CN109790285B

CN109790285B - 杂化材料及其生产方法

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Publication number: CN109790285B
Application number: CN201780022210.2A
Authority: CN
Inventors: 弗朗西斯卡·塔利亚; 朱利安·雷蒙德·琼斯; 劳拉·弗朗西斯卡·奇波拉; 劳拉·拉索; 格洛里亚·鲁思·扬
Original assignee: Imperial Institute Of Technology Innovation Co ltd; Universita degli Studi di Milano Bicocca
Current assignee: Inperel Baicheng Incubator Co ltd; Universita degli Studi di Milano Bicocca
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: US20190112422A1; US10787542B2; EP3436501A1; CN109790285A; WO2017168168A1

Abstract

本发明涉及包含互穿有机和无机组分的无机‑有机杂化材料，其中所述有机组分包含至少部分通过环状单体的开环聚合形成的聚合物链，并且涉及其生产方法。

Description

杂化材料及其生产方法

导致获得本发明的有关工作得到了欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)的人才计划(玛丽居里行动，“Marie Curie Actions”)根据REA拨款协议第289958号的资助。

技术领域

本发明涉及包含互穿(共网络)有机和无机组分的无机-有机杂化材料及其生产方法。

背景技术

很少有材料单独地具有其应用所需的所有物理、化学和机械性质。因此，通常使用纯材料的组合(如合金、复合材料和共混物)以加入有机组分(即柔韧性、韧性、可降解性)和无机组分(即强度、刚度、耐腐蚀性、生物活性)的单一特征。然而，存在与使用常规复合材料相关的众所周知的缺点，主要是由于可区分组分之间存在界面。无机-有机(I/O)杂化材料包括无机和有机组分的互穿共网络，其在纳米级上相互作用并且在纳米级以上难以区分。这些材料的基本概念由在分子水平上组合玻璃或陶瓷和聚合物的最佳特性以便获得作为具有改善的、一致的和可定制的性质的单相的新材料组成。

用于杂化合成的最常用的方法仅在于通过添加聚合物来改变常规的溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法包括在共溶剂(溶胶)存在下水解和缩合二氧化硅前体(通常是原硅酸四烷基酯，即四乙氧基硅烷)以形成截留溶剂(凝胶)的支化二氧化硅网络。通过溶胶-凝胶法制备杂化材料需要向起始溶胶中添加有机源：这通常在缩合过程期间(即在TEOS水解后)进行，使得无机网络可与聚合物分子缠结。

通过溶胶-凝胶法从有机官能化的硅烷前体制备的无机-有机杂化材料代表了一类重要的工程化材料。由硅烷和有机前体合成的杂化材料具有多种多样的应用，包括耐刮擦和耐磨涂层、防腐蚀涂层、光波导、用于微电子产品的结构化层、导电膜、用于结构接头和纤维-金属层压体的粘合剂偶合层和用于组织工程的多孔支架。杂化材料的合成是复杂的，并且必须克服几个化学挑战。

基于它们的大分子结构以及无机和有机组分之间的相互作用，杂化物可分为五大类。I类和II类杂化物由使用预形成的聚合物(预聚物)产生，然后将其嵌入溶胶-凝胶形成的无机网络中。I类杂化物的特征在于弱的非键合相互作用，如分子缠结、氢键、静电相互作用和/或范德华力，而II类杂化物在无机和聚合物组分之间也包含强的共价键。III类和IV类杂化物由同时形成有机(聚合)和无机(溶胶-凝胶法)相产生。III类和IV类通过与I类和II类相同的区别来区分：III类杂化物的特征在于弱的非键合相互作用，而IV类杂化物在无机相和聚合物相之间也包含强的共价键。V类杂化物代表“非收缩”溶胶-凝胶制剂的开发。弱的非键合相互作用的存在允许聚合物链的移动性，提供柔韧性和降解性。然而，如果不存在共价键，则通常观察到与主要组分相比缺乏机械性质的改善，导致太脆(在无机组分充当基质的情况下)或太弱(在聚合物占大部分的情况下)的杂化物。因此，在链之间引入强共价交联(II类和IV类)允许更好的均质化和性质的可定制性，从而实现真正的互穿“分子复合”材料。获得共价连接杂化物的最简单方式是使用有机源(预制聚合物或单体)，其含有能够在缩合步骤期间与二氧化硅源反应的官能团：例如，聚二甲氧基硅烷(PDMS)呈现具有有机侧基的二氧化硅骨架，从而允许优异的偶联并得到高机械性质，但PDMS不可生物降解。替代地，II-IV杂化物可使用在添加在溶胶-凝胶过程中之前先前用偶联剂官能化的有机源获得：偶联剂是含有用于共价键合聚合物的有机部分和然后可进行溶胶-凝胶过程的参与3D网络的形成的烷氧基甲硅烷基部分的分子。使用预制聚合物(I-II类)通常更常见，因为它避免了对有机聚合过程的控制。然而，掺入预制聚合物仅限于可溶于溶胶-凝胶溶液的聚合物；此外，在干燥步骤期间发生的收缩决定了最终样品的高应力，妨碍了大多数模塑应用。这些问题可通过原位形成无机相和有机相(III-IV类)来克服，这允许两个网络更大的均匀性和互穿，但需要优化它们的同时形成。

具有适当的性质，杂化材料可在许多应用中显示出巨大的前景，例如3D打印。3D打印属于增材制造(AM)领域，由ASTM国际组织定义为“从3D模型数据加工材料以制造物体的过程，通常是逐层的，而不是减法制造方法”。增材制造是一项新兴技术，将在众多领域带来巨大发展，如设计、汽车和航空航天、建筑和施工、艺术、运动器材、珠宝、家具、微流体、电子、医药、再生医学，特别是骨科和牙科应用，和组织工程。

一种类型的3D打印或自动注浆成型(robocasting)(这里两个术语用作同义词)在于计算机控制的厚浆料沉积，厚浆料在3D结构中的固结通过在打印期间的流体通过-凝胶转变实现，这可在室温下或在受控室中执行。这种技术的主要挑战是开发合适的油墨或悬浮液，以便使用更广泛的化学品印刷材料，并具有精确性和可重复性。通常将油墨装入注射器中，注射器放入robocaster中，连接到施加压力的柱塞，确定挤出通过具有选定直径的喷嘴：油墨必须足够流畅以确保其在机器可承受的范围内的压力下流过喷嘴，但同时必须足够粘稠以保持形状并避免打印后坍塌。

通常，开发允许在墨水的合适粘度、设计的结构和形状、机械强度和韧性以及化学相容性之间实现令人满意的折衷的材料非常具有挑战性。

另一类期望的材料是自修复材料。这些材料具有使用系统固有的资源来修复损坏并恢复其功能的能力。例如，骨骼是一种可响应机械载荷而不断地重塑和再生的活组织，显示出治愈日常生活中产生的小缺陷的特殊能力。材料通过正常使用和疲劳应力自然地经受降解和损坏，最终由于微裂纹的传播和聚结而存在宏观裂纹而失效，这通常在当前可用的检测技术中是不明显的。在不可逆损坏发生之前对材料进行工程设计以实现那些微裂纹的自修复代表了对提高产品和部件的坚固性、增强性能和延长寿命的解决方案。因此，对自愈的研究在材料工程中变得越来越流行，因此现在是一个非常广泛和复杂的领域。

自愈能力可基于不同的原理和机制。修复策略可能会根据材料中发生的损坏类型而有所不同。损坏模式的实例是分层、表面或深度开裂、刺穿、划痕、烧蚀、纤维断裂和剥离等，这些可影响材料内的不同性质。因此，材料的愈合效率(η)通过参考材料的特定研究性质(f)来定义，如下式所述：

其中f_原始是对未受损材料本身测量的值，并且f_愈合是对允许在建立温度下愈合持续预定时间的受损材料评估的相同性质。愈合效率(η)可根据如随附实例中所描述的拉伸测试，例如在室温(R.T.，20℃)下并且以24小时的预定时间进行评定。通过使用锋利的刀片产生的缺陷和观察再附着性的定性视觉测试仍然是一种广泛使用的评估自主自愈能力的方法。

生产聚合材料的一种化学策略是开环聚合(ROP)。ROP可通过链式聚合通过将单体依序添加到生长链中而发生，有时具有复杂和竞争机制。当聚合涉及带正电荷的中间体时，该方法通常被称为阳离子开环聚合(CROP)，主要用于生产几种重要的工业聚合物，如聚硅氧烷、聚缩醛、1,3,5-三恶烷的共聚物和环氧乙烷和聚THF(p(THF)、PTHF、聚(四亚甲基醚)二醇))。通常，CROP可通过路易斯酸、布朗斯台德酸、碳鎓离子和鎓离子、光引发剂和共价引发剂(例如环氧化物或含羟基化合物)来促进。当在环氧化物如环氧乙烷(EO)或环氧丙烷(PO)存在下进行例如THF的聚合时，可获得共聚物p(THF-EO)和p(THF-PO)。

希望提供具有多种可定制物理性质的杂化材料，使其能够用于多种应用中，如3D打印，或用作在不释放嵌入的愈合试剂/催化剂或外力(如热或光)的情况下愈合的自主自愈材料。在这方面，我们在此提出了一种新的THF的CROP方法，该方法与使用GPTMS作为碳官能硅烷相结合，GPTMS在合适的催化剂存在下起到共价引发剂的作用。

在本文中我们提供通过活化的单体引发的聚合环状单体如四氢呋喃(THF)的阳离子开环聚合(CROP)方法，其可在温和条件(R.T.P.，酸性催化条件，无气态试剂)下执行。这种方法可用于能够通过阳离子开环聚合(CROP)生产许多材料，包括易于3D打印的材料、均匀无机-有机杂化材料和具有组成和性质梯度但无离散内部界限的无机-有机杂化材料。此外，这种方法可用于生产具有有益机械性质的无机-有机杂化材料，如弹性行为和自愈性质。

发明内容

因此，在第一方面，本发明提供生产包含聚合组分的材料的方法，所述聚合组分通过含有至少一个环杂原子的环状单体的开环聚合形成，所述方法包含：

(i)任选地在溶剂存在下，形成包含环状单体和包含环氧环和无机组分的环氧化合物的反应混合物；

(ii)向反应混合物中添加催化剂以活化环氧化合物并引发环状单体的阳离子开环聚合以产生所述材料，其中材料包含环氧化合物的至少一种组分与聚合组分之间的共价键。

在方法的任何实施例中，环氧化合物可是有机硅环氧化物。

方法可进一步包含：(iii)在步骤(ii)中形成的反应混合物的水解和缩合，以产生无机/有机杂化材料。可通过向在步骤(ii)中形成的反应混合物中添加酸和水实现水解和缩合。

方法可进一步包含向反应混合物中添加另外的二氧化硅源。

在方法的任何实施例中，环氧化物可是(环氧烷基)烷氧基硅烷，例如选自(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)；(3-缩水甘油氧基丙基)三乙氧基硅烷(GPTES)；3-(缩水甘油氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷(GPMDES)；2-(3,4-环氧环己基乙基三甲氧基硅烷(TRIMO)；(3-缩水甘油氧基丙基)-二甲基乙氧基硅烷(GPMES)；β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷(EEES)；β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(EEMS)；及其混合物。

在方法的任何实施例中，环状单体是环醚、氧杂环丁烷、乙缩醛、酯(内酯、丙交酯和碳酸酯)、恶唑烷、酸酐、胺、酰胺(内酰胺)、酰亚胺、N-羧酸酐、1,3-氧杂杂环戊烷衍生物、硫醚、硫代内酯、硅氧烷、甲硅烷基醚、碳硅烷、硅烷、磷酸酯、膦酸酯、亚磷酸酯、膦、磷腈或其混合物。

