一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物及其制备方法

技术领域

本发明属于植入式生物医用材料合成及光固化技术领域，具体涉及一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物及其制备方法。

背景技术

光固化快速成型作为增材制造技术中的一种，以含有活性不饱和键的液态光敏树脂为原材料，采用计算机控制下的紫外激光束以计算机模型的各分层截面为路径逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合或光交联反应后固化，当一层固化完成后，在垂直方向移动工作台，使先前固化的树脂表面覆盖一层新的液态树脂，逐层扫描、固化，最终获得所需要的三维原型制件。从光固化快速成型的原理和它所使用的材料来看，光固化快速成型主要有以下特点：(1)作为最早出现的快速成型制造工艺，其成熟度最高，经过时间的检验；(2)成型速度较快，系统工作相对稳定；(3)打印制件的尺寸基本不受限制，最大可制备宽达2m的制件，最小可制备小至微米级的小型精密零部件；(4)尺寸精度高，可以做到微米级别，远高于依赖于挤出熔融堆积成型制件的精度；(5)表面质量较好，比较适合做小件及较精细件。然而，该技术也存在着一些不足，比如，现有市售的光敏树脂种类有限且价格昂贵，绝大多数不能降解。因而，在生物医学工程领域，目前仅用作三维人体及器官模型复制，永久性假体的制作，复杂外科手术的术前规划模拟以及牙种植导板制作等方面，但在生物可降解组织工程支架以及可降解植入物等方面的应用受到了极大的限制。因此，开发可用于快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物日益成为近年来的研究热点。

聚乳酸(PLA)是一种具有优良生物相容性和可生物降解的合成高分子材料，它是美国食品和药物管理局(FDA)认可的一类生物医用材料。20世纪50年代,科学家们发现，由丙交酯开环聚合可制得高分子量的聚乳酸,但由于它对热和水比较敏感,在当时并未引起人们的足够重视。直到20世纪60年代，科学工作者发现聚乳酸能够在体内逐渐降解，其最终代谢产物是CO

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物及其制备方法，该低聚物基于聚乳酸骨架的稳定性强、粘度低、固化速度快等特点，与常用的紫外光固化稀释剂相容性高，具有的良好的可降解特性，可完全被人体所吸收代谢掉，无任何毒副作用，力学性能和硬度可调。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，其结构式为：

进一步，R结构式为

进一步，n的值为5-50。

上述的可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物的制备方法，包括以下步骤：

(1)将乙酸乙酯和丙交酯加入圆底烧瓶中并搭建回流装置，加热到60-80℃，使丙交酯完全溶解，减压过滤，将滤液冰浴2-10h，析出针状晶体后再次减压过滤，真空干燥，得纯化物；

(2)向步骤(1)所得纯化物中加入引发剂、催化剂和有机溶剂，在氮气保护下，在60-100℃反应24h以上，然后依次经再沉淀、减压过滤和真空干燥，得乳酸低聚产物；

(3)将改性剂、除水剂、酰化剂和有机溶剂滴加到步骤(2)所得乳酸低聚产物中，在氮气保护下室温反应24h以上，然后依次经过滤、再沉淀、减压过滤和真空干燥，得可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物。

进一步，丙交酯为左旋丙交酯、右旋丙交酯和外消旋丙交酯中的至少一种。

进一步，引发剂为丙三醇、三羟甲基丙烷、己三醇和季戊四醇中的至少一种。

进一步，有机溶剂为苯、甲苯、二甲苯、氯仿、二氯甲烷和乙酸乙酯中的至少一种。

进一步，改性剂为富马酸单乙酯、丙烯酰氯和甲基丙烯酰氯中的至少一种。

进一步，可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物光固化时：光照强度为400-600mW/cm

综上所述，本发明具备以下优点：

1、本发明所提供的这种光敏性液态低聚物由于是基于聚乳酸分子链结构为骨架合成的，故而有效地保持了主体材料本身具有的良好的可降解特性，可完全被人体所吸收代谢掉，无任何毒副作用。而且，其末端所带有的双键结构具有较强的光反应活性，从而具有固化反应迅速、节能、高效、以及力学性能和硬度可调等优点。此外，所合成的这类低聚物与常用的紫外光固化稀释剂都有较佳的相容性，固化过程中仅需少量或无需使用有机溶剂，可作为光固化3D打印原材料广泛用于各类人体植入物(如血管支架等)或其他组织工程支架(如人造骨钉等)等医学材料及器械的个性化研制，为精准医疗提供技术储备。

