聚己内酯丙烯酸酯的合成，表征和可见光固化能力

摘要

聚己内酯(PCL)因其可生物降解性而在医学3D打印和组织工程领域受到越来越多的关注。本研究开发了可用可见光固化的聚己内酯预聚体。合成了三种PCL丙烯酸酯:聚己内酯-530二丙烯酸酯(PCL530DA)、甘油-3己内酯三丙烯酸酯(甘油- 3cl - ta)和甘油-6己内酯三丙烯酸酯(甘油- 6cl - ta)。PCL530DA有两种丙烯酸酯，而甘油- 3cl - ta和甘油- 6cl - ta有三种丙烯酸酯。傅里叶变换红外光谱和核磁共振光谱表明合成了所有PCL丙烯酸酯。在室温下，所有材料都是液体，使用1%樟脑醌作为光引发剂，2%甲基丙烯酸二甲氨基乙酯作为助引发剂，暴露在470nm蓝色LED光下后，可以光聚合成透明的固体。固化1 min后，所有PCL丙烯酸酯的转化率均可达到80%以上。PCL530DA、Glycerol-3CL-TA、Glycerol-6CL-TA的压缩模量为 那 ， 和  MPa, respectively, and their compressive strength is 那 ， 和  MPa, respectively. Thus, all PCL acrylates synthesized in this study can be photopolymerized and because of their solid structure and low viscosity, they are applicable to soft tissue engineering and medical 3D printing.

1.介绍

可生物降解的材料在3D打印领域提高了越来越关注，因为它们可用于印刷身体植入物，组织工程支架，甚至药物释放胶囊[1-3.]．到目前为止，聚乳酸（PLA）是3D印刷中最常见的生物降解材料之一[4.-6.]．PLA可以在其熔化温度高于150°C-160°C的熔化温度之上，并根据熔融沉积建模（FDM）从3D打印机中的喷嘴挤出[7.那8.]．FDM 3D打印机的主要问题是，与使用立体刻录（SLA）或数字光处理（DLP）3D打印机相比，它们具有低分辨率。9.那10.]．FDM 3D打印机的另一个问题是打印速度慢，因为它通过堆叠许多薄材料线来形成3D对象，因此需要几个小时才能打印一个小对象[11.那12.]．本研究在不久的将来开发可用于DLP 3D打印机的生物可降解材料。

普通聚合物的生物降解性，例如聚乙酰乙酰（PGA），PLA和聚己内酯（PCL）聚酯，取决于它们的结构[13.-15.]．它们的酯键在与水反应时发生水解。具有较长烷基主链和较多烷基侧链的聚酯亲水性较差，因此降解率较长[16.]．通常，PCL具有比PLA更长的降解速率，PLA显示比PGA更长的降解速率。由于其较长的降级时间，PCL具有若干潜在的组织工程和医学3D印刷应用。

PCL是一种流行的可降解材料，用于树脂添加剂、小尺寸建模和骨组织工程[17.-22.]．它可以通过开环聚合来合成ε.己内酯(23.那24.]．采用盐浸法和热诱导相分离技术制备了支架材料。但这两种方法不一致，不适合大规模生产。

PCL的性质取决于其分子量[25.那26.]．高分子量PCL (80kda)是一种白色固体60°C。相反，低分子量PCL（0.53kDa）是室温下的透明液体。对于3D打印应用，PCL必须保持在液态状态;换句话说，必须精确地控制其分子量。此外，低分子量PCL必须含有用于进一步聚合的丙烯酰基合成的官能团，例如-OH基团。

在本研究中，合成了三种pcl基丙烯酸酯。第一个预聚体是一个两端有两个丙烯酸酯的线性分子，命名为聚己内酯-530二丙烯酸酯(PCL530DA)。此外，还通过开环聚合法制备了两个支链分子甘油-3己内酯三丙烯酸酯(Glycerol-3CL-TA)和甘油-6己内酯三丙烯酸酯(Glycerol-6CL-TA)ε.- 在甘油在存在下加入丙酮酮，其次是丙烯酸反应。进一步评估这些预聚物的材料特性及其光聚合前后的混合物。用于本研究的光引发剂，叔胺和光源是樟脑醌（CQ），甲基丙烯酸二甲基氨基甲基酯（DMAEMA）和470nm蓝色LED光。

2.材料和方法

2．1．pcl530 -二醇、甘油-3 -己内酯三醇、甘油-6 -己内酯三醇的合成

以二甘醇为原料合成PCL530二醇。二甘醇在130℃下干燥1小时;然后，适量ε.- 通过使用1％辛酸辛酸酯作为催化剂，在1：4摩尔比在1：4摩尔比在室温下在氮气氛下聚合，在室温下聚合。用于合成甘油-3己内酯三醇和甘油-6己内酯三醇，干燥甘油并与之彻底混合ε.- 分别为1：3.3和1：6.6摩尔比的己内酯。然后将混合物加热至130℃并发生界面聚合24小时。