在方法的任何实施例中，环状单体是四氢呋喃、四氢吡喃、四氢噻吩、ε-己内酯、β-丙内酯、γ-丁内酯、对二氧杂环己酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、2-吡咯烷酮(2-Pyrr)、3,6-二甲基-1,4-二恶烷-2,5-二酮、γ-硫代丁内酯、ε-己内酰胺、2-甲基-2-恶唑啉、3-苄基-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BOT)、3-苄基四氢-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BTOT)、环状硅氧烷或其混合物。

在方法的任何实施例中，催化剂选自布朗斯台德酸、路易斯酸、碳鎓离子、鎓离子或其混合物。催化剂可选自三氟化硼(BF₃)、三氟化硼乙醚络合物(BF₃·OEt₂)；三氟化硼配合物(例如三氟化硼与甲醇、THF或甲基硫醚的配合物)；氯化铁(III)(FeCl₃)；氯化锡(IV)(SnCl₄)；五氟化锑(SbF₅)；氟代硫酸(FSO₃H)；三氟磺酸(CF₃SO₃H)；四氟硼酸盐(HBF₄)；三氟甲磺酸钪(Sc(OTf)₃)；三氟甲磺酸镱(Yt(OTf)₃)；三甲基甲硅烷基三氟甲烷磺酸盐(TMSOTf)；辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)；硫酸(H₂SO₄)；氯化铝(AlCl₃)；及其混合物。

方法可包含在添加催化剂之前向反应混合物中添加羧酸的另外的步骤，并且其中材料进一步包含由羧酸形成的有机组分。羧酸可是包含一个或多个-COOH基团的任何有机分子。羧酸可是式(HO₂C)-Y-(CO₂H)_n的羧酸或其二聚物、三聚物或聚合物，其中Y是任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分；包含选自任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基的两种或更多种组分的组合的部分；或包含一种或多种聚合物组分，任选地连同一种或多种任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基组分的部分；其中n是至少1的整数。应理解，当n为2或更大时，-COOH部分可连接到Y内相同或不同的碳原子，因为化合价允许。一种或多种聚合组分可由包含任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族，芳基或杂芳基部分或包含其任何组合的部分的单体形成。

羧酸可是下式的PCL-diCOOH：

十六烷二酸、己二酸、苯-1,2-二羧酸、苯-1,3-二羧酸、苯-1,4-二羧酸、丙酸、聚(乙二醇)双(羧甲基)醚或其混合物。

在方法的任何实施例中，另外的二氧化硅源是烷基烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷或其混合物。

方法可包含在添加反应混合物之前水解另外的二氧化硅源的步骤。

方法可进一步包含向反应混合物中添加一种或多种氧化物或氧化物前体。此添加可与添加另外的二氧化硅源一起进行。例如，氧化物可为Ca、P、Mg、K、Na、B、Al、Zr、Sr、Ti、Zn和Li中一种或多种的氧化物。典型前体包括例如包含Ca、P、Mg、K、Na、B、Al、Zr、Sr、Ti、Zn和Li中一种或多种的盐和金属醇盐，如醇钙。

在方法的任何实施例中，单体可是THF，环氧化物可是GPTMS，可将羧酸添加到反应混合物中，并且可向反应混合物中添加另外的二氧化硅源。羧酸可是PCL-diCOOH，并且另外的二氧化硅源可是TEOS。

在方法的任何实施例中，TEOS相对于PCL-diCOOH的比例可为0至95％w/w，优选0至90％w/w或5-90％w/w。

在另一个实施例中，单体可是THF，环氧化物可是GPTMS，不向反应混合物中添加羧酸，并且可向反应混合物中添加另外的二氧化硅源。另外的二氧化硅源可是TEOS。方法可包含水解和缩合在步骤(ii)中形成的反应混合物的另外的步骤，以产生无机/有机杂化材料，其中杂化材料的无机含量为2-70wt％、2-65wt％、2-40wt％、10-30wt％，或优选15-20wt％。

在方法的任何实施例中，方法可进一步包含材料的3D打印。

在方法的任何实施例中，方法可进一步包括在低于-40℃，优选低于-80℃的温度下存储材料。材料可在这类存储后再进行3D打印。

在另一个实施例中，本发明方法实现能够制备包含不均匀无机(例如SiO₂)含量的杂化材料的样品。例如，杂化材料的样品可在样品内的两个或更多个位置处具有不同无机含量，因此这类样品可包含至少两个具有不同无机含量的区域，例如包含从样品内一个位置到另一个位置无机含量下降的梯度。样品优选不包含在样品不同区域之间肉眼可观察到的分立界面。可通过SEM确认不存在肉眼可观察到的分立界面。这类样品可如本文所述制备，例如根据上文所述方法通过连续打印或浇注两种或更多种反应混合物，其中两种或更多种反应混合物中的每一种具有不同组分比率，以便产生具有不同无机含量的杂化材料区域。

在第二方面，本发明提供可通过根据本发明第一方面的方法获得的材料。

在第三方面，本发明提供包含在有机和无机组分之间具有共价键的互穿有机和无机组分的无机-有机杂化材料，其中有机组分包含至少部分通过环醚或硫醚的开环聚合形成的聚合物链，并且无机组分包含二氧化硅。二氧化硅将具有三维结构，整体材料具有3D杂化网络结构。

有机组分可包含PTHF或其共聚物。

在一些实施例中，材料的SiO₂含量可为2-70wt％、2-65wt％、2-40wt％、10-30wt％，或优选15-20wt％。

材料可包含与杂化材料的至少一种组分共价键合的另一有机组分，所述另一有机组分由羧酸形成。羧酸可是包含一个或多个-COOH基团的任何有机分子，例如如本文所定义的式(HO₂C)-Y-(CO₂H)_n的羧酸。

在第四方面，本发明提供包含在有机和无机组分之间具有共价键的互穿有机和无机组分的无机-有机杂化材料，其中有机组分包含至少部分通过环状单体的开环聚合形成的聚合物链，并且无机组分包含二氧化硅，并且其中材料包含由羧酸形成的另外的共价键合的有机组分。羧酸可是包含一个或多个-COOH基团的任何有机分子，例如如本文所定义的式(HO₂C)-Y-(CO₂H)_n的羧酸。

羧酸可是PCL-diCOOH、十六烷二酸、己二酸，苯-1,2-二羧酸、苯-1,3-二羧酸、苯-1,4-二羧酸，丙酸，聚(乙烯二醇)双(羧甲基)醚、聚谷氨酸或其混合物，优选是PCL-diCOOH。

材料的SiO₂含量可为2至70wt％、2至65wt％、2至40wt％、20至65wt％或20至40wt％。

材料可具有自愈性质，例如相对于失效应变(ε*)或失效应力(σ*)，愈合效率(η)为20％或更高，优选30％或更高，如根据拉伸测试所证明。

本发明的材料可以在整个样品上包含均匀无机含量和/或均匀机械性质的样品的形式提供。替代地，材料可以包含不均匀无机含量和/或机械性质的形式提供。因此，这类样品可包含至少两个具有不同无机含量和/或不同机械性质的区域。例如，材料可以包含从样品的一个区域到另一个区域下降的无机含量梯度和/或从样品的一个区域到另一个区域机械性质梯度的样品的形式提供。样品优选地不包含在样品不同区域之间肉眼可观察到的分立界面。

本发明还提供包含如本文所述的杂化材料的装置。

装置可包含呈大单块、多孔支架或其组合形式的杂化材料。装置可包含键合到呈多孔支架形式的一部分杂化材料的呈大单块形式的一部分杂化材料。优选的，在装置的大单块和支架组件之间无肉眼可观察到的分立界面。这可通过SEM确认

在本发明第一方面的方法的替代方案中，本发明提供用于生产包含聚合组分的材料的方法，所述聚合物组分通过含有至少一个环杂原子的环状单体的开环聚合形成，所述方法包含：

(iii)任选地在溶剂存在下，形成包含环状单体和环氧化物的反应混合物；

(iv)向反应混合物中添加催化剂以活化环氧化合物并引发环状单体的阳离子开环聚合以产生材料，其中材料包含环氧化合物的至少一种组分与聚合组分之间的共价键，

其中环氧化合物是完全有机的环氧化物，例如缩水甘油基甲基醚(GME)、缩水甘油、脂肪族或芳香族二环氧化物，例如通常用于环氧树脂生产(例如，1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A、S或F二缩水甘油醚、脂肪族二缩水甘油醚)，或其混合物。本发明第一方面的特征细节上作必要修改后适用于本发明的此替代方面。

附图说明

图1示出SiO₂/PTHF杂化材料的力-位移(F-ΔL)和应力-应变(σ-ε)绘图。

图2示出具有无机含量梯度的圆柱形SiO₂/PTHF杂化材料的图片和示意表示，分成段。

图3示出具有无机含量梯度的SiO₂/PTHF杂化材料的力-位移(F-ΔI)和应力-应变(σ-ε)绘图。

图4示出相对于起始wt％的SiO₂和实际wt％的SiO₂，干燥杂化材料和湿样品(在PBS中浸泡1周后)的平均失效应力，其中(a)示出在不同无机级分(起始wt％SiO₂)下真实(或实际)的失效应力(σ*)，以及(b)示出在实际wt％SiO₂下真实(或实际)的失效应力(σ*)。

图5示出相对于起始wt％SiO₂和实际％wt％SiO₂，干燥杂化材料和湿样品(在PBS中浸泡1周后)的平均失效应变。

图6示出在产生缺陷之前和自愈之后的杂化材料样品的光学显微镜图像(对于所有图片，比例尺＝500μm)，其中(a)示出SiO₂含量为12.3wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后5秒拍摄图像，(b)示出SiO₂含量为24.7wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后24小时拍摄图像，以及(c)示出SiO₂含量为38.7wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后24小时拍摄。

图7示出在缺陷产生之前和自愈之后的杂化样品的应力应变结果。

图8示出(a)具有对齐的印刷图案，以及(b)具有移位的印刷图案的3D打印的杂化材料的顶表面的印刷图案和SEM图像。

图9示出3D打印的杂化材料的横截面的SEM图像，(a)对齐的印刷图案的水平横截面；(b)对齐的印刷图案的垂直横截面；(c)移位印刷图案的水平横截面；(d)移位印刷图案的垂直横截面。

图10示出循环压缩测试所遵循的循环加载方案的示意图。

图11示出3D打印支架样品的循环压缩测试的结果：a)TEOS/PCL＝80/20wt％对齐，b)TEOS/PCL＝80/20wt％移位，c)TEOS/PCL＝70/30wt％对齐。

图12示出使用杂化材料制备并且包含接合的单块和多孔支架的装置的SEM图像。

具体实施方式

在本文使用的上下文中，环状单体是能够在阳离子开环聚合(CROP)条件下进行聚合的环状化合物。环状单体可用作单独单体或组合使用，并且是在环中含有一个或多个杂原子的化合物，其中杂原子可是O、S、P、N或Si。进行开环聚合的环优选为饱和环，其可是经取代的或未经取代的。含氧环状单体包括例如醚、氧杂环丁烷、缩醛、酯(内酯、丙交酯和碳酸酯)、恶唑烷和酸酐。含氮环状单体包括例如胺、酰胺(乳酰胺)酰亚胺N-羧酸酐和1,3-氧杂杂环戊烷衍生物。含硫环状单体包括例如硫醚、硫代内酯、硫化物和多硫化物。含硅环状单体包括例如硅氧烷、甲硅烷基醚、碳硅烷和硅烷。含磷环状单体包括例如磷酸酯、膦酸酯、亚磷酸酯、膦和磷腈。例如，环状单体可是四氢呋喃(THF)、四氢吡喃(THP)、四氢噻吩、ε-己内酯、β-丙内酯、γ-丁内酯(GBL)、对二氧杂环己酮、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、2-吡咯烷酮(2-Pyrr)、3,6-二甲基-1,4-二恶烷-2,5-二酮、γ-硫代丁内酯、ε-己内酰胺、2-甲基-2-恶唑啉、3-苄基-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BOT)、3-苄基四氢-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BTOT)、环状硅氧烷及其混合物。

