具有复杂结构生物医用形状记忆聚醚酯的分子结构设计、3D打印制造及性能研究

Shape-memory polymers (SMPs) has a promising application in the field of biomedical materials, in virtue of their unique ability of changing shape under a certain external stimulus. However, it is still a big challenging to accurately produce the SMPs with complex structure and individual difference as well as excellent shape memory performance. Taking vascular stent and bone fixation device as two typical application model, this project attempt to design a series of shape-memory aliphatic poly(ether-ester) based on biocompatible poly(p-dioxanone) (PPDO), polylactic acid (PDLLA), polyethylene glycol (PEG) and poly(tetramethylene oxide) glycol (PTMEG). Adapt to vascular stent, a dual-shape memory PPDO-PEG copolymer was synthesized considering that PPDO has excellent flexibility and PEG with the suitable molecular weight has a melting temperature around body temperature, and the target stent with precise size will be produced via 3D printing. Aim to bone fixation device, the PDLLA-PTMEG copolymers containing anthracene or unsaturated double bond were firstly synthesized considering that PDLLA has high strength and PTMEG with the suitable molecular weight has a melting temperature around room temperature, the target device with precise size will be achieved by the 3D printing assisted with real-time photo-crosslinking of anthracene or double bond. After crosslinking, PDLLA-PTMEG networks own triple-shape memory effect which may adapt to the different clinical treatment stage. The shape memory behavior of the vascular stent and bone fixation device will be investigated systematically, the biodegradability, biocompatibility and biotoxicity will also be evaluated. This work will provide a reference for the design of SMPs in the field of biomedical materials.

形状记忆高分子在生物医用材料领域具有非常好的应用前景，但在获得良好形状记忆性能的同时，如何精确制备一些构造复杂且具有个体差异性的材料，仍面临巨大挑战。本项目拟以血管支架和骨固定装置为典型应用模型，选择具有良好生物相容性的聚对二氧环己酮(PPDO)、聚乳酸(PDLLA)、聚乙二醇(PEG)和聚四氢呋喃(PTMEG)为基本构成链段，设计合成PPDO-PEG共聚醚酯、侧链分别含可发生光化学反应的蒽环或可光引发聚合不饱和键的PDLLA-PTMEG共聚物。前者具有两重形状记忆效应，转变温度在体温附近，通过3D打印可制备具有优异韧性及精准尺寸的血管支架。后者利用其共聚物中的光交联基团，将3D打印与实时光交联有效协同起来原位形成交联网络，制造出具有三重形状记忆性能和高强度、高精度的骨固定装置。对所制备材料进行形状记忆行为研究和生物相容性和生物毒性评价，为SMPs在生物医用材料领域的应用提供新的思路。

形状记忆高分子在生物医用材料领域具有非常好的应用前景，但在获得良好形状记忆性能的同时，如何精确制备一些构造复杂且具有个体差异性的应用器件，仍面临巨大挑战。本项目从形状记忆作用机制、3D打印适应性和生物医用材料应用需求等多个角度出发，通过一体化的分子结构设计，首先合成出可FDM打印且含有可反应功能基团的形状记忆共聚酯材料，然后通过紫外光辅助FDM的打印策略，利用功能基团原位光交联制备出适用于不同应用场景且具有优异综合性能的形状记忆医用器件。进一步将该策略应用于生物基形状记忆材料等的灵活构筑。主要成果包括了：(1) 选择具有优异力学性能和可3D打印性的聚乳酸(PLA)作为固定相，以结晶性聚己内酯(PCL)为可逆相、含双键的富马酰氯为扩链剂，合成出形状记忆U-PLA-PCL共聚酯，在光引发剂存在下利用UV辅助FDM打印出具有个体适应性的体外辅助治疗器件模型；(2) 以PLA为固定相、亲水性PEG为可逆相，同时引入无需光引发剂的含蒽环或肉桂酸类光敏基团(AN/CA)，合成出形状记忆AN(CA)-PLA-PEG共聚酯，利用UV辅助FDM打印出具有良好的形状记忆性能和生物相容性可植入支架模型，该支架在水环境下可保持结构稳定且在37 °C条件下可快速回复；(3) 以生物基小分子癸二酸二甲酯(DSe) 、1,4-丁二醇(BDO)、含双键衣康酸二甲酯(DI)为原料，通过熔融缩聚制备PBSe-co-PBI共聚酯，利用UV辅助FDM打印策略制备具有复杂结构的3D样品，并应用于热防护罩等应用模型的构筑；(4) 利用3D打印技术灵活制备光模板，实现含光响应含蒽环结构形状记忆共聚酯的信息存储和加密；(5) 在完成研究计划的基础上还开展了可变形变色聚合物的研究，通将可逆变色化合物螺吡喃(SP)等变色单元引入形状记忆PCL网络中，实现材料同步变形变色，并应用于多重信息加密与防伪设计。本项目将3D打印技术与SMPs分子结构设计有机结合，实现智能材料在加工和应用上的相互协同，为SMPs在生物医用材料、信息加密与防伪材料等领域的应用提供了新的思路。