2、该光敏性液态全降解型低聚物是指基于聚乳酸分子链结构为骨架合成的，所合成的这类低聚物分子链末端带有活性较强的双键结构，可在紫外光照射条件下快速发生光聚合交联反应，从而使材料由液态迅速变为固态。采用这类基于聚乳酸为骨架所合成的低聚物不仅可根据不同的应用性能选择性的调节作为骨架的聚乳酸的分子量和链结构，而且其末端所带有的双键结构具有较强的光反应活性，从而具有固化反应迅速以及力学性能和硬度可调等优点。此外，所合成的这类低聚物与常用的紫外光固化稀释剂都有较佳的相容性，固化过程中仅需少量或无需使用有机溶剂，可作为光固化3D打印原材料广泛用于各类人体植入物(如血管支架等)或其他组织工程支架(如人造骨钉等)等医学材料及器械的个性化研制。

附图说明

图1为三臂乳酸低聚物的分子链结构及核磁测试谱图。

图2为实施例2光敏性液态三臂乳酸低聚物的分子链结构及核磁测试谱图。

图3为所合成的光敏树脂通过紫外固化后，得到的力学样条和生物样片。

图4为所合成的乳酸低聚物的细胞相容性检测结果(以3天的浸提液进行测试)，其中对照组为DMEM培养液孵育。

具体实施方式

实施例1

一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，其制备方法包括以下步骤：

(1)在圆底烧瓶中依次加入200g乙酸乙酯，120g右旋丙交酯，75℃下持续回流搅拌至左旋丙交酯全部溶解；随后将得到的溶液进行减压过滤、收集滤液；将滤液冰浴10h以上至针状的左旋丙交酯晶体完全析出；再次减压过滤，真空干燥得到纯化左旋丙交酯晶体，并放入干燥箱中保存；

(2)以季戊四醇为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，二氯甲烷作为溶剂，氮气作为保护气的状态下，80℃下反应30h,随后乙醚中再沉淀，减压过滤，真空干燥，使其开环聚合形成四臂乳酸低聚物，其中投料比按每摩尔羟基对应8mol右旋丙交酯计算；

(3)使用甲基丙烯酰氯作为带有双键活性的改性剂，并采用二环己基碳二亚胺作除水剂，4-二甲氨基吡啶作酰化剂，二氯甲烷为溶剂，缓慢滴加到装有第二阶段所合成四臂乳酸低聚物的三颈烧瓶中，旨在低聚物分子链末端引入活性双键。其中，季戊四醇：甲基丙烯酰氯：二环己基碳二亚胺的投料摩尔比为1：8：8；整个体系处于氮气的保护氛围，室温反应。反应完成后，过滤除去生成的二环己基脲(DCU)，最后在甲醇中再沉淀、减压过滤，真空干燥得到所需的光敏性四臂乳酸预聚物；

(4)将上述低聚物倒入一定形状的模具中，放入紫外光固化设备或者光固化3D打印设备中成型，其中光强为500mW/cm

实施例2

一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，其制备方法包括以下步骤：

(1)在圆底烧瓶中依次加入100g乙酸乙酯，80g左旋丙交酯，75℃下持续回流搅拌至左旋丙交酯全部溶解；随后将得到的溶液进行减压过滤、收集滤液；将滤液冰浴5h以上至针状的左旋丙交酯晶体完全析出；再次减压过滤，真空干燥得到纯化左旋丙交酯晶体，并放入干燥箱中保存；

(2)以丙三醇为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，甲苯作为溶剂，氮气作为保护气的状态下，80℃下反应24h,随后乙醚中再沉淀，减压过滤，真空干燥，使其开环聚合形成三臂乳酸低聚物，其中投料比按每摩尔羟基对应6mol左旋丙交酯计算；