在环状单体是液体，例如THF的情况下，不需要溶剂，并且单体本身可在过程中充当溶剂。在单体是固体的情况下，有机溶剂或离子液体可用来溶解单体。溶剂应优选为不参与CROP反应的溶剂。合适溶剂的实例包括乙醚、氯仿、硝基苯、乙腈和二甲基甲酰胺。

如本文所用，环氧化物是包含环氧环(即三元环醚)的任何化合物。在本发明的方法中，环氧化物通过与催化剂的相互作用活化，引发CROP反应。此外，环氧化物充当构建块，用于形成通过本发明方法产生的材料的第二组分。如用于本发明中的环氧化物可是包含环氧化物和无机组分的化合物，其中无机组分包含至少一种不是碳、氢、氮或氧的元素，例如无机组分可包含硅或硼。环氧化物可是单环的或与另一个环稠合，优选脂肪族环。例如，环氧化物可是含环氧基的硅烷。在一些实施例中，含环氧基的硅烷可具有式(R¹)_n-Si(R²)_4-n。其中n为1或2，优选为1，R¹为含有环氧环的有机部分，并且R²为脂肪族或-OR³，其中至少一个，优选至少2个R²为-OR³，且R³为脂肪族部分。含环氧基的硅烷的实例包括(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)、(3-缩水甘油氧基丙基)三乙氧基硅烷(GPTES)、3-(缩水甘油氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷(GPMDES)、2-(3,4-环氧环己基乙基三甲氧基硅烷(TRIMO)、(3-缩水甘油氧基丙基)-二甲基乙氧基硅烷(GPMES)、β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷(EEES)、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(EEMS)或其混合物。应理解，包含无机组分的环氧化物的替代物是完全有机的环氧化物，如缩水甘油基甲基醚(GME)、缩水甘油、脂肪族或芳香族二环氧化物，例如通常用于环氧树脂生产(例如1,4-丁二醇二缩水甘油醚、双酚A、S或F二缩水甘油醚、脂肪族二缩水甘油醚)或其混合物。

通常，CROP可通过例如选自路易斯酸、布朗斯台德酸、碳鎓离子、鎓离子或苄基溴的催化剂引发。催化剂可例如选自三氟化硼(BF₃)、三氟化硼乙醚络合物(BF₃·OEt₂)；三氟化硼配合物(例如三氟化硼与甲醇、THF或甲基硫醚的配合物)；氯化铁(III)(FeCl₃)；氯化锡(IV)(SnCl₄)；五氟化锑(SbF₅)；氟代硫酸(FSO₃H)；三氟磺酸(CF₃SO₃H)；四氟硼酸盐(HBF₄)；三氟甲磺酸钪(Sc(OTf)₃)；三氟甲磺酸镱(Yt(OTf)₃)；三甲基甲硅烷基三氟甲烷磺酸盐(TMSOTf)；辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)；硫酸(H₂SO₄)；氯化铝(AlCl₃)；鎓离子；碳鎓离子；及其混合物。碳鎓离子是式R₃C⁺的离子，其中每个R例如独立地是H、脂肪族或芳基。示例性碳鎓离子包括(C₆H₅)₃C⁺、(C₆H₅)₂CH⁺、(C₆H₅)CH₂ ⁺、H₂C＝CH–CH₂ ⁺和(CH₃)₃C⁺)。优选地，催化剂可是BF₃OET₂、Sc(OTf)₃、Yt(OTf)₃或TMSOTf。令人惊奇的是，在本发明中CROP在温和条件下发生，例如在不存在酰卤的情况下。因此，优选地，本发明的方法可在不存在酰卤的反应混合物中进行。

催化剂应优选地以足以实现环氧环完全打开的量提供给反应混合物，以保证网络的最佳缩合并避免环氧基残留。应理解，确切的量将是任何特定方法中使用的反应混合物组分的函数。例如，已经确定，在催化剂是BF₃·OEt₂且环氧化物是GPTMS的情况下，催化剂的量优选地足以将反应混合物的pH降低至≤2的值。环氧化物稳定性可能与环氧环应变相关，因此对于更具反应性的环氧化物，优选的pH可较高，对于更稳定的环氧化物，优选的pH可较低。

无机/有机杂化材料是包含互穿无机和有机组分的材料。有机/无机杂化物通常通过在将聚合物引入溶胶-凝胶法之前首先用偶联剂对聚合物进行官能化来合成。与传统程序相反，本发明产生经由原位阳离子开环聚合反应(CROP)获得的材料，其中聚合链直接构建在前体(环氧化合物)上。原位聚合可在温和条件(室温和压力(R.T.P.，20℃和1atm)，酸性催化条件，无无水条件，无气态试剂)下发生。可根据所需应用，改变有机和无机组分之间的比率来调整最终杂化材料的性质。

杂化体系由两种或更多种组分的反应产生。在用于产生例如SiO₂/聚合物杂化物的双组分体系中，所用的反应方法可包含在合适的催化剂存在下包括环氧化物和环状单体的双组分反应。在用于产生例如SiO₂/聚合物/羧酸杂化物的三组分体系中，所用的反应方法可包含在合适的催化剂存在下包括环氧化物、环状单体和羧酸的三组分反应。在反应中，环氧化物可溶解在环状单体中，或者如果单体是固体，那么可添加合适的化学惰性溶剂(例如氯仿、乙醚或硝基苯)或离子液体。为了进一步调整杂化物的机械性质，可向反应混合物中，向二组分和三组分体系两者中添加另外的二氧化硅源，如烷基烷氧基硅烷或四烷氧基硅烷。当添加另外的二氧化硅源时，首先将其水解，然后添加到反应混合物中。反应混合物适用于3D打印技术：杂化物可通过3D打印机直接从溶胶-凝胶中挤出，这是一种独特的特征，对于杂化材料来说是不寻常的。可将溶液搅拌至均匀，然后进行溶胶-凝胶过程并在模具中浇铸(以获得大块样品)或用于3D打印(以获得多孔结构)。向凝胶状态的过渡提供了适合印刷的性质。凝胶形成后，可使材料进行老化和干燥以产生大块和多孔样品。3D多孔结构可适用于创建微/纳结构的系统和具有新功能的复杂流体系统，如微脉管网络和微通道、微流体装置、定制设计的组织再生支架(即骨、软骨、气道夹板)。支架还可使用牺牲模板化，尤其是盐浸出，由杂化材料制备。

溶胶-凝胶法是一种众所周知的方法，其中发生无机组分的水解和缩合。例如，在溶胶-凝胶法的第一阶段中，二氧化硅前体在酸性或碱性催化下通过与水反应而经历水解以形成硅烷醇基团。然后发生缩合，其中硅原子通过桥接氧键(Si-O-Si)交联而失去水分子，形成二氧化硅网络。

如本文所述，在本发明的一些实施例中，使用不同于环氧化合物的另外的二氧化硅源。另外的二氧化硅源可是例如烷基烷氧基硅烷(例如甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷和对应的甲氧基衍生物、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷)、四烷氧基硅烷(例如TEOS-四乙氧基硅烷、TMOS-原硅酸四甲酯)，或其混合物。

方法可进一步包含向反应混合物中添加一种或多种氧化物或氧化物前体。在这种方法中，材料的无机(SiO₂)组分也将包含一种或多种另外的氧化物。优选地将多种氧化物或氧化物前体中的一种与另外的二氧化硅源一起添加到反应混合物中。氧化物可是例如Ca、P、Mg、K、Na、B、Al、Zr、Sr、Ti、Zn和Li中的一种或多种的氧化物。典型的前体包括例如包含Ca、P、Mg、K、Na、B、Al、Zr、Sr、Ti、Zn和Li中的一种或多种的盐和金属醇盐。例如，典型的前体包括：甲氧基乙醇钙(CME)、乙醇钙、四水合硝酸钙、磷酸钙、磷酸三乙酯(TEP)、磷酸三丁酯、二乙基磷酸乙基三乙氧基硅烷(DEPETES)、丙醇锆、阳离子(例如Mg、K、Na、Al、Sr、Zn或Li)的硝酸盐、阳离子(例如Mg、K、Na、Al、Sr、Zn或Li)的氯化物、硼酸三丁酯、硼酸三甲酯、硼酸(H₃BO₃)、正丁醇钛(IV)、异丙醇钛(IV)、钛酸四丁酯和柠檬酸锂。

在如本文所述的方法中，可以将另外的组分，即羧酸添加到反应混合物中，例如通过在添加环氧化物之前溶解或悬浮在环状单体/溶剂中。因此，可选择羧酸以可溶于所选择的环状单体/溶剂中。由此所得材料包含第三组分，其是由羧酸形成的有机组分。羧酸可是包含一个或多个-COOH基团的任何有机分子。羧酸可是式(HO₂C)-Y-(CO₂H)_n的羧酸或其二聚物、三聚物或聚合物，其中Y是任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分；包含选自任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基的两种或更多种组分的组合的部分；或包含一种或多种聚合组分，任选地连同一种或多种任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基组分的部分；其中n是至少1，优选1或2的整数。因此，在n为0的情况下，羧酸可是例如单羧酸(Y-COOH)，并且在n是1的情况下，羧酸可是二羧酸(HOOC-Y-COOH)。应理解，在羧酸包含两个或更多个-COOH基团的情况下，这些基团可连接在Y内的不同碳原子上。Y可包含一种或多种聚合组分，例如聚醚(如聚乙二醇)、聚酯(如聚己内酯)或其组合。一种或多种聚合组分可由包含任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分或包含其任何组合的部分的单体形成。应理解，在羧酸包含聚合组分的情况下，-COOH基团可直接键合到其上或通过连接基键合。此外，连接基可存在于聚合组分之间。连接基可是任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分，或其组合。

示例性羧酸包括：

在本文中称为聚己内酯二羧酸(PCL-diCOOH)，其中每个n可是1或更大的任何整数值。在一些实施例中，每个n为1至20、1至10或1至8的整数。应理解，在PCL-diCOOH的任何样品中，样品中各个分子内的n值可能存在一些变化，因此值可表示样品的平均值。另外的示例性羧酸包括十六烷二酸、己二酸、苯-1,2-二羧酸、苯-1,3-二羧酸、苯-1,4-二羧酸、丙酸和聚(乙二醇)双(羧甲基醚。

在本文使用的上下文中，聚合组分包括具有2个或更多个重复单体的任何组分。因此，聚合组分包括二聚和三聚组分，以及单体重复为3或更大的组分。聚合组分可是例如均聚物、共聚物或三元共聚物。

羧酸组分可有助于体系的反应性。它可充当CROP传播步骤的终止剂，它可能与单体聚合竞争，对活化的环氧单体产生亲核攻击，并且它可能与环氧环反应，从而形成进一步与聚合物反应成长链的不稳定的原酸酯中间体，充当终止剂步骤。当羧酸是二羧酸时，它可充当交联剂。在所有情况下，将在材料的羧酸和其它组分(环氧化物组分、聚合物组分或两者)之间形成共价键合。此外，羧酸组分可通过另外的非键合相互作用(即氢键、范德华和偶极-偶极相互作用、二氧化硅中间体)参与材料的最终结构/性质。在一些实施例中，这可有助于自愈性质。

