Macromolecules|用聚合后还原法合成可用于3D打印的生物可降解聚酯
大家好，今天给大家分享一篇发表在Macromolecules上的研究进展，题为：Regio-Random Clemmensen Reduction of Biodegradable Polyesters for Photochemically Triggered 3D Printing。本文的通讯作者是美国杜克大学化学系的Matthew L. Becker教授。
本文介绍了一种新型的生物可降解聚酯合成方法——通过锌/乙酸介导的克莱门森还原，结合超声处理制备无规共聚聚酯。作者利用核磁共振、尺寸排阻色谱、紫外-可见光谱、差示扫描量热法和流变学的表征表明，可以通过调节还原时所用溶剂的方法控制无规共聚物中琥珀酸酯的含量，并且共聚物显示出较低的摩尔消光系数和粘度。该无规共聚物是拥有多重可调节参数的3D打印材料，它的独特性质为使用立体平版打印技术提供了条件。
3D打印中，立体平版打印技术是使用紫外线或可见光作为光聚合引发剂，在反应性低聚物之间形成交联网络的技术，如连续数字光处理技术（continuous digital light processing , cDLP）。与其他3D打印模式相比，这种模式提供了更高的分辨率，能够支持模拟生物组织的、层次复杂的几何形状和结构的制造。为了充分利用cDLP方法的高分辨率，防止从树脂桶中取出打印结构时形成由毛细管力引起的缺陷和构建板分层现象，打印时配制的树脂必须保持低粘度(通常< 2-10 Pa·s)。然而大多数树脂配方要达到可打印粘度范围，需要使用活性稀释剂或非活性溶剂来实现，这种调节会稀释聚合物质量分数，并显著影响打印网络的性能。
聚富马酸丙烯酯（Poly(propylene fumarate) , PPF）低聚物因其可以降解为无毒副产物，已被广泛用于3D打印植入物和患者专用设备。然而，PPF在3500 Da以上固化，需要用质量百分比为50%的富马酸二乙酯（diethyl fumarate, DEF）稀释才可以达到PPF基树脂的可打印粘度，如此一来，未反应的DEF单体可能渗出从而产生毒性，更重要的是，在交联网络中引入DEF会导致材料机械性能范围变窄。此外，打印结构中存在大量不可降解的C-C键，如果想要使3D打印设备向真正的临床应用方向发展，必须减少或取消DEF的添加。
PPF可以通过金属介导的马来酸酐和环氧丙烷的开环共聚反应，生成聚马来酸丙烯酯（poly（propylene maleate）, PPM），然后异构化生成。该课题组曾报道过引入琥珀酸酐共聚单体的方法，通过破坏聚合物链的相互作用来增加骨架的柔韧性和流动性，降低聚合物的粘度和DEF需求量。然而，琥珀酸酐和马来酸酐之间的竞聚率差异导致聚（富马酸丙烯酯-共聚-琥珀酸丙烯酯（poly（propylene fumarate-co-propylene succinate），PPFPS）共聚物骨架内出现梯度共聚现象。
虽然引入琥珀酸酐重复单元可以降低体系粘度，但作者认为生成无规共聚物会使粘度进一步降低。由于PPFPS的梯度共聚是酸酐反应性差异所带来的固有性质，将PPM还原改性为聚（马来酸丙烯酯-共聚-琥珀酸丙烯酯）（poly（propylene maleate-co-propylene succinate）,PPMPS），然后进行异构化，可以提供一种获得真正无规PPFPS的途径（图1）。
小分子共轭烯烃的还原中通常使用过渡金属催化剂，如钯、铂和钌，这些还原手段需要繁琐的催化剂制备、复杂的实验程序或添加了难以去除的添加剂，使合成成本变高，同时带来了毒性。因此，可以在商业规模上进行的理想的聚合后PPM还原应该是低成本的，程序简单的，并且避免使用有毒过渡金属。改进的克莱门森还原法可以使用锌/乙酸来还原芳基羰基化合物、硝基芳烃、二硫化物交联聚合物和共轭烯烃，而室温下超声能减少乙酸回流时间，减少聚酯水解。作者利用结合超声的克莱门森还原法将PPM还原至PPMPS，再异构化为PPFPS，用核磁共振的方法分析了还原反应在不同溶剂中的动力学和区域选择性，尺寸排阻色谱(SEC)和核磁共振波谱证实不存在链水解断裂。
与一锅法合成的梯度PPFPS相比，该方法合成的无规PPFPS显示出更低的粘度和摩尔消光系数，可以在更高的聚合物质量分数(更低的DEF含量)下打印（图2），并且可以在聚合之后调节聚合物中琥珀酸丙烯酯单体含量，有效地避免了多次聚合。
作者：SYM 审校：ZRC
Matthew L. Becker et al. Macromolecules 2021, 54, 1273-1280.
Link: https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.0c02729