实施例5的区别在于，对比例5中用PPF/DEF光固化树脂代替实施例5中的PPF/HPA光固化树脂，其余组分和制备过程与实施例5相同。
产品性能测试1：固化深度以及穿透深度实验
取实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂分别不同的紫外线能量下进行光交联3D打印，得到不同的支架，测量各个支架最顶层的实际固化层厚，并测试不同紫外光能量得到各个支架的固化深度和穿透深度等，采用的打印模型及相关测试结果如图2所示，其中，(a)为打印模型(模型设计最顶层厚度为40μm)；(b)为不同的紫外线能量下打印的PPF/HPA光固化树脂的固化成型情况；(c)为PPF/HPA光固化树脂和PPF/DEF光固化树脂分别的曝光能量-固化深度曲线；(d)为不同的紫外线能量下打印的PPF/DEF光固化树脂的固化成型情况。
从图2中的(b)可以看出，PPF/HPA光固化树脂在极低的紫外光能量(4mJ/cm2)下即可快速固化成型，并且成型稳定，无明显变型；随着紫外光能量的增加，对应支架的最顶层的实际固化层厚逐渐变小，且对应支架的固化深度逐渐增大，由此可见，随着紫外光能量的增加，采用PPF/HPA光固化树脂打印的支架的最顶层的实际固化层厚和固化深度均呈规则变化，固化成型快速和稳定，且无明显变型。
发明人发明人通过实验发现：PPF/DEF光固化树脂在低于25mJ/cm2的曝光能量时并不能固化成型，打印失败的概率显著增加。并且，从图2中的(d)可以看出，随着紫外光能量的增加，对应支架的最顶层的实际固化层厚和固化深度均呈不规则变化，波动较大，明显不稳定。由此可见，随着紫外光能量的增加，采用PPF/DEF光固化树脂打印的支架的最顶层的实际固化层厚和固化深度均呈不规则变化，固化成型不稳定，且固化后有明显变型。
再测量打印实物实际的最顶层厚度。
同时，发明人还在不同曝光能量下对PPF/HPA光固化树脂和PPF/DEF光固化树脂分别进行了穿透深度实验，计算公式为：Cd＝Dp(lnEmax-lnEc) (公式1)。
其中，Cd指光固化树脂的固化深度，DP指光固化树脂的穿透深度，Ec指光固化树脂的临界固化能量，Emax指紫外灯的输出能量。根据公式1，Cd以及Emax是已知值，通过函数关系，得到PPF/HPA光固化树脂和PPF/DEF光固化树脂分别的曝光能量-固化深度曲线如图2中的(c)所示，其中，固化深度曲线的纵坐标交点为光固化树脂的临界固化能量(Ec)，斜率DP为光固化树脂的穿透深度。通过固化深度曲线求出光固化树脂的相关参数如下表1所示。
表1 PPF/HPA光固化树脂和PPF/DEF光固化树脂的临界固化能量以及穿透深度
由此可见，PPF/HPA光固化树脂的临界固化能量Ec显著低于PPF/DEF光固化树脂，因此可得知本发明所得的PPF/HPA光固化树脂可在极低的曝光能量下快速反应、快速固化、交联反应完全。
产品性能测试2：流变学测试
取实施例1-3、对比例2-3分别所得的光固化树脂进行流变学测试(25℃下，频率扫描0.5-100rad/s)，测量不同组分光固化树脂的零剪切粘度以及玻璃化转变温度数据，组分分别为PPF/HPA 20：80、40：60、50：50、60：40以及80：20。得到不同组分配比的PPF/HPA光固化树脂的粘度曲线如图3所示，其中，粘度曲线的横坐标的φPFF是指PPF在(PPF+HPA)中的占比)，从图3可以明显看出，随着PPF占比的增加，所得光固化树脂的零剪切粘度也随之增大，这也就意味着，随着反应性稀释剂组分(HPA)占比的提高，所得光固化树脂的零剪切粘度发生了显著减低，由此说明HPA成分能有效降低纯PPF的粘度，使得本发明所得的光固化树脂适用于光交联3D打印中。
此外，根据实验研究证明，零剪切粘度在0.25-10Pa·s范围内才适合光交联反应3D打印，而零剪切粘度小于0.25Pa·s的对比例2(PPF/HPA20：80)和零剪切粘度大于10Pa·s的对比例3(PPF/HPA 80：20)的零剪切粘度均不在0.25–10Pa·s范围内，因此对比例2和3不适用于光交联3D打印。这主要是由于，对比例2和3中PPF与HPA的配比并不在本发明范围内，因此所得光固化树脂的零剪切粘度也不在0.25–10Pa·s范围内，而本发明所得的光固化树脂经过合理配比，所制得的光固化树脂的剪切粘度在0.25–10Pa·s范围内，因而适用于光交联反应3D打印中。
产品性能测试3：凝胶含量测试