如本文所用，术语“包含”意指“包括但不限于”。

如本文所用，术语“脂肪族”是指经取代或未经取代的直链、支链或环状烃，其完全饱和或含有一个或多个不饱和单元，但不是芳香族的。脂肪族基团包括经取代或未经取代的直链、支链或环状烷基、烯基、炔基及其杂化物，如(环烷基)烷基、(环烯基)烷基或(环烷基)烯基。在各种实施例中，脂肪族基团具有1至30、1至20、1至16、1至12或1至6个碳。当脂肪族基团存在于连接基部分中时，它优选具有1至12或1至6个碳。术语“杂脂肪族”是指如上定义的脂肪族基团，其中一个或多个碳原子被杂原子替换。术语“杂原子”是指氮(N)、氧(O)或硫(S)。

术语“芳基”是指C_6-14(优选C_6-10)芳烃，包含一至三个环，每个环任选地被取代。芳基包括但不限于苯基、萘基和蒽基。在一些实施例中，芳基环上的两个相邻取代基与插入的环原子一起形成任选地经取代的稠合的5至6元芳香族环或4至8元非芳香族环，其具有0-3个选自由N、O和S组成的组的环杂原子。因此，如本文所用，术语“芳基”包括其中芳环与一个或多个杂芳基、脂环族或杂环稠合的基团。

术语“杂芳基”和“杂芳基-”是指具有5至14个环原子，优选5、6、9或10个环原子并且除碳原子外还具有一至四个杂原子作为环原子的芳香族基团。术语“杂原子”是指N、O或S。在一些实施例中，杂芳基上的两个相邻取代基与插入的环原子一起形成任选地经取代的稠合的5至6元芳香族环或4至8元非芳香族环，其具有0-3个选自由N、O和S组成的组的环杂原子。因此，如本文所用，术语“杂芳基”和“杂芳基-”还包括其中杂芳环与一个或多个芳香族、环脂肪族或杂环稠合的基团。

术语“醇盐”是指化合物ROM，其中M是金属或其它阳离子物质。R可是任何有机部分，例如脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分，或包含其组合的部分，其中的任何一个可任选地被取代。

如本文所用，术语“经取代的”是指指定部分的氢基被特定取代基的基团替换，条件是取代产生稳定或化学上可行的化合物。如本文所用，短语“一个或多个取代基”是指基于可用键合位点的数目，等于可能的一个至最大数目的取代基的取代基。除非另有说明，否则再存在多个取代基的情况下，取代基可相同或不同。

芳基或杂芳基可任选地被取代。芳基或杂芳基的不饱和碳原子上的合适取代基包括卤基、-NO₂、-CN、-R'、-N＝C＝O、-C(R')＝C(R')₂、-C≡C-R'、-OR'、-SR'、-S(O)R'、-SO₂R'、-SO₃R'、-SO₂N(R')₂、-N(R')₂、-NR'C(O)R'、-NR'C(O)N(R')₂、-NR'CO₂R'、-NR'SO₂R'、-NR'SO₂N(R')₂、-O-C(O)R'、-O-CO₂R'、-OC(O)N(R')、-C(O)R'、-CO₂R'、-C(O)N(R')₂、-P(O)(R')₂、-P(O)(OR')₂、-O-P(O)-OR'，其中R'独立地为氢或任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分，或两次出现的R'与它们的插入原子一起形成任选地经取代的5-7元芳基、杂芳基、脂环族或杂环。

脂肪族或杂脂肪族基团，包括碳环或杂环，可是“任选地经取代的”。除非另有定义，否则任选地经取代的脂肪族或杂脂肪族基团的饱和碳上的合适取代基选自上文对芳基或杂芳基的不饱和碳列出的那些取代基，并另外包括以下：＝O、＝S、＝C(R”)₂，其中R”是氢或任选地经取代的C_1-6脂肪族基团。

除了上文定义的取代基之外，非芳香族杂环的氮上的任选的取代基还包括并且通常选自R'、-N(R')₂、-C(O)R'、-C(O)OR'、-S(O)₂R'、-S(O)₂N(R')₂，其中每个R'如上所定义。杂芳基或非芳香族杂环的环氮原子也可被氧化以形成对应的N-羟基或N-氧化物化合物。

对材料样品的应力应变可以两种不同的方式来计算，作为工程(或常规)应力与应变或作为真(或实际)应力和应变。

工程(或常规)应力和应变值基于以下假设：在测试期间材料样品的横截面可被认为是不变的，因此它们通常应用于不可显著变形的材料，例如陶瓷：

-应变：ε_C＝Δl/l₀(l₀是样品的初始高度和Δl为在测试期间测得的位移；它们是在相同的测量单元，因此ε_c是0和1之间的值，可通过乘以100以％为单位来报告)。

-应力：σ_C＝F/A(F通常以N为单位测量；A通常是以mm²为单位测量。鉴于此，σ_C结果以MPa为单位)。

真实(或实际)应力和应变值通常应用于高度可变形的材料，以便考虑样品在拉伸时的颈缩和压缩时样品的快速滚动，例如聚合物：

-应变：ε*＝ln(1+ε_c)(ε_c的相同测量单元→在0-1之间的值或以％为单位报告)

-应力：σ*＝σ_c(1+ε_c)(σ_c的相同测量单元→Mpa)

除非本文另有说明，否则材料的有机和无机wt％含量可通过如本文所述的TGA或TGA/DSC测定。取决于材料的组分，无机含量可等于SiO₂含量或SiO₂和其它氧化物组分(例如CaO和/或P₂O₅)的组合含量。

根据本发明生产的材料可用于包括组织再生和组织工程的应用(例如骨软骨再生、血管内置假体、椎间盘、骨空隙填充物、外科网片、夹板)；医疗装置(例如导管或导管涂层、隐形眼镜、诊断/治疗纳米粒子)；用于汽车和航空航天应用的材料(例如耐磨材料、头盔护目镜、防刮涂层)；建筑材料；涂料；纺织品(面漆或涂料)；化妆品；用于电子装置和非线性光学器件的材料(例如激光器)；ITC领域；绝缘材料(例如电绝缘)；运动装备材料。

实例

缩略语

DMA 动态力学分析

EDS 能量色散X射线光谱法

FTIR 傅立叶变换红外光谱法

ICP 电感耦合等离子体元素分析

Maldi-TOF 基质辅助激光解吸电离飞行时间光谱法

NMR 核磁共振

PBS 磷酸盐缓冲盐水溶液

PTFE 聚四氟乙烯

PTHF 聚四氢呋喃(或聚(四亚甲基醚)二醇)，也称为p(THF)

SBF 模拟体液

SEM 扫描电子显微法

TEM 透射电子显微法

TGA 热重分析

TGA/DSC 热重分析/差示扫描量热法

μCT 微型计算机断层扫描

XRD X射线衍射分析

材料：

缩水甘油基甲基醚(GME-CAS号930-37-0)购自美国的美国TCI(TCI America,US)，并按原样使用。三氟化硼乙醚络合物(BF₃·OEt₂-CAS号109-63-67)、无水四氢呋喃(THF-CAS号109-99-9)、(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS-CAS号2530-83-8)、四乙氧基硅烷(TEOS-CAS号78-10-4)、1M盐酸(1M HCl)购自英国的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,UK)，并原样使用。

实例1：PTHF合成

PTHF由四氢呋喃(THF)以1步程序合成，由路易斯酸催化，三氟化硼乙醚化物(BF₃·OEt₂)和缩水甘油基甲基醚(GME)作为引发剂。

在典型的程序中，将GME(1mol)在室温下在连续搅拌下在圆底烧瓶中溶解在无水THF(35mol)中。溶液保持完全澄清和透明，并在15-30分钟后，添加BF₃·OEt₂(0.25mol，催化量)。反应非常快地发生，因为观察到温度突然升高和偶尔颜色变化(从透明到黄色)，随后由于THF的快速聚合导致粘度快速增加。

由于THF(5.63千卡/摩尔)和环氧乙烷(27.28千卡/摩尔)的环应变的差异，假设环氧环首先被路易斯酸活化为对应的中间体1(步骤I，流程1)。这然后通过THF氧(中间体2，流程1)进行亲核攻击，获得中间体2并且引发开环聚合(CROP-步骤II，流程1)和链延长步骤(步骤III-VI，流程1)。聚合在室温(R.T.)、环境压力下并且短反应时间内发生。

聚合完成后，通过在室温下在空气中/真空下干燥除去残留的未反应的THF。获得均相聚合物。

流程1.THF聚合的假设反应机理。

应理解，上述聚合机理可延伸至如本文所述的其它环状单体，其可经由阳离子开环聚合而聚合。如果单体是固体，可添加合适的化学惰性溶剂(例如氯仿、乙醚、硝基苯或离子液体)。此外，GME可被取代，例如，由脂肪族和芳香族二环氧化物取代，产生共聚物。此外，尽管在本文的实例中使用无水THF，但无水THF不是强制性要求。CROP反应也适用于非无水环状单体。

实例2：由SiO₂/PTHF无机-有机杂化材料的合成

用GPTMS作为唯一的二氧化硅源以及TEOS作为另外的二氧化硅源制备样品。SiO₂/PTHF杂化物的合成通过涉及以下的2步程序实现：

-与GPTMS偶合形成GPTMS-PTHF凝胶-由GPTMS的环氧环引发的THF聚合，通过与BF₃·OEt₂的相互作用活化。

-通过水解和缩合(溶胶-凝胶途径)的杂化合成-添加TEOS(任选的)、去离子水和1M HCl。

GPTMS-PTHF凝胶的形成是由于THF聚合，其速率受THF:GPTMS比率的影响。宽范围的THF:GPTMS浓度允许产生杂化材料。优选地，THF相对于聚合的体积过量。当使用较高THF/GPTMS比率时，聚合反应中的THF消耗减慢，使得THF本身也可充当体系的溶剂，促进均相溶液的形成。特别是当反应中包含另外的二氧化硅源时，这是优选的。通过实例的方式，具有GPTMS作为二氧化硅源的材料根据以下程序以35:1至65:1mol的THF:GPTMS比率制备，并且以65:1至100:1mol的THF:GPTMS制备具有GPTMS和TEOS作为二氧化硅源的杂化物。

水解溶液的制备

TEOS(从0至25:1＝TEOS:GPTMS摩尔比)与去离子水和1M HCl放置在烧杯中。水含量计算为水解TEOS和GPTMS所需的化学计量的总和，这意味着H₂O:TEOS＝4:1摩尔比和H₂O:GPTMS＝3:1摩尔比。添加1M HCl，浓度为1MHCl:水＝1:3％v/v。将所得混合物剧烈搅拌1-1.5小时以诱导完全水解。

在示例性合成1中，使用TEOS:GPTMS摩尔比为5:1。在示例性合成2中，没有添加TEOS，因此水解溶液仅需要去离子水和水解GPTMS所需的1M HCl。

形成GPTMS-PTHF凝胶

从开始制备水解起45分钟后，在室温下连续搅拌下将GPTMS(1mol)溶解在THF中。对于示例性合成1，使用THF:GPTMS＝100:1mol，并且对于示例性合成2，使用THF:GPTMS＝65:1。溶液保持完全澄清和透明，15分钟后，添加0.25摩尔的BF₃·OEt₂。观察到温度突然升高，偶尔颜色变化(从透明到黄色)和气泡的形成，随后粘度快速增加，表明通过BF₃·OEt₂活化环氧环引发的THF快速聚合，导致形成溶解在非聚合THF中的GPTMS-PTHF网络。将聚合物溶液搅拌20分钟。

