中大王山峰：PμSL打印新型聚酯生物彈性體以提供組織修復(fù)新策略和新機(jī)制

更新時(shí)間：2024-01-29

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面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)具有高分辨率、可成型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及優(yōu)異表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。盡管PµSL技術(shù)在打印精度和速度方面占優(yōu)勢，但要使用具有適宜粘度的可降解樹脂制造出含有三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彈性體，仍具有挑戰(zhàn)性。中山大學(xué)王山峰教授課題組先前開發(fā)了一系列可光固化聚酯如聚己內(nèi)酯（PCL）丙烯酸酯、PCL富馬酸酯和聚富馬酸丙二醇酯-co-聚己內(nèi)酯共聚物（PPF-co-PCL），并將其制成三維結(jié)構(gòu)。然而，由于較高的結(jié)晶度和交聯(lián)密度，上述材料中用作生物彈性體上將受限。聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）是一種室溫下無定形聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）較低，極限T_g約-17℃，將對新型生物材料用于組織修復(fù)的設(shè)計(jì)策略提供重要思路。

近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王山峰教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將PTMC與富馬酰氯經(jīng)一步縮聚反應(yīng)制備了一種新型的可光固化聚合物：聚三亞甲基碳酸酯富馬酸酯（PTMCF）。PTMCF可用模具法或PμSL技術(shù)制備具有不同模量的可生物降解彈性體二維基底和三維支架。PTMCF網(wǎng)絡(luò)具有簡易合成、透明、可打印性、可生物降解性、優(yōu)異的拉伸模量和斷裂伸長率等特點(diǎn)，總體上優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的彈性體。此外，將模量與其它因素包括表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)解耦后，PTMCF可被用于研究單因素變量模量對體外人源間充質(zhì)干細(xì)胞行為以及體內(nèi)軟硬組織再生的影響。相關(guān)成果以“Opposite Mechanical Preference of Bone/Nerve Regeneration in 3D-printed Bioelastomeric Scaffolds/Conduits Consistently Correlated with YAP-Mediated Stem Cell Osteo/Neuro-genesis"為題發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。文章第一作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2019級(jí)博士畢業(yè)生成肖鵬，主通訊作者為其導(dǎo)師王山峰教授。該研究得到中國國家自然科學(xué)基金（51973242和81602205）和中山大學(xué)“百人計(jì)劃"啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

本工作通過二甘醇的雙羥基引發(fā)TMC單體開環(huán)聚合制備了目標(biāo)分子量分別為500 g/mol、1000 g/mol和2000g/mol的線性PTMC，隨后在縛酸劑碳酸鉀的存在下與富馬酰氯進(jìn)行縮合反應(yīng)，合成了無色的線性PTMCF0.5k、1k和2k。同一聚合物的零剪切粘度（η₀）隨溫度升高而降低，而η₀隨PTMCF分子量增加而增加。PTMCF中較高密度的碳碳雙鍵可以保證打印的流暢性。打印流程圖以及樹脂配方如圖1a所示，由于PTMCF0.5k的超低粘度，其樹脂中的聚合物成分可高達(dá)90%。這一數(shù)值要顯著高于現(xiàn)有的許多樹脂，如聚富馬酸丙二醇酯/富馬酸二乙酯（50%），聚癸二酸甘油酯丙烯酸酯/二甲基亞砜（60%）此外，除了添加稀釋劑，采用熱輔助立體光刻技術(shù)，即打印時(shí)升溫可以實(shí)現(xiàn)無溶劑打印。在這里，PTMCF0.5k可在40~45℃下進(jìn)行打印，該打印溫度也顯著低于文獻(xiàn)中的PTMC三甲基丙烯酸酯（60℃）和P(LLA-co-CL)甲基丙烯酸酯（80℃）。PTMCF0.5k和2k的打印工作曲線如圖1b所示，20 μm層厚的臨界固化能量E_c分別為58和90 mJ/cm²。為了確保層與層間的連接性以及打印結(jié)構(gòu)的完整性，由于PTMCF0.5k和2k交聯(lián)后均具有相對較低的模量，這里作者選用較高的能量來固化PTMCF0.5k和2k樹脂（290和450 mJ/cm²，E_c對應(yīng)的C_d分別為110 μm和165 μm）。