2.2。PCL530DA，甘油-3Cl-TA和甘油-6-CL-TA的合成

通过丙烯酰氯与PCL530-二醇，甘油-3己内酯三醇和甘油-6己内酯三醇的反应制备PCL530DA，甘油-3Cl-TA和甘油-6CL-TA（图1和2）.PCL530二醇、甘油-3己内酯三醇、甘油-6己内酯三醇首先在120°C氮气气氛下干燥1小时，然后冷却至50°C以下。然后将它们溶解在四氢呋喃中，并将三甲胺(Sigma-Aldrich，美国)添加到溶液中。丙烯酰氯(默克KGaA，达姆施塔特，德国)以1:2 .2 (PCL530DA)或1:3 .3(甘油- 3cl - ta或甘油- 6cl - ta)的摩尔比缓慢加入溶液。反应混合物在室温、氮气气氛下连续搅拌24小时。用旋转蒸发器连夜将溶剂除去。反应产物室温避光保存。

2．3．pcl基丙烯酸酯的傅里叶变换红外吸收光谱研究

红外（IR）光谱用于确定材料是否合成。可以发现测试的样本的化学键，并显示为图上的峰。使用配备有衰减的总反射率（ATR）晶体的Nicolet TM IS5TM傅立叶变换红外光谱仪（Thermofisher，MA，MA，USA）评估所有标本。制备的样品足够大以覆盖ATR晶体的整个表面，并扫描至少16次。收集的光谱在800-4000厘米的范围内获得^-1，分辨率为4厘米^-1。

2.4。¹核磁共振波谱学

可以通过IR光谱研究化学键，但是峰值可以覆盖在图上以影响结果的解释。可以通过标本中的每个元素的数量通过¹H核磁共振（NMR）光谱。对于NMR测量，将10mg样品溶于1ml氘代氯仿中，用四甲基硅烷作为内标。¹使用Bruker Ascend 400 mhz谱仪在300k温度下获得H-NMR谱。每个样本被扫描32次以获得一个平均频谱。化学位移相对于氯仿在7.26 ppm¹核磁共振光谱。在Topspin(3.0版)上划分并整合了光谱上的峰。

2.5。PCL基丙烯酸酯的粘度

粘度是3D打印材料的关键性能。因此，使用锥板粘度计(Brookfield DV3TRV流变仪，Wells-Brookfield Cone/Plate;布鲁克菲尔德工程实验室公司，米德尔伯勒，MA，美国)室温。为了确定光聚合后材料的粘度与力学性能之间的最佳折衷，进一步研究了材料混合物的粘度。体积恒定(1厘米^3.）在锥形和板之间分配每种树脂，并且在10rpm下收集粘度，剪切速率为38.4 s^-1为2分钟。每秒钟收集一次数据，记录10 - 95%扭矩之间的读数，并以厘泊(cps)表示。

2.6。pcl基丙烯酸酯转化度的测定

为了评估pcl基丙烯酸酯的转化率(DC)，将五种光固化树脂溶液暴露在470nm的LED蓝光(6mw cm)下^-2) 10、20、30和60秒。用同一台傅里叶变换红外光谱仪获得了光固化树脂的红外光谱。在计算样品的DC之前，所有样品的光谱都归一化到1720 cm处的C=O峰^-1因为羰基键的数目在光诱导聚合后没有变化。然后通过比较1640厘米处脂肪族C=C拉伸振动的强度来确定每个样品的DC^-1聚合树脂和阴性对照，未聚合树脂。DC(%)由100%减去剩余脂肪族C=C的百分比计算。

2.7。基于PCL的丙烯酸酯的压缩试验

制备含有1.2％CQ和2.4％DMAEMA的所有三种基于PCL的丙烯酸酯，并在6mM厘米下进行耐热固化^-2为1分钟。采用万能试验机(Shimadzu AGS-500G)，在压缩模式下装有100 kg或500 kg测压元件，测量样品在室温下的抗压强度和模量。使用直径为14毫米、厚度为8毫米的光固化样品。所有的试验都要进行到样品被压碎为止。十字头速度为2毫米每分钟^-1。为了获得统计上可靠的结果，所有测量至少重复三次。

2.8。统计分析

在GraphPad Prism（版本6）上处理实验数据。使用单向分析的方差分析来分析定量数据。数据显示为平均值±标准偏差。一种<0.05为有统计学意义。

结果

3.1。FTIR和NMR谱

数字3(一个)显示在合成期间，显示出原料甘油（上），中间甘油-3Cl三醇（中间）和最终产物甘油-3Cl-TA（底部）的FTIR光谱。强大的C = O键在1730厘米处^-1可以在甘油-3Cl三醇和甘油-3Cl-ta的光谱中看到，表明-C = o的存在ε.-caprolactone。小乙烯基C = C峰可以在1640厘米处找到^-1在甘油-3Cl-TA中，表明两端存在丙烯酸酯。3300厘米的-OH峰^-1在合成期间删除，如图所示3.。-OH基团的降低与图中所示的合成步骤一致2。这表明-OH基团由丙烯酸酯官能团调整。数字3 (b)为甘油- 3cl - ta的核磁共振谱。在5.8-6.5 ppm范围内的三组峰对应丙烯酸酯中的乙烯基质子，表明丙烯酸酯基团的存在。数字4.PCL530DA(上)、Glycerol-3CL-TA(中)和Glycerol-6CL-TA(下)的FTIR峰。小乙烯基C = C峰可以在1640厘米处找到^-1在所有PCL丙烯酸酯中。