(3)使用富马酸单乙酯作为带有双键活性的改性剂，并采用二环己基碳二亚胺作除水剂，4-二甲氨基吡啶作酰化剂，甲苯为溶剂，缓慢滴加到装有第二阶段所合成三臂乳酸低聚物的三颈烧瓶中，旨在低聚物分子链末端引入活性双键；其中，丙三醇：富马酸单乙酯：二环己基碳二亚胺的投料摩尔比为1：6：6；整个体系处于氮气的保护氛围，室温反应；反应完成后，过滤除去生成的二环己基脲(DCU)，最后在甲醇中再沉淀、减压过滤，真空干燥得到所需的光敏性三臂乳酸预聚物；

(4)将上述低聚物倒入一定形状的模具中，放入紫外光固化设备或者光固化3D打印设备中成型，其中光强为400mW/cm

实施例3

一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，其制备方法包括以下步骤：

(1)在圆底烧瓶中依次加入150g乙酸乙酯，100g右旋丙交酯，75℃下持续回流搅拌至左旋丙交酯全部溶解；随后将得到的溶液进行减压过滤、收集滤液；将滤液冰浴8h以上至针状的左旋丙交酯晶体完全析出；再次减压过滤，真空干燥得到纯化左旋丙交酯晶体，并放入干燥箱中保存；

(2)以己三醇为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，氯仿作为溶剂，氮气作为保护气的状态下，80℃下反应48h,随后乙醚中再沉淀，减压过滤，真空干燥，使其开环聚合形成三臂乳酸低聚物，其中投料比按每摩尔羟基对应7mol右旋丙交酯计算。

(3)使用丙烯酰氯作为带有双键活性的改性剂，并采用二环己基碳二亚胺作除水剂，4-二甲氨基吡啶作酰化剂，氯仿为溶剂，缓慢滴加到装有第二阶段所合成三臂乳酸低聚物的三颈烧瓶中，旨在低聚物分子链末端引入活性双键；其中，季戊四醇：丙烯酰氯：二环己基碳二亚胺的投料摩尔比为1：7：7；整个体系处于氮气的保护氛围，室温反应；反应完成后，过滤除去生成的二环己基脲(DCU)，最后在甲醇中再沉淀、减压过滤，真空干燥得到所需的光敏性四臂乳酸预聚物；

(4)将上述低聚物倒入一定形状的模具中，放入紫外光固化设备或者光固化3D打印设备中成型，其中光强为600mW/cm

实施例4

一种可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，其制备方法包括以下步骤：

(1)在圆底烧瓶中依次加入180g乙酸乙酯，110g左旋丙交酯，75℃下持续回流搅拌至左旋丙交酯全部溶解；随后将得到的溶液进行减压过滤、收集滤液；将滤液冰浴6h以上至针状的左旋丙交酯晶体完全析出；再次减压过滤，真空干燥得到纯化左旋丙交酯晶体，并放入干燥箱中保存。

(2)以三羟甲基丙烷为引发剂，辛酸亚锡为催化剂，甲苯作为溶剂，氮气作为保护气的状态下，70℃下反应36h,随后乙醚中再沉淀，减压过滤，真空干燥，使其开环聚合形成三臂乳酸低聚物，其中投料比按每摩尔羟基对应5mol左旋丙交酯计算；

(3)使用富马酸单乙酯作为带有双键活性的改性剂，并采用二环己基碳二亚胺作除水剂，4-二甲氨基吡啶作酰化剂，甲苯为溶剂，缓慢滴加到装有第二阶段所合成三臂乳酸低聚物的三颈烧瓶中，旨在低聚物分子链末端引入活性双键；其中，丙三醇：富马酸单乙酯：二环己基碳二亚胺的投料摩尔比为1：5：5；整个体系处于氮气的保护氛围，室温反应。反应完成后，过滤除去生成的二环己基脲(DCU)，最后在甲醇中再沉淀、减压过滤，真空干燥得到所需的光敏性三臂乳酸预聚物；

(4)将上述低聚物倒入一定形状的模具中，放入紫外光固化设备或者光固化3D打印设备中成型，其中光强为550mW/cm

将实施例1-4得到的可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物，分别进行核磁测试和细胞相容性测试对应进行显微拍照。

由图1可知，该中间产物三臂乳酸低聚物合成成功；、结合图2中实施例2最终产物的结果可知，具有特征峰a，表明最终枝接成功，成功制得了可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物。由图4可知，第一组为空白对照组，第二组为实施例4所得结果，表明本发明制得的可快速光固化成型的光敏性液态全降解型低聚物生物相容性较好，与空白对照组相当，其粘附性较好。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。