杂化溶胶的形成

将水解溶液逐滴添加到GPTMS-PTHF溶液中并在室温下搅拌15-30分钟以形成杂化溶胶。

大块样品的形成

将杂化溶胶浇注到具有所需形状(例如圆柱体、圆盘)的PTFE容器中，密封并在40℃下放置三天：该步骤允许凝胶化(在几分钟至24小时之间发生，取决于THF的起始量)以及随后的老化以巩固杂化网络。三天后，盖子松开，样品在1-4周内在40-60℃下干燥，这取决于形状和起始THF的量：较厚的样品需要更长时间并且更小心地干燥以便避免因溶剂蒸发过快而开裂。当完全干燥时，将样品从烘箱中取出并最后用去离子水冲洗，以除去反应副产物，并用于进一步的表征。

实例3：对SiO₂/PTHF杂化物的压缩测试

在实例2的合成1和2中制备的两种SiO₂/PTHF杂化物以3-4mm厚的圆盘形式制备。

不含TEOS的合成2产生含有约3％wt SiO₂的非常柔韧的样品(用TGA检查)，其余材料为PTHF(用¹H-NMR和FTIR证明)。

含有TEOS的合成1产生透明、柔韧性但坚韧的样品。进行TGA以检查无机/有机物含量(发现其为SiO₂/PTHF-17/83wt％)，¹H-NMR和FTIR证实存在PTHF。用软骨细胞进行的3天细胞附着测试也给出了有希望的结果。

用以下参数进行压缩测试：

-5个圆柱形样品(直径

高度(l₀)≈10-11mm)

-v＝1mm/min(位移控制测试)

-称重传感器＝10kN

对于

的样品获，得力-位移和应力-应变曲线；l₀＝11.16mm在图1中示出。图1中的绘图报告：

-x轴→εc＝100％(Δl[mm]/l₀[mm])，其中Δl为测试期间测量的位移，和l0是样品的初始高度→常规或工程应变，这是在不考虑测试期间快速滚动的影响的情况下，样品厚度的变化。

-y轴→相同的曲线可与机器施加的以N为单位的实际力相关(用F表示，以N为单位测量)或与常规或工程应力(用σ_C表示，以MPa为单位测量)相关，计算如下：

σc[MPa]＝F[N]/A[mm²]

其中A是样品的面积/表面。σ_C不考虑样品的快速滚动。

从图中可看出真正的弹性行为。所有五个样品都具有非常相似的行为(标准偏差非常小)，压缩达80％以上而不会断裂。由于达到了可由机器施加的最大F(10kN)，因此停止了测试。在不同应变水平下测量的力和应力值在下表中示出：

测试后成功实现初始高度的完全恢复。

结果表明该材料是非常有希望的，以期将其用作半月板/椎间盘的替代物。

实例4：SiO₂/PTHF无机-有机杂化材料的附加合成

SiO₂/PTHF无机-有机杂化材料制备为圆柱形块，该圆柱形块沿纵向轴线具有二氧化硅含量和机械性质梯度，但在单块内的任何区域之间无可观察到的分立界限或界面。

制备

使用20:1的TEOS:GPTMS比率和100:1mol的THF:GPTMS比率，进行如实例2所述的方案。将溶胶(标识为“溶胶1”)浇注在圆柱形模具中，以便填充大约模具一半，并静置以胶凝化1-2小时。

在溶胶1胶凝化时，按照实例2所述的相同方案，制备TEOS:GPTMS比率为5:1(THF:GPTMS比率为100:1mol)的第二溶液。然后将该溶胶(“溶胶2”)浇注在已经部分胶凝化的溶胶1的顶部上，以便填充模具。

然后入实例2中所述，组合的样品老化并干燥。

还通过首先浇注溶胶1的芯(通过PTFE片材环定界)、在胶凝化1-2小时后移除PTFE片材并且然后在溶胶1芯周围浇注溶胶2产生具有同心梯度的圆柱形样品、圆盘。

应注意，TEOS:GPTMS比率可根据所需性质改变，并且另外，可制备多于2种溶液并“堆叠”在彼此顶部上以便增加性质的梯度。此外，对应的方案可适用于含有羧酸的三组分体系，如实例5中所述。

结果

获得澄清且无颜色的圆柱形/圆盘块状样品。视觉上，样品看起来是均匀的。当肉眼观察时，两相之间无明显界面或界限(对于圆柱形样品，这在图2中示出)。

圆柱形样品分成六段，在图2中标记为A-F，并且用TGA测试以检查每段的无机/有机含量，获得以下值：

在所说明的样品中，对应于A-C段的样品部分主要来源于溶胶1，并且对应于D-F段的部分主要来源于溶胶2。TGA值指示在样品中部的过渡(在C和D段之间)，证明在老化和干燥期间，两种溶胶未简单地混合，而是化学键合以得到单一连续材料。借助SEM成像确认连续材料的存在和在样品的两部分之间任何分立界面的不存在。

用实例3中所述的相同装置单向地压缩样品。对于如上所述制备的圆柱形样品获得的应力-应变曲线在图3中示出。

显而易见的是，两相强化学键合在一起，因为它们在压缩下未分开，并且在应力-应变图中无突然变化。在高应变下，沿纵向轴线(延伸穿过A-F段)的机械响应的差异是肉眼可观察到的，其中具有较低无机含量的样品部分(更多聚合特征，大体上对应于D-F段)比具有较高无机含量的样品部分(更多玻璃特征，大体上对应于A-C段)变形大。

由具有物理性质梯度的单一材料制成的装置在如椎间盘替代物的应用中具有较大潜力。在这种情况下，不可降解材料(例如二组分SiO₂/PTHF材料)可是优选的，因为考虑到它的尺寸、在人体中位置以及主要功能(冲击吸收件；脊椎之间的接合件；允许脊柱移动)，不可降解材料非常难以使整个椎间盘再生。

实例5：三组分体系SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化物的制备

制备SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化材料。材料示出非常通用和可定制的性质(通过改变有机/无机比率)和自主自愈性质(即，在不需要释放任何包封或嵌入的愈合试剂/催化剂或外部试剂如热或光的情况下发生愈合)。

在以下实例中，使用以下3步骤程序进行SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化物的合成：

a)用TEMPO氧化PCL-二醇，得到PCL-diCOOH

b)与GPTMS偶联-通过活化环氧环催化的THF聚合，这是GPTMS的一部分，产生PCL-diCOOH-THF-GPTMS-BF₃·OEt₂的组合

c)通过水解和缩合(溶胶-凝胶途径)进行杂化合成-向体系中添加TEOS(任选的)、去离子水和1M HCl

应理解，可直接提供羧酸，在这种情况下不需要氧化步骤a)。

聚己内酯(PCL)二醇的氧化

如本文所用的聚己内酯二醇(PCL-二醇)是下式的化合物：

在该实例中使用的PCL-二醇的平均M_n为530Da。还用平均M_n 2000的PCL-二醇进行实验。

加工PCL-二醇以将羟基端基(OH)氧化成羧酸端基(COOH)，得到下式的PCL-diCOOH：

PCL-二醇(平均M_n＝～530Da-CAS号36890-68-3)、无水乙腈(CAS号75-05-8)、碳酸氢钠(NaHCO₃-CAS号144-55-8)、溴化钾(KBr)-CAS号7758-02-3)、TEMPO(CAS号2564-83-2)、盐酸(HCl，37％v/v-CAS号7647-01-0)、乙酸乙酯(CAS号141-78-6)、硫酸钠(Na₂SO₄-CAS号7757-82-6)购自英国的西格玛奥德里奇公司，并按原样使用。次氯酸钠(NaOCl，3.5％v/vCl₂在水溶液中-CAS号7681-52-9)购自英国VWR国际(VWR International,UK)，并按原样使用。

在典型的氧化过程中，在室温下在连续搅拌下在圆底烧瓶中，将PCL-二醇(M_n为530Da)溶解在无水乙腈中(相对于PCL为15.3mL g^-1)。同时，准备了三种不同的溶液：

-NaHCO₃在去离子水中的饱和溶液(相对于PCL为4.1mL g^-1)；

-KBr在去离子水中的0.5M溶液(相对于PCL为1.51mL g^-1)；

-TEMPO在无水乙腈中的0.1M溶液(相对于PCL为3.77mL g^-1)。

当PCL-二醇完全溶解时，按以下顺序缓慢逐滴添加上述三种溶液：NaHCO₃饱和水溶液，相对于总的最终氧化混合物，浓度为0.5M；KBr水溶液；TEMPO在乙腈中的溶液。所得混合物是澄清的，具有通过溶液中存在TEMPO和白色残余物得到的橙色着色：那些是不溶于乙腈的两种盐和不溶于水的PCL二醇的组合。然后将该溶液密封并在室温下搅拌1小时，以确保所有组分的最大互溶性。然后，在室温下保持搅拌反应混合物的同时，在整个合成期间缓慢添加NaOCl，以活化OH基团氧化成COOH基团。对于5％v/v的NaOCl浓度，实验上优化v(NaOCl):v(乙腈)的比率＝1.3:1，以使起始PCL二醇完全氧化。因此，将NaOCl的总体积(v_tot)分成4次添加：v₁＝0.4v_tot，v₂＝0.4v_tot，v₃＝0.1v_tot，v₄＝0.1v_tot分别为以1小时、4小时、8小时和24小时的时间间隔逐滴添加，从TEMPO溶液的最终添加点。由于NaOCl浓度在不同批次之间变化，因此对于5％v/v浓度的NaOCl，根据比率v(NaOCl):v(乙腈)＝1.3:1定容体积v₁至v₄。

从最后一次添加NaOCl开始4小时后，从起始基本值(大约8-9)通过逐滴添加HCl37％v/v调节pH直至溶液达到pH≤3：需要该步骤以使羧基质子化，羧基可在碱性pH下去质子化。

1小时后，通过使用Rotavapor(瑞士的Büchi Labortechnik AG)在40℃和226mbar下从双相体系中除去乙腈，以使氧化的PCL-二醇留在水基溶液中。聚合物随后在乙酸乙酯中萃取三次，收集有机层且经Na₂SO₄干燥，然后在减压下蒸发溶剂至干燥以留下氧化的PCL二醇(PCL-diCOOH)，其最后在室温下真空干燥至少12小时。

氧化用¹H-NMR、FTIR和质谱(例如Maldi-Tof)验证。

原位CROP+杂化物合成

原位CROP

在典型的合成中，在室温下在连续搅拌下将PCL-diCOOH(1mol)溶解在无水THF中。当溶液完全澄清和透明时，以30分钟的时间间隔，添加GPTMS(2mol)，接着添加BF₃·OEt₂(0.5mol)。观察到温度突然升高，偶尔颜色变化(从透明到黄色)，随后粘度快速增加，表明由BF₃·OEt₂活化环氧环引发的THF快速聚合，导致形成溶解在非聚合THF中的GPTMS-PTHF-PCL-diCOOH网络。GPTMS-PTHF凝胶的形成归因于THF聚合。该方法的聚合速率是THF:GPTMS:PCL-diCOOH比率的函数并且以几分钟至24小时的速率发生。

¹H-NMR用于检查环氧环的开口、单体环的开口和新聚合物相的出现。

PCL-diCOOH的存在限制了THF的聚合，因此更浓缩的GPTMS溶液可用于制备杂化物。在本实例中，测试16:1至100:1的THF:GPTMS摩尔比。

使用1:0.25的GPTMS:BF₃·OEt₂摩尔比。优选添加相对于GPTMS摩尔的最少0.25摩尔的BF₃·OEt₂，以促进含有PCL-diCOOH的三组分体系中所有GPTMS分子的环氧环开环。尽管只能部分地打开GPTMS的环氧环和部分形成PTHF，但该体系仍然以较低的浓度起作用。这可用¹H-NMR观察到。