3.2。粘度

在室温下，PCL530DA为透明液体，粘度为176.8 cps(图)5.）.甘油-3Cl-TA和甘油-6Cl-TA也分别在室温下液体，分别为97.7和619.3cps（图5.）.当PCL530DA与甘油-3Cl-TA或甘油-6CL-TA混合时，所得混合物的粘度下降在组成预聚物的粘度内。

在光照后，所有的PCL丙烯酸酯变成透明固体(图)6.）.通过将光固化树脂的C = C峰的高度与未固化树脂的C = C峰的高度进行比较来评价PCL丙烯酸酯的DC（图7.和8.）.在暴露于蓝光之后，所有树脂都显示出DC> 50％。当固化时间从10％增加到60秒时，所有样品均达到80％DC。值得注意的是，甘油-6Cl-Ta的DC在10至60℃的固化时间之间是恒定的。

3.3。压缩试验

在蓝光下固化后，压缩试验显示PCL530DA和甘油-6CL-TA具有比所有固化时间的甘油-3Cl-TA更低的压缩模量和抗压强度（图9.和10.）.随着固化时间的延长，PCL530DA和甘油- 6cl - ta的压缩模量均随抗压强度的增大而增大。

4。讨论

在该研究中，制备了三种PCL预聚物，即PCL530DA，甘油-3Cl-TA和甘油-6CL-TA。所有这些预聚物都具有共同的特征：它们的粘度小于800 CPS - 对于3D印刷材料很重要。较小的粘度使得分子能够有效地在树脂罐中流动和分开，这使得适用于大多数商业DLP和SLA 3D打印机的预聚物。这种低粘度与来自Formlabs的商业上可用的3D印刷树脂类似，3D印刷公司具有最大的市场份额。

PCL530DA在其结构中具有两个丙烯酸酯，而甘油-3Cl-TA和甘油-6CL-TA具有三个。在光聚合期间，具有至少两个丙烯酸酯的预聚物可以形成交联网络。换句话说，所研究的所有三种预聚物可以在暴露于光线后形成交联网络。然而，与（1）甘油-3Cl-Ta，（2）甘油-6Cl-TA，（3）与甘油-3Cl-Ta或甘油的混合物相比，所有固化时间为100％PCL530DA的DC在所有固化时间下较低。与甘油-3Cl-TA或甘油的PCL530DA的混合物-6cl-ta。这可以是由线性PCL530DA中丙烯酸酯的较低密度引起的。甘油-3Cl-TA的直流在10-20次光暴露过程中迅速增加。然后，它在平坦的斜坡上增加，直到60秒的固化时间。相比之下，甘油-6CL-TA保留了10至60秒的高DC。直流的速率由丙烯酸酯的频率确定，以达到另一种丙烯酸酯[27.那28.]．当分子更长时，分子末端的丙烯酸酯具有更高的机会与来自另一分子的丙烯酸酯反应。如果在曝光后树脂预聚物的DC过低，则树脂分子内的未反应元素可以将树脂扩散到周围环境中，导致细胞培养测试期间的细胞死亡。因此，DC是光固化树脂的重要指标。

DC对材料的力学性能也起着重要的作用[29.-32.]．为了了解这些材料在完全固化状态下的压缩性能，我们在光照1分钟后对PCL预聚体进行了测试，一旦它们达到最高DC值。光聚合甘油- 3cl - ta的压缩模量和压缩强度明显高于甘油- 6cl - ta，但甘油- 6cl - ta光聚合前的聚合物链较长，粘度较高。这是因为在相同的重量下，甘油- 3cl - ta比甘油- 6cl - ta含有更高的丙烯酸酯密度。因此，在光照下可以获得更高的交联密度。这就解释了甘油- 3cl - ta具有较好的压缩性能的原因。压缩模量( MPa)和抗压强度( 对于骨组织工程应用来说，甘油- 3cl - ta的MPa)太低。然而，它仍然可以用于不受机械负荷影响的软组织工程或骨再生(例如，拔牙窝)。

5。结论

本研究制备了三种基于pcl的光可聚合材料。因为这些材料可以光固化形成固体，具有低粘度，它们在软组织工程和医疗3D打印方面有很大的潜力。

利益冲突

作者声明本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

本研究由台湾科技部资助，Grant MOST106-2221-E-010-001。本手稿由华莱士学术编辑编辑。

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