分别取实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂转移至约0.5mm厚的硅胶模具中，上下由两块玻璃板(2.1mm厚)夹紧，随后将其放置在紫外光(365nm)照射30分钟(距离灯头约7cm)，交联后的薄片待冷却至室温后取出。
再取薄片称重(Wo)浸泡于20mL二氯甲烷中，两天后真空抽干并称重(Wd)，以此计算不同工艺下合成的嵌段共聚物的凝胶分数(即凝胶含量)，公式为：
凝胶分数＝(Wo-Wd)/Wo*100％
所得实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂分别的交联网络示意图如图4所示。实施例1的PPF/HPA光固化树脂在交联后的凝胶含量为92.0％±2.8％，对比例1的PPF/DEF光固化树脂在交联后的凝胶含量为83.1％±1.0％。而凝胶含量说明了在紫外线照射下，实施例1的PPF/HPA光固化树脂中所形成的交联网络更加完善，交联反应进行得更加完全；同时也进一步解释了在相同反应性稀释剂含量的条件下，由于HPA的端基上具备更多的双键，HPA小分子可以抓取更多的链段从而形成更紧密、更完善的交联网络。
产品性能测试4：压缩测试
A.取实施例4-5、对比例4-5分别所得的三难多孔支架和实心支架进行压缩模量测试(压缩速率为0.5mm/min)，测得各支架的压缩模量结果如图5所示。从图5可以明显看出采用实施例1的PPF/HPA光固化树脂所打印的支架的压缩模量高于采用对比例1的PPF/DEF光固化树脂，由此说明了PPF/HPA光固化树脂具备更优异的压缩力学性能。
B.分别取实施例4和对比例4的三维多孔支架，分别测量支架直径、高度和最小打印图案的长轴与短轴(图6为最小打印图案的光交联3D打印过程的简单示意图)的实际尺寸，并与打印模型设计值进行对比，从而评价不同组成的光固化树脂经光交联3D打印所得支架的稳定性。实施例4和对比例4的三维多孔支架的直径、高度、长轴以及短轴实际测量值和模型设计值如下表2所示。
表2实施例4和对比例4的三维多孔支架的直径、高度、长轴以及短轴实际测量值和模型设计值
如表2所示，从直径、高度、长轴以及短轴四个数据来看，可以明显看出PPF/DEF光固化树脂打印的支架的实际尺寸与打印模型设计值相差较大，而PPF/HPA光固化树脂打印的支架的实际尺寸与打印模型设计值更加接近，这主要是由于PPF/HPA光固化树脂更快速、更完全的光交联有效提高了支架在光交联3D打印时的稳定性。
C.分别取实施例4和对比例4的三维多孔支架进行压缩测试，在施加50％的压缩形变后测量两个多孔支架的恢复形变能力，结果如图7所示。
从图7可以看出，在施加50％的压缩形变后去除应力，多孔支架在室温的条件下即恢复了形变。这主要是由于PPF/HPA光固树脂制备的支架具备更好的韧性、更完善的交联体系，在压缩后恢复形变的能力更强，明显优于对比例4的PPF/DEF光固树脂制备的支架。
产品性能测试5：拉伸测试
分别取实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂转移至约0.5mm厚的硅胶模具中，模具形状为哑铃状，上下由两块玻璃板(2.1mm厚)夹紧，随后将其放置在紫外光(365nm)照射1小时(距离灯头约7cm)，交联后的薄片待冷却至室温后取出，用于拉伸测试。
在拉伸速率为1mm/min下测试表征其力学拉伸性能，包括拉伸模量、断裂强度和断裂伸长率等，所得结果如图8所示，其中，(a)为实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂的拉伸模量测试结果；(b)为实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂的断裂强度测试结果；(c)为实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂的断裂伸长率测试结果；(d)为实施例1的PPF/HPA光固化树脂和对比例1的PPF/DEF光固化树脂的应力-变力曲线。从图8可以明显看出实施例1的PPF/HPA光固化树脂具有更高的拉伸模量以及拉伸强度，由此说明了实施例1的PPF/HPA光固化树脂表现出了更优异的拉伸力学性能。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