当包括另外的二氧化硅源(TEOS)以促进形成均匀材料时，优选THF过量存在以便也用作反应溶剂。通常将溶液搅拌1.5小时。

水解溶液的制备

将TEOS(相对于PCL-diCOOH为0至95％w/w)置于具有去离子水和1MHCl的烧杯中。水含量计算为水解TEOS和GPTMS所需的化学计量的总和，这意味着H₂O:TEOS＝4:1摩尔比和H₂O:GPTMS＝3:1摩尔比；添加1M HCl，浓度为1M HCl:水＝1:3％v/v。将所得混合物剧烈搅拌1-1.5小时以诱导完全水解。

杂化溶胶的形成

将水解溶液逐滴添加到GPTMS-PTHF-PCL-diCOOH溶液中并在室温下搅拌30分钟以形成杂化溶胶。

大块样品的形成

为了获得大块样品，将溶胶浇注到具有所需形状(例如圆柱体，圆盘)的PTFE容器中，密封并在40℃下放置三天：该步骤允许凝胶化(在2-24小时之间发生，这取决于THF的起始量)和随后的老化以巩固杂化网络。三天后，盖子松开，样品在2-4周内在40-60℃下干燥，这取决于形状和起始THF的量：较厚的样品需要更长时间并且更小心地干燥以便避免因溶剂蒸发过快而开裂。当完全干燥时，将样品从烘箱中取出并最后用去离子水冲洗，以除去反应副产物，并用于进一步的表征。

实例6：大块杂化材料的表征

对根据实例5制备的大块杂化材料进行组成和微观结构的表征，通过使用在起始溶液中不同的起始TEOS/PCL-diCOOH wt比率给出不同的无机/有机比率(0/100、60/40、70/30、80/20、90/10、95/5)。溶胶-凝胶合成的多功能性允许制备具有不同形状的样品：块状、薄盘/薄膜/膜、支架等。

使用FTIR-ATR鉴定有机相(PTHF和PCL-diCOOH)和无机相(二氧化硅)的存在。

TGA/DSC分析用于评估干燥后大块杂化材料中的最终无机/有机比率。对用研杵和研钵精细研磨并称重到铂坩埚中的杂化粉末(约10mg)使用与

软件耦合的同时DSC/TGA Netzsch Jupiter STA 449C仪器，用于精制获得的数据。报告的值是从用于拉伸测试的矩形样品(宽度＝10mm；暴露高度＝25mm；厚度≈1-2mm)获得的粉末测量的。分析范围为20-800℃，在连续流动的空气气氛中加热速率为10℃min^-1。目的是确定有效掺入不同杂化样品中的有机相的量(在PBS中浸泡之前和之后)与对应于其燃尽的重量损失。

分析结果在下表中示出：

无机wt％等于杂化材料的二氧化硅(SiO₂)含量。不考虑THF聚合的理论预期用于计算如果没有发生THF聚合预期的无机wt％。将该无机wt％与所测量的实际无机wt％进行比较，证实体系中存在PTHF。还评估了在PBS中浸泡后组成的变化。

进行BFTEM/STEM-HAADF/EDX分析(用Jeol 2100F扫描/透射电子显微镜(S/TEM)，在200kV下操作，配有X-Max^N硅漂移检测器，检测器尺寸为80mm²)以确定有机和无机组分之间是否存在相分离(例如，如果二氧化硅区域与聚合物区域明显不同)或是否存在真正的互穿网络。TEM图像和EDX分析显示出均匀样品，即真正的杂化材料。

考虑到样品的透明度和均匀性，对不同杂化材料组合物的粉末进行XRD分析以检查体系是否是无定形的。使用与用于分析收集的数据的PANalyticalX'Pert HighScore软件组合的Bruker D2 PHASER台式X射线衍射仪。通过采用Bragg-Brentano相机几何结构和具有Kα辐射的Cu阳极

进行测量。发电机设置固定在30kV(电压)和10mA(电流强度)；每个图案记录在2θ＝10-80°的范围内，使用0.035°步长，每步0.35秒。以粉末形式分析样品，所述粉末用研杵和研钵手动研磨并安装在由离轴切割的高质量硅单晶制成的零背景基底上。该分析证实材料是无定形的。

在压缩和拉伸下评定杂化材料的机械性质和粘弹性行为。SiO₂小于20％wt的样品是柔性的。观察到性质的转变，随着SiO₂含量的增加，柔韧性降低。SiO₂超过40％wt时，观察到样品的脆性增加。

用以下参数进行压缩测试(直至失效)以评估失效应力和失效应变：

-圆柱形试样：直径≈8.5-10mm；高度≈9-13mm

-％无机(即SiO₂)＝20-65wt％(来自TGA)

-v＝1毫米/分钟

样品在干燥(如制备的)条件下进行测试，应力-变形图示出弹性行为，具有较低的无机(SiO₂)％的样品示出较高的柔韧性。弹性材料将具有非线性应力-应变图。当变形增加时观察到刚度增加(如图1所见，尽管对于在该实例中测试的样品，达到了断裂/失效)。此外，变形几乎完全是弹性的，这意味着如果在断裂之前释放载荷，则恢复样品的初始高度。测量并观察平均失效应力和失效应变，以示出随着无机(SiO₂)含量增加，失效应变(ε*)(MPa)减小和失效应力(σ*)(MPa)增加的趋势。这表明随着杂化材料的无机含量增加，材料变得更强但柔韧性更低。

用以下参数进行拉伸测试(直至失效)以评估失效应力和失效应变：

-矩形试样：宽度＝10mm；暴露高度＝25mm；厚度≈1-2mm

-SiO₂＝2-40wt％(来自TGA)

-v＝1毫米/分钟

在干燥(如制备的)和潮湿条件(在PBS中浸泡1周后)下测试样品。观察到干燥样品较不抗压缩，但仍然是柔性的。如在压缩测试中观察到的那样，看出随着无机(SiO₂)含量增加，失效应变(ε*)(MPa)减小和失效应力(σ*)(MPa)增加的相同趋势。浸泡前后的拉伸测试结果在图4中示出。图4(a)示出在不同无机级分(起始wt％SiO₂)下真实(或实际)的失效应力(σ*)。图4(b)示出在实际wt％SiO₂下真实(或实际)的失效应力(σ*)，其中实际wt％SiO₂通过TGA针对浸泡后的湿样品进行测定。在PBS中1周后，样品部分失去聚合物(PCL-diCOOH，可降解组分)。这增加了它们的刚度(在浸泡样品后示出较低的最大应变但是较高的最大应力)。如已经从TGA建立，杂化物在浸泡时改变组成(失去聚合物等同于更高的无机级分)。当考虑湿样品与其新组成时，每种组合物(湿和干)遵循相同的趋势，示出保持机械性质而不是降解。图5示出在不同无机级分下的真实(或实际)的失效应变(ε*)，并且再次保持机械性质而不是降解。图4和图5中报告的图与真实/实际值有关，但随着SiO₂含量的增加，应力增加和应变减小的趋势对于常规值和真值都是相同的

(在上述用于压力和拉伸测试直至失效的相同类型的样品上)进行压缩和拉伸的DMA以评估储能模量(指示弹性行为)和损耗模量和tan(δ)(指示塑料/耗散行为)。测试，使用配备

7和

DMA软件的Bose

3200系列III进行，跨度0.01-10Hz之间的频率范围。该测试示出储能模量呈指数增长，这表明材料的刚度随无机含量的增加而增加。储能模量表现出的数量级跨度在10^-1至10²MPa之间，通过简单地改变无机/有机比率来揭示杂化材料的高通用性。此外，测量了可忽略的损耗模量和tan(δ)值，证明了杂化物的弹性性质和不存在塑性变形。在干燥和潮湿条件(在PBS中浸泡1周后)下测试样品，证实在直至断裂的静态测试中观察到的结果。

在机械测试的结论中，通常观察到弹性行为(如果在断裂之前释放负载，则具有恢复变形的能力)。在所测试的组合物范围内，机械性质从橡胶的行为延伸到具有改善的韧性的玻璃的行为，表明非常通用的材料，其中可通过改变无机/有机比率来调节性质。

评定杂化材料支持细胞附着的能力。使用21wt％和34wt％SiO₂杂化样品的圆盘进行测试，其通过在70％乙醇中浸泡24小时进行灭菌。将1x104个MC3T3细胞(前成骨细胞系)接种到杂化盘上并培养3天(在基础α-MEM中)。通过两种主要细胞骨架成分，波形蛋白(中间丝蛋白)和F-肌动蛋白(微丝)的明确表达证明了活细胞扩散。

在体外溶解研究中评定生物降解。在PBS中浸泡数月的圆柱形样品保持呈整体：在浸泡开始时发生聚合物的部分损失，之后材料是稳定的。PCL是可生物降解的，因此含有它的杂化物是部分可生物再吸收的。

实例7：自愈的评定

用光学显微镜在用于实例6中的拉伸测试的相同系列的SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化材料样品(SiO₂＝2-40wt％)上进行定性评估。在创建缺陷后和缺陷愈合后立即拍摄图像。对于无机含量较低(2.5wt％SiO2、12.3wt％SiO₂和17.4wt％SiO₂)的材料，使用插入样品侧面的针产生缺陷。这些在5秒内愈合，愈合发生得越快，有机物含量越高。无机级分较高的杂化组合物(24.7wt％SiO₂和38.7wt％SiO₂)具有通过在样品表面上形成小凹口而产生的缺陷，然后压缩样品直到出现部分内部裂纹。两种组合物需要24小时自愈，其中24.7wt％SiO₂组合物的愈合程度大于38.7wt％SiO₂组合物。光学显微照片在图6中示出。图6(a)示出SiO₂含量为12.3wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后5秒拍摄图像。图6(b)示出SiO₂含量为24.7wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后24小时拍摄图像。图6(c)示出SiO₂含量为38.7wt％的样品，其中在产生缺陷后立即拍摄图像并且在产生缺陷后24小时拍摄。在较低的二氧化硅含量下自愈能力较快，但在该测试中所有测试的具有高达40％wt SiO₂的组合物也观察到自愈能力较快。自愈能力是自主的，不需要外部刺激。

拉伸测试用于定量评估干燥样品的自愈能力，其中TEOS/PCL＝0/100％w/w(来自TGA的2.5wt％SiO₂)。在矩形试样上进行测试：w＝10mm；暴露h＝25mm；t≈1-2mm，v＝1毫米/分钟。在张力下测试样品直至破裂，在测试后立即将破碎的碎片重新放回到一起，在室温下放置愈合24小时，然后在张力下重新测试直至破裂。应力应变结果在图7中示出。对于该图和实例，绘制了真实(实际)值。在张力下被断裂成两个部分并且随后被允许自愈后，该材料恢复其原始失效应变(ε*)的36.03±16.19％，和其初始失效应力(σ*)的30.69±14.69％。这些值计算如下：

-％恢复ε*＝100％x(24小时愈合后的ε*)/(之前的ε*)

-％恢复σ*＝100％x(24小时愈合后的σ*)/(之前的σ*)

