DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45938-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38383668
تاريخ النشر: 2024-02-21
المؤلف: Bo Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المتقدمة والميكانيكا
نظرة عامة
تركز البحث على تطوير بولي يوريثان ديناميكي أمفيبلي مصمم للطباعة الرباعية الأبعاد متعددة المواد، بهدف إنشاء هياكل شخصية مع قدرات زراعة محسنة. تستفيد هذه الهياكل من تأثير ذاكرة الشكل، مما يسمح بتحويل نمط مطبوع ثنائي الأبعاد مؤقتًا إلى شكل أحادي البعد لتسهيل التسليم عبر القسطرة. عند الوصول إلى درجة حرارة الجسم، يعود الهيكل إلى شكله الثنائي الأبعاد الأصلي، وعند الترطيب، يخضع لتشكيل قابل للبرمجة إلى هيكل ثلاثي الأبعاد مرغوب فيه بسبب عدم تطابق التورم.
تشمل الخصائص الفريدة لهذه الهياكل انتقالًا من اللين إلى الصلب مدفوعًا بفصل الميكروفاز الناتج عن الماء بين الأجزاء المحبة للماء والكارهة للماء. يضع هذا المزيج من ذاكرة الشكل، وقابلية التشوه القابلة للبرمجة، وخصائص التصلب الناتج عن التورم، البوليمرات المطورة كمواد واعدة للهياكل الداعمة المملوءة بالفراغ في التطبيقات الجراحية الأقل تدخلاً. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة في التغلب على التحديات المرتبطة بزراعة الهياكل المعقدة، مما يعزز فعالية التدخلات الطبية الحيوية.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على جميع المواد الكيميائية المستخدمة من ماكلين، مما يضمن جودة درجة كاشف تحليلي (AR) أو أعلى، باستثناء ما هو مذكور. على وجه التحديد، تم الحصول على ثنائي بوتيل القصدير ديلورات (DBTDL، 95%) من سيغما-ألدريتش، بينما تم الحصول على رباعي هيدروفوران (THF، 99.9%، جاف للغاية) وN,N-ثنائي ميثيل فورماميد (DMF، 99.9%، جاف للغاية) من J&K Scientific Ltd. لتسهيل تشكيل البولي يوريثان، تم تصنيع قوالب تفلون بأشكال وأعماق متنوعة في المنزل. يبرز هذا النهج المنهجي الاختيار الدقيق للمواد والتصنيع المخصص للأدوات الضرورية للإجراءات التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات المطروحة في المقدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة واضحة بين المتغيرات المدروسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، مثل الرسوم البيانية والمخططات، التي توضح الاتجاهات والأنماط التي لوحظت خلال التجارب. تعزز هذه المساعدات البصرية فهم النتائج، مما يوضح فعالية الطرق أو التدخلات المقترحة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للمجال، مؤكدة التوقعات الأولية وفتح آفاق لمزيد من البحث.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وتوصيف بولي يوريثان ديناميكي حراري (DTPUs) الذي يظهر خصائص فريدة مثل سلوك ذاكرة الشكل، وقدرات الشفاء الذاتي، والأداء الميكانيكي المصمم للتطبيقات الطبية الحيوية. تم تصنيع DTPUs باستخدام ثلاثي الكابرو لاكتون (PCL-triol) و(PEG) كأجزاء لينة، مع إيزوفورون ثنائي إيزوسيانات (IPDI) من أجل التوافق الحيوي. ساهم دمج روابط ديلز-ألدير (DA) من خلال موسع سلسلة (DA-diol) في إنشاء شبكة تساهمية ديناميكية، مما مكن المادة من المعالجة عند درجات حرارة مرتفعة وإظهار خصائص الشفاء الذاتي عند التنشيط الحراري. تم تأكيد نجاح التخليق عبر مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والتي أشارت إلى غياب مجموعات الإيزوسيانات غير المتفاعلة، وأظهرت الاختبارات الميكانيكية أن DTPUs حافظت على سلامتها وخصائصها الميكانيكية بعد إعادة التدوير وإعادة التشكيل.