圖1. （a）PµSL技術(shù)的打印示意圖以及流程圖；（b）兩種PTMCF樹脂的打印工作曲線。

團(tuán)隊(duì)優(yōu)化聚合物樹脂配方以及打印參數(shù)后采用摩方精密nanoArch® S140（精度：10 μm）打印了高分辨率的三維gyroid結(jié)構(gòu)、單通道神經(jīng)導(dǎo)管和血管網(wǎng)絡(luò)（圖2a）。PTMCF0.5k和2k gyroid支架的壓縮模量分別為580 ± 90和85 ± 13 kPa（圖2b）。PTMCF0.5k和2k神經(jīng)導(dǎo)管的法向剛度分別為8.5 ± 1.4和1.6 ± 0.3 N/mm（圖2c）。其中，PTMCF2k神經(jīng)導(dǎo)管設(shè)計(jì)內(nèi)外徑和實(shí)際內(nèi)外徑分別為1.20 mm、2.00 mm和1.10 ± 0.06 mm、1.94 ± 0.03 mm。導(dǎo)管的彈性及抗撕裂性對體內(nèi)植入時(shí)以及植入后損傷區(qū)域受到的彎曲、動(dòng)態(tài)擠壓以及拉伸變形至關(guān)重要。PTMCF神經(jīng)導(dǎo)管具有較高的柔韌性，可以抵抗彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形而不被破壞且可回復(fù)至最初形狀（圖2d），因此使其比先前研究的壓縮模量為470 MPa的硬PEG導(dǎo)管更容易在外科手術(shù)中縫合，并且PTMCF的模量與天然神經(jīng)類似（450 kPa），顯著優(yōu)于目前常用于周圍神經(jīng)修復(fù)的可降解聚合物，其中包括PGS甲基丙烯酸酯（壓縮模量3.2 MPa）、PCL（拉伸模量（E）: 400 MPa）、聚乳酸（E: 680 MPa）和聚-3-羥基丁酸酯（E: 1160 MPa）。此外，熱塑性聚合物如PCL制備的生物可吸收支架在植入前受到約束變形時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力松弛甚至變形，而熱固性PTMCF交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在這方面要顯著優(yōu)于熱塑性聚合物。綜上所述：采用PTMC作為前驅(qū)體可以同時(shí)獲得具有低模量、優(yōu)異彈性可回復(fù)性以及可打印性的PTMCF網(wǎng)絡(luò)。

圖2.（a）Gyroid支架、單通道神經(jīng)導(dǎo)管和血管網(wǎng)絡(luò)支架（從左至右）模型圖以及相應(yīng)的實(shí)物SEM圖。（b）PTMCF2k神經(jīng)導(dǎo)管的柔韌性展示。（c）PTMCF0.5k和2k的gyroid支架的壓應(yīng)力應(yīng)變曲線，（d）神經(jīng)導(dǎo)管徑向壓縮力-位移曲線。

三種PTMCF的基底具有相似的表面形貌、水接觸角和蛋白吸附能力，但其模量會(huì)隨著交聯(lián)密度的增加而增加。因此，基于PTMCFs的基底和支架可用作研究模量對干細(xì)胞行為響應(yīng)和體內(nèi)軟硬組織再生的優(yōu)異平臺(tái)。結(jié)果表明：在E為90-990 kPa范圍內(nèi)，hMSCs細(xì)胞粘附、鋪展和增殖與模量呈正相關(guān)；而hMSCs成骨或神經(jīng)元分化分別在990 kPa和90 kPa基底上會(huì)得到增強(qiáng)，模量通過介導(dǎo)YAP轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控粘著斑蛋白形成以及后續(xù)的細(xì)胞行為。當(dāng)支架壓縮模量處于85-580 kPa范圍內(nèi)，大鼠股骨髁修復(fù)與支架模量呈正相關(guān)；而其周圍神經(jīng)修復(fù)與支架模量呈負(fù)相關(guān)（圖3）。通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)得到的模量介導(dǎo)周圍神經(jīng)修復(fù)潛在機(jī)制：適宜的模量可促進(jìn)細(xì)胞整合素表達(dá)，激活FAK磷酸化并進(jìn)一步活化Rho家族蛋白，從而激活下游蛋白以形成Arp2/3復(fù)合物，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白成核與聚合，并形成絲狀偽足、微突起和板狀偽足，促進(jìn)神經(jīng)元生長并進(jìn)一步修復(fù)周圍神經(jīng)。本論文不僅提供了一種優(yōu)異的可3D打印生物彈性體的光固化樹脂，而且提出了不同基底模量的范圍是決定干細(xì)胞命運(yùn)以及進(jìn)一步硬/軟組織再生的關(guān)鍵因素之一，并揭示了其潛在作用的機(jī)制。

圖3. 大鼠（a）股骨缺損與（b）坐骨神經(jīng)損傷造模與修復(fù)時(shí)間點(diǎn)及表征手段示意圖。（c）Gyroid支架模量對大鼠股骨髁修復(fù)的影響。（d）3D打印神經(jīng)導(dǎo)管的模量對大鼠周圍神經(jīng)再生的影響。