因此，这些值代表愈合效率：

其中f是ε*或σ*。

实例8：杂化溶胶-凝胶的3D打印

为了3D打印多孔支架，将如实例5中所述制备的溶胶移入60℃的温度控制浴中并在没有盖子的情况下搅拌以蒸发部分残留的THF并加速凝胶化过程，直到达到适合3D打印的粘度。随后将溶胶置于超声浴中以在连续搅拌下除去由THF蒸发产生的气泡。然后，将溶胶手动转移到3ml鲁尔锁塑料注射器(英国的VWR国际)中，该注射器配备有用于3D打印的适当尖端(英国的NordsonEFD)，并通过以喷嘴向上倾斜注射器并手动按压柱塞直到溶胶开始挤出来除去残留的空气。然后将注射器放入3D打印机(“Robocaster”，美国的3d油墨有限责任公司(3d Inks LLC,USA))，所述3D打印机连接到配备有软件“Robocad”(美国的3d油墨有限责任公司)的计算机，所述软件遵循先前设计的CAD文件控制多孔支架的打印。当转移到注射器中时，溶胶仍然太液体而不能打印，但它具有合适的粘度以允许除去气泡和转移。虽然在以下步骤(定位于robocaster中、设计CAD文件等……)期间，溶胶保持在注射器中，但凝胶化过程继续并确定从溶胶转变为凝胶，其具用作3D打印的油墨的合适的粘度：这意味着凝胶可流过喷嘴而不会堵塞它，但同时可在挤出时保持形状，避免堆叠层的坍塌。一旦达到凝胶的合适粘度，可印刷性的窗口约为1小时，在此期间打印具有所需形状的多孔3D支架。然后将所得到的支架(由于存在残留的THF，仍由湿凝胶组成)置于耐THF容器(例如聚甲基戊烯的Nalgene(PMP)或PTFE容器)中，密封，并在40℃下老化1-3天：此步骤允许完成凝胶化以完全巩固杂化网络。随后，松开盖子并将样品在40-60℃下干燥4-7天，以完全蒸发截留的溶剂。最后用去离子水冲洗支架以除去反应副产物，样品即可使用。

通过调节时间以实现适当的粘度，可使用对应的程序来打印如实例2中所述制备的溶胶。

材料还可以通过存储在非常低的温度下作为油墨存储在注射器中。发现，存储在-82℃下的注射器中的材料在2-3周存储后成功地打印。水(来自TEOS水解的残余物)在此温度下结冰，而乙醇(来自TEOS水解的残余物)和THF(来自有机溶液的残留物)不结冰，因为它们的冰点分别为-114℃和-108℃。凝胶化反应减慢如此多，使得油墨可存储而无显著变化。油墨可然后在室温下解冻。例如，发现3mL注射器需要10-15分钟解冻并且然后可用于如新鲜制备的油墨一样打印。这对于扩大规模油墨生产是有益处的，因为可制备大批的油墨并存储在单独注射器中，而不需要每次使用油墨时新鲜制备油墨。预期存储在甚至更低温度(低于THF结冰点)下中止聚合并延长可能的存储时间。

实例9：杂化3D打印支架的表征

根据实例8，使用THF；BF₃OEt₂；GPTMS；PCL-diCOOH和TEOS，以由不同的起始TEOS/PCL-diCOOH比率给出的不同无机/有机比率，制备支架。测试了两种组合物，其中TEOS/PCL-diCOOH比率为70/30和80/20％w/w。

溶胶-凝胶法(无机组分)和THF(有机组分)的聚合的组合导致形成可直接挤出而无需任何其它添加剂的溶胶-凝胶。

打印和收缩后的孔隙尺寸和支柱直径与所尝试的两种设计的预期相关(“对齐”图案和“移位”图案)进行评估。拍摄顶部表面的SEM图像以及水平和垂直横截面。这些图像在图8和9中示出。图8示出(a)具有对齐的打印图案和(b)具有移位的打印图案的3D打印杂化材料的打印团和SEM图像。图9示出3D打印杂化材料的横截面的SEM图像，(a)对齐的打印图案的水平横截面；(b)对齐的打印图案的垂直横截面；(c)移位打印图案的水平横截面；和(d)移位打印图案的垂直横截面。从图像中，可以评定支柱和孔的尺寸(支柱直径是～200μm，在顶表面和水平部分上可见的孔示出在对齐图案中宽度是～200μm，在移位图案中是～300μm)。还计算了孔隙率％，如下：

-TEOS/PCL＝80/20％w/w对齐→42.4±3.6％

-TEOS/PCL＝80/20％w/w移位→51.7±1.8％

-TEOS/PCL＝70/30％w/w对齐→40.2±2.9％。

评定组成。FTIR用于检查有机相和无机相的存在，并与TGA/DSC结合，将结果与具有相同初始TEOS/PCL-diCOOH比率的大块样品的结果进行比较。使用TGA/DSC评估干燥完成后的实际最终无机/有机比率。观察到，根据样品的几何结构和环境条件，在最终杂化样品中无机/有机比率可变化。例如，与相同组成的大块圆柱形样品获得的值相比，支架示出较低的有机含量。这表明由于3D打印过程固有的较快干燥而形成较低的PTHF。当BF_3·OEt₂添加到聚合物溶液中时，THF开始聚合，但聚合在老化步骤期间继续进行；当3D打印支架时，大部分THF在打印之前和打印期间被蒸发，因此更少的THF可用于聚合，并且残留物蒸发更快，因为与大块样品相比，暴露表面更高。从大块圆柱体到薄圆盘也观察到相同的差异，其示出较低的有机物含量。

例如，当使用起始TEOS/PCL-diCOOH比率为80/20％w/w％时，在大块圆柱体中最终SiO₂ wt％为20％；薄盘中为25％，且在3D打印支架中为30％。

用以下参数，使用压缩测试(直至失败)评定3D打印支架的机械性质，以评估失效应力和失效应变：

-立方支架：(5x5x5)mm³尺寸

-v＝1毫米/分钟

在PBS中浸泡1周之前和之后评定含有30wt％SiO₂并具有“对齐”设计的参考系列杂化支架。然后，评估通过将二氧化硅含量降低至20wt％(保持设计不变)和通过将设计改变为“移位”(考虑30wt％SiO₂含量)而确定的变化。

总体而言，在大块样品上观察到的弹性行为也保持在3D多孔结构中：所有测试的支架示出显著的柔韧性，并且能够在断裂之前释放负荷时恢复初始高度。这里再次报告了应力和应变的真实(实际)值。参考样品(30wt％SiO₂-对齐)示出失效σ*等于1.2±0.2MPa，相当于ε*为36.0±7.0％：无机含量的减少或支柱的移位引起改善柔韧性，示出ε*的增加和失效σ*的降低。与大块样品的机械测试结果一致，在PBS中浸泡确定了PCL-diCOOH的部分损失，但保持机械性质而不是降解，因为观察到刚度增加而不降低强度。

还进行在循环加载条件下处于压缩的支架的行为的研究，以便得到当加工成多孔形状时SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH三组分材料恢复变形的能力的指示。

该测试在来自TEOS/PCL＝80/20wt％对齐、TEOS/PCL＝80/20wt％移位和TEOS/PCL＝70/30wt％对齐中的每一个的样品上运行。

使(5x5x5)mm³的立方体支架经受10个循环，全都在相等条件中。实验被应变控制以便压缩每个样品高达其初始高度的20％(即常规应变)，这对应于失效ε_c的～50-60％；加载和卸载步骤两者以相等速度0.5毫米/分钟进行。在每个循环之间，编程30秒的停留时间，以让样品在每个加载循环后恢复变形。该实验遵循的循环加载方案的示意图在图10中示出，并且结果在图11中示出，其中a)TEOS/PCL＝80/20wt％对齐，b)TEOS/PCL＝80/20wt％移位，和c)TEOS/PCL＝70/30wt％对齐。

根据图11中所示的图，显而易见的是三个支架示出具有不同应力-应变行为的第一循环，随后九个循环几乎重叠。第一循环的差异在80/20wt％样品中更明显，同时对于70/30wt％较不显著。除了第一循环之外，在所有其它循环中观察到加载和卸载之间的小滞后；然而选择的停留时间(30秒)对于样品足够完全恢复变形，这就是为什么在不同循环之中，加载和卸载部分额总是基本上重叠的原因。还应注意到，所有支架在实验结束后恢复其原始形状。

这些结果表明，支架在选择的应变水平下能够恢复其形状，证实不同循环之间的可忽略的能量损失。有鉴于此，认为在溶胶-凝胶内的共价化学键合起重要作用，这保证了堆叠层之后的连续。这种连续(支柱之间的融合和不存在分立界面)可通过SEM确认，其中支柱之间的界面时不可观察到的。在支柱之中不存在界面允许支架表现为维持杂化块特征的唯一相。

不希望受理论限制，假设异常的第一循环来源于两种效应的组合。首先，在压缩下，由于支架的不完美规则结构，可发生单个不稳定支柱的破裂，产生肉眼不可检测到的小缺陷。证明这些不显著影响机械性能。第二因素可归因于以纯弹性体为特征的特性，其中SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化材料分享其机械性能，即马林斯效应(Mullins Effect)，这是由于硬结构域转变成软结构域的机械应力软化，这决定与加载相比，在卸载上的应力减小，从而引起滞后。研究已证明这种现象大部分发生在大应变循环加载测试中，在前几个循环中，特别是第一循环，并且在后续循环中几乎可忽略。在所有另外九个循环中存在滞后是粘弹性行为的指示，因为这意味着材料在恢复变形中具有相位滞后(延迟)。对于这些支架，这仍然是非常小的并且无论如何可认为对于支架应用是有益的，因为其较大程度上类似于软骨所呈现的。

总之，压缩测试示出，由于对无机/有机比率的控制，杂化材料的多功能性可与3D打印的多孔支架的设计的可定制性相结合。杂化组合物的当前调整、支柱的对齐、孔隙百分比和尺寸允许匹配最终应用所需的性质。

细胞附着和软骨细胞分化(21天时间点)测试也示出在杂化3D打印支架的生物学行为方面非常有希望的结果。

用ATDC5(鼠软骨细胞系)在参考3D打印支架(30wt％SiO₂-对齐，5×5×5mm³)上进行细胞附着和软骨细胞分化的分析。在细胞接种之前，通过在70％乙醇中浸泡<5分钟对样品进行灭菌。细胞骨架成分，微管蛋白(微管)和F-肌动蛋白(微丝)在培养72小时后在ATDC5细胞中免疫结合，证明功能细胞附着在支架上。第21天接种细胞的构建体的免疫组织化学分析证明Sox9(软骨形成分化的标记物)、Aggregan(软骨基质组分的标记物)和II型胶原蛋白(其是透明软骨特异性标记物)的强烈表达。I型胶原蛋白(纤维软骨或骨表型的标记物)的表达可忽略不计，以及X型胶原蛋白(软骨细胞肥大的标记物)的表达缺乏(钙化事件之一)示出该构建体具有稳定的关节软骨表型。

实例10：接合单块和支架以获得骨软骨装置：

本文所述的杂化材料合成的多功能性允许合成待组合的大块样品和3D打印的多孔支架，以便不仅实现两种材料形式的物理堆叠，还实现真正化学键合，在真正化学键合后通过SEM不可见接合的组件之间的界面。这种方法可用于制备由覆盖致密单块层的支架组成的骨软骨装置，用于治疗骨软骨缺陷。

在以下合成过程中使用由80/20wt％的TEOS/PCL(使用Mw＝530Da的PCL)比率制成的三组分SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH体系，以便提供可生物降解性：

1)如先前实例(即实例5)中所报告制备溶胶以制成大块样品，浇注并允许胶凝化。

2a)打印支架并将其放置在步骤1)中制备的湿凝胶上，然后如先前实例(即实例8)中所述老化和干燥。

2b)2a)的替代方案，直接在湿大块凝胶上打印支架，然后如先前实例(即实例8)中所述老化和干燥。

方法2a)比2b)均实现支架支柱与致密单块之间的优异键合。

支架和大块之间的化学键合通过SEM分析确认，其在致密单块和支架的第一层的支柱之间的融合(无明显界面)是明显的(参见图12)。

实例11：无机部分中含有Ca和P的杂化物的合成

以如实例4所述的用于制备三组分SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH杂化材料的路线的修改方案制备含有Ca和P的样品，包括甲氧基乙醇钙(CME)作为Ca源和任选的磷酸三乙酯(TEP)作为P源。