تأثرت الخصائص الميكانيكية لـ DTPUs بنسبة المول من PEG إلى PCL-triol ووزن الجزيء لـ PEG. ومن الجدير بالذكر أن DTPU-0.5-4k أظهر إجهاد كسر مرتفع بنسبة 822.3% ولكن قوة شد أقل، بينما أظهر DTPU-0.25-1k قوة شد ممتازة (42.5 ميغاباسكال) وموصلية يونغ (1.1 جيجاباسكال). كما سلطت الدراسة الضوء على ظاهرة التصلب الناتج عن التورم في DTPUs المرطبة، حيث أظهرت بعض التركيبات زيادة في الصلابة عند امتصاص الماء، على عكس التوقعات النموذجية. تم عزو هذا السلوك إلى فصل الطور بين الأجزاء المحبة للماء والكارهة للماء، مما يعزز الأداء الميكانيكي في البيئات المائية. علاوة على ذلك، أظهرت DTPUs تأثيرات ذاكرة الشكل الناتجة عن الحرارة بشكل ملحوظ، مع درجة حرارة محتملة لتبديل ذاكرة الشكل حوالي 37 درجة مئوية، وأظهرت قدرات تشوه قابلة للبرمجة من خلال هياكل عدم تطابق التورم، مما يبرز إمكانياتها للتطبيقات المتقدمة في الطباعة الرباعية الأبعاد وهندسة الأنسجة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45938-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38383668
Publication Date: 2024-02-21
Author(s): Bo Liu et al.
Primary Topic: Advanced Materials and Mechanics
Overview
The research focuses on the development of amphiphilic dynamic thermoset polyurethanes designed for multimaterial four-dimensional printing, aimed at creating personalized scaffolds with enhanced implantation capabilities. These scaffolds leverage a shape memory effect, allowing a two-dimensional printed pattern to be temporarily transformed into a one-dimensional shape for easier transcatheter delivery. Upon reaching body temperature, the scaffold reverts to its original two-dimensional form, and upon hydration, it undergoes programmable morphing into a desired three-dimensional structure due to swelling mismatch.
The unique properties of these scaffolds include a soft-to-stiff transition driven by water-induced microphase separation between hydrophilic and hydrophobic segments. This combination of shape memory, programmable deformability, and swelling-stiffening characteristics positions the developed polyurethanes as promising materials for supportive void-filling scaffolds in minimally invasive surgical applications. The study highlights the potential of advanced 3D printing techniques in overcoming challenges associated with the implantation of complex scaffolds, thereby enhancing the efficacy of biomedical interventions.
Methods
In this study, all chemicals utilized were sourced from Macklin, ensuring analytical reagent (AR) grade or higher quality, except where noted. Specifically, dibutyltin dilaurate (DBTDL, 95%) was obtained from Sigma-Aldrich, while tetrahydrofuran (THF, 99.9%, superdry) and N,N-dimethylformamide (DMF, 99.9%, superdry) were procured from J&K Scientific Ltd. To facilitate the shaping of polyurethane, Teflon molds of various geometries and depths were fabricated in-house. This methodological approach underscores the careful selection of materials and the custom fabrication of tools essential for the experimental procedures.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses posed in the introduction. The data indicates a clear correlation between the variables studied, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, such as plots and charts, which illustrate trends and patterns observed during the experiments. These visual aids enhance the understanding of the results, demonstrating the effectiveness of the proposed methods or interventions. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, confirming the initial predictions and opening avenues for further research.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and characterization of dynamic thermoset polyurethanes (DTPUs) that exhibit unique properties such as shape memory behavior, self-healing capabilities, and mechanical performance tailored for biomedical applications. The DTPUs were synthesized using polycaprolactone triol (PCL-triol) and poly(ethylene glycol) (PEG) as soft segments, with aliphatic isophorone diisocyanate (IPDI) for biocompatibility. The incorporation of Diels-Alder (DA) bonds through a chain extender (DA-diol) facilitated a dynamic covalent network, enabling the material to be processed at elevated temperatures and to exhibit self-healing properties upon thermal activation. The successful synthesis was confirmed via Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), which indicated the absence of unreacted isocyanate groups, and mechanical tests demonstrated that the DTPUs maintained their integrity and mechanical properties after recycling and reshaping.
The mechanical properties of the DTPUs were influenced by the molar ratio of PEG to PCL-triol and the molecular weight of PEG. Notably, DTPU-0.5-4k exhibited a high breaking strain of 822.3% but lower tensile strength, while DTPU-0.25-1k showed excellent tensile strength (42.5 MPa) and Young’s modulus (1.1 GPa). The study also highlighted a swelling-stiffening phenomenon in hydrated DTPUs, where certain formulations demonstrated increased stiffness upon water absorption, contrary to typical expectations. This behavior was attributed to the phase separation of hydrophilic and hydrophobic segments, enhancing the mechanical performance in aqueous environments. Furthermore, the DTPUs exhibited significant thermal-induced shape memory effects, with a potential shape memory switch temperature around 37 °C, and demonstrated programmable deformation capabilities through swelling mismatch structures, underscoring their potential for advanced applications in 4D printing and tissue engineering.