无机溶液的制备：

CME按照Yu等人.钙源对溶胶-凝胶衍生生物活性玻璃结构和性能的影响(Effectof Calcium Source on Structure and Properties of Sol-Gel Derived BioactiveGlasses)，《朗缪尔(Langmuir)》2012,28,17465-17476描述的方法制备。

然后将TEOS、CME和TEP在室温下在连续搅拌下混合至少3小时。通过实验制备以下摩尔比：

1)TEOS/CME＝SiO₂/CaO＝60/40摩尔比

2)TEOS/CME/TEP＝60/36/8摩尔比，以获得SiO₂/CaO/P₂O₅＝60/36/4摩尔比

3)TEOS/CME/TEP＝60/32/16摩尔比，以获得SiO₂/CaO/P₂O₅＝60/32/8摩尔比

4)TEOS/CME/TEP＝60/28/24摩尔比，以获得SiO₂/CaO/P₂O₅＝60/28/12摩尔比

(注意-1摩尔TEOS得到1摩尔SiO₂；1摩尔CME给出1摩尔CaO；2摩尔TEP得到1摩尔P₂O₅，因为TEP仅有1个P)

原位CROP+杂化物合成

从开始混合TEOS、CME和任选的TEP开始至少1小时后，如实例4中所述制备有机源溶液(含有PCL-二COOH、THF、GPTMS，BF₃·OEt₂)(制备30分钟，然后在室温下连续搅拌下搅拌1.5小时)。在所有实例中，计算不同试剂的量以使TEOS/PCL-diCOOH＝80/20％w/w％。

杂化溶胶的形成

然后将两种溶液(无机和有机)混合在一起并在室温下搅拌1小时以形成杂化溶胶。

向溶液中添加去离子水和2M硝酸(2M HNO₃)，然后在室温下在密封容器中搅拌20-30分钟。水含量计算为水解TEOS和GPTMS所需的化学计量的总和，这意味着H₂O:TEOS＝4:1摩尔比和H₂O:GPTMS＝3:1摩尔比；以2M HNO₃:水＝1:6％V/V的浓度添加2M HNO₃。该步骤也可在不同的水含量(例如较低的水含量)下进行，以控制凝胶化速度。

大块样品的形成

为了获得大块样品，将溶胶浇注到具有所需形状(例如圆柱体、圆盘)的PTFE容器中，密封并在40℃下放置三天：该步骤允许凝胶化(在1-24小时之间发生，取决于THF的起始量)和随后的老化以巩固杂化网络。三天后，盖子松开，样品在2-4周内在40-60℃下干燥，这取决于形状和起始THF的量：较厚的样品需要更长时间并且更小心地干燥以便避免因溶剂蒸发过快而开裂。当完全干燥时，将样品从烘箱中取出并最后用去离子水冲洗，以除去反应副产物，并用于进一步的表征。对于前面的实例，TGA证实无机/有机比率(再次证明有机组分的量高于预期，与PTHF的形成一致)；FTIR证明PTHF的存在；压缩测试表明材料坚韧(比没有Ca和P的样品柔韧性差，但更强)；降解测试示出比仅含SiO₂的材料更快和更一致的降解，因为通过添加Ca(和P)，无机部分可生物吸收；生物活性测试表明，通过XRD分析证实，在SBF中仅3天后，Ca(和P)的存在使材料具有生物活性，伴有磷灰石样沉积；使用和成骨细胞细胞系进行的3天细胞附着测试给出了有希望的结果。

实例12：用¹H-NMR测试和检查阳离子开环聚合的替代方案

按照类似于实例3中所述的程序，对THF+GPTMS+BF₃OEt₂(+TEOS)(+PCL-diCOOH)体系的以下改变也观察到发生CROP，如用¹H-NMR确认：

·环状单体(THF的替代物)：

-1,4二恶烷

-ε-己内酯

-四氢吡喃

-3,6-二甲基-1,4-二恶烷-2,5-二酮(也称为丙交酯)，氯仿用作溶剂，因为它是固态单体

-THF和ε-己内酯(2种单体的共聚合)

·催化剂(BF₃OEt₂的替代物)：

-三氟甲磺酸钪(III)(Sc(OTf)₃)

-三氟甲磺酸镱(III)(Yt(OTf)₃)

-三甲基甲硅烷基三氟甲烷磺酸酯(TMSOTf)

·环氧化物(GPTMS的替代物)：

-缩水甘油基甲基醚

-双酚A二缩水甘油醚

-1,4-丁二醇二缩水甘油醚

·D-COOH(PCL-diCOOH的替代物)：

-丙酸(CAS 79-09-4)→具有3C的羧酸(丙酸)

-己二酸(CAS 124-04-9)→具有6C的二羧酸(己二酸)

-十六烷二酸(CAS 505-54-4)→具有16C的二羧酸(tapsic酸)

-间苯二甲酸(CAS 121-91-5)→苯-1,3-二羧酸

-邻苯二甲酸(CAS 88-99-3)→1,2-苯二甲酸(间苯二甲酸的异构体)

-聚(乙二醇)双(羧甲基)醚(CAS 39927-08-7)

·S(TEOS的替代物)：

-(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(CAS 4420-74-0)。

Claims

1.一种生产包含聚合组分的无机/有机杂化材料的方法，所述聚合组分通过含有至少一个环杂原子的环状单体的开环聚合形成，所述方法包含：

(i)任选地在溶剂存在下，形成包含环状单体和包含环氧环和无机组分的环氧化合物的反应混合物，其中所述环氧化合物是有机硅环氧化物；

(ii)向所述反应混合物中添加催化剂以活化所述环氧化合物并引发所述环状单体的阳离子开环聚合；和

(iii)使在步骤(ii)中形成的反应混合物水解和缩合，以产生无机/有机杂化材料，其中所述材料包含所述环氧化合物的至少一种组分与所述聚合组分之间的共价键，并且

其中所述环状单体是四氢呋喃(THF)、四氢吡喃、四氢噻吩、ε-己内酯、β-丙内酯、γ-丁内酯、对二恶烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、2-吡咯烷酮(2-Pyrr)、3,6-二甲基-1,4-二恶烷-2,5-二酮、γ-硫代丁内酯、ε-己内酰胺、2-甲基-2-恶唑啉、3-苄基-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BOT)、3-苄基四氢-1,3-恶唑烷-2-硫酮(BTOT)、环状硅氧烷或其混合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过向在步骤(ii)中形成的反应混合物中添加酸和水来实现所述水解和缩合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包含向所述反应混合物中添加另外的二氧化硅源。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述环氧化合物是(环氧烷基)烷氧基硅烷。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述环氧化合物选自(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)；(3-缩水甘油氧基丙基)三乙氧基硅烷(GPTES)；3-(缩水甘油氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷(GPMDES)；2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(TRIMO)；(3-缩水甘油氧基丙基)-二甲基乙氧基硅烷(GPMES)；β-(3,4-环氧环己基)乙基三乙氧基硅烷(EEES)；β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷(EEMS)；及其混合物。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂选自布朗斯台德酸、路易斯酸、碳鎓离子、鎓离子或其混合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂选自三氟化硼(BF₃)；三氟化硼配合物；氯化铁(III)(FeCl₃)；氯化锡(IV)(SnCl₄)；五氟化锑(SbF₅)；氟代硫酸(FSO₃H)；三氟甲磺酸(CF₃SO₃H)；四氟硼酸盐(HBF₄)；三氟甲磺酸钪(Sc(OTf)₃)；三氟甲磺酸镱(Yt(OTf)₃)；三氟甲磺酸三甲基硅酯(TMSOTf)；辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)；硫酸(H₂SO₄)；氯化铝(AlCl₃)；及其混合物。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂为三氟化硼与甲醇、THF或甲基硫醚的配合物。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是三氟化硼乙醚络合物(BF₃·OEt₂)。

10.根据前述权利要求中一项所述的方法，其中所述方法包含在添加催化剂之前向所述反应混合物中添加羧酸，并且其中所述材料进一步包含由所述羧酸形成的有机组分。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述羧酸是式(HO₂C)-Y-(CO₂H)_n的羧酸或其二聚物、三聚物或聚合物，其中Y是：

任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基部分；

包含选自任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基的两种或更多种组分的组合的部分；或

包含一种或多种聚合组分，任选地连同包含一种或多种任选地经取代的脂肪族、杂脂肪族、芳基或杂芳基组分的部分；

其中n是至少1的整数。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述羧酸是：

下式的聚己内酯二羧酸(PCL-diCOOH)：

其中X是

并且每个n为1或更大的任何整数值；

十六烷二酸；己二酸；苯-1,2-二羧酸；苯-1,3-二羧酸；苯-1,4-二羧酸；丙酸；

聚(乙二醇)双(羧甲基)醚；聚谷氨酸；或其混合物。

13.根据权利要求3所述的方法，其中所述另外的二氧化硅源是烷基烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷或其混合物。

14.根据权利要求13所述的方法，包含在添加到所述反应混合物中之前水解所述另外的二氧化硅源。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包含向所述反应混合物中添加一种或多种氧化物或氧化物前体。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述一种或多种氧化物或氧化物前体与另外的二氧化硅源一起添加。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述单体是THF，所述环氧化合物是(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)，向所述反应混合物中添加羧酸，并向所述反应混合物中添加另外的二氧化硅源。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述羧酸是下式的聚己内酯二羧酸(PCL-diCOOH)：

其中X是

并且每个n为1或更大的任何整数值；

并且所述另外的二氧化硅源是四乙氧基硅烷(TEOS)。

19.根据权利要求18所述的方法，其中TEOS相对于PCL-diCOOH的比例为最多95％w/w。

20.根据权利要求19所述的方法，其中TEOS相对于PCL-diCOOH的比例为最多90％w/w。

21.根据权利要求20所述的方法，其中TEOS相对于PCL-diCOOH的比例为5-90％w/w。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述单体是THF，所述环氧化合物是(3-缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)，不向所述反应混合物中添加羧酸，并向所述反应混合物中添加另外的二氧化硅源。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述另外的二氧化硅源是四乙氧基硅烷(TEOS)。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述杂化材料的无机含量为2-70wt％。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述杂化材料的无机含量为2-65wt％。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述杂化材料的无机含量为2-40wt％。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述杂化材料的无机含量为10-30wt％。

28.根据权利要求24所述的方法，其中所述杂化材料的无机含量为15-20wt％。

29.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法用于生产无机/有机杂化材料，该材料呈包含至少两个具有不同无机含量的区域的样品的形式，其中所述方法包括通过连续打印或浇注两种或更多种反应混合物来形成所述样品，其中所述两种或更多种反应混合物中的每一种具有不同组分比率，以便产生具有不同无机含量的杂化材料区域。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述方法用于生产无机/有机杂化材料，该材料呈包含从样品的一个区域向该样品的另一个区域下降的无机含量梯度的样品的形式。

31.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包含3D打印所述材料。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述方法进一步包含在低于-40℃的温度下存储所述材料，其中存储在3D打印所述材料之前进行。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述方法包含在低于-80℃的温度下存储所述材料，其中存储在3D打印所述材料之前进行。

34.一种材料，通过根据权利要求1至33中任一项所述的方法获得。

35.一种装置，包含根据权利要求34所述的杂化材料。

36.根据权利要求35所述的装置，其中所述装置包含呈大单块、多孔支架或其组合形式的杂化材料。

37.根据权利要求35所述的装置，其中所述装置包含键合到呈多孔支架形式的一部分杂化材料的呈大单块形式的一部分杂化材料。