PCL 抑菌改性及其在腫瘤放療體位固定器3D 打印中的應(yīng)用

陳海蓮 ，梁宇熙 ，陽范文 ，陳錦龍 ，宋佳奇 ，李榮榮 ，魏悅姿 ，章喜明 ，田秀梅 ，周苗

(1.廣州醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，廣州 511436； 2.廣州醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院，廣州 510500)

目前，臨床治療腫瘤主要有化療、放療和手術(shù)切除等方法[1–2]。其中，放療具有適應(yīng)癥寬、療效較好等優(yōu)點，在臨床應(yīng)用日益增多。近年來，隨著三維立體定向放療技術(shù)的發(fā)展，普通放療逐步被三維立體高精度定向放療取代，腫瘤放療步入“精確定位、精確計劃、精確放療”的“三精時代”[3–4]?！叭狈暖熞蟛捎昧Ⅲw定向系統(tǒng)，對患者在放療過程中的擺位要求精準度高、可重復性好[5–6]。因此，對患者放療體位附加約束裝置——體位固定器[7–8]，是獲得精準放療的前提。臨床上采用熱塑膜、簡易腹板、乳腺托架等[9–10]進行體位固定時，由于定位裝置與體型匹配度差，定位時存在精準性不佳、重復性不好和舒適性差等不足。

采用3D 打印技術(shù)，根據(jù)患者體型特征和放療部位的定位需求，研發(fā)定位精準和重復性好的體位固定器可滿足“三精”放療的要求[11–12]。聚己內(nèi)酯(PCL)具有良好的柔韌性和可降解性能，是目前用于放療體位固定熱塑膜的主要原材料，對其進行改性可獲得收縮率低、固定效果好的3D 打印材料[13–14]。腫瘤放療過程因患者病情不同，可能需要2~30次不等的放療。體位固定器在醫(yī)院長期存放，存在交叉感染風險。因此，有必要開展體位固定器的抗菌研究。一些研究者采用聚吡咯包覆層狀雙羥基金屬氧化物[15]、銀離子[16]和納米氧化鋅[17]對PCL 進行抑菌改性[15–17]，獲得了較好的抑菌效果。也有一些研究者對PCL 復合材料進行3D 打印研究[18]，以期用于制備骨科用組織工程支架材料。但將PCL進行抑菌改性并通過3D 打印用于制備腫瘤放療防護器具的研究尚未見諸報導。

筆者選用PCL 為基材，以價廉易得的滑石粉和納米氧化鋅分別為填充劑和抑菌劑，通過雙螺桿擠出機進行熔融共混，制備具有抑菌功能、高性價比的3D 打印PCL 改性材料。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)患者體型構(gòu)建3D 模型，采用3D 打印技術(shù)制備定位精準、重復性好的腿腹部放療體位固定器，為腫瘤放療提供一種定位精準、操作方便的新型體位固定器，在腫瘤放療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

PCL：3D 打印級，深圳光華偉業(yè)股份有限公司；

滑石粉：83–15–98GB，廣西龍勝華美滑石粉開發(fā)有限公司；

偶聯(lián)增容改性劑：YY–5021，廣州源泰合成材料有限公司；

納米氧化鋅：LT–95，粒徑5~10 nm，株洲澤湘實業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–1，粒徑 10~20 nm，株洲澤湘實業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–2，粒徑 20~30 nm，株洲澤湘實業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–4，粒徑 40~100 nm，株洲澤湘實業(yè)有限公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機：MEDI–22／40 型，廣州普同實驗分析儀器有限公司；

熱壓成型機：BL–6170–A 型，東莞寶輪精密檢測儀器有限公司；

沖片機：CP–25 型，上海化工機械四廠；

萬能試驗機：CMT40204 型，深圳新三思材料檢測有限公司；

熔體流動速率(MFR)測試儀：MTM1000 型，深圳新三思材料檢測有限公司；

轉(zhuǎn)矩流變儀：RT0I–55／20 型，廣州市普同實驗分析儀器有限公司；

3D 線材擠出成型機：單螺桿直徑20 mm，廣州普同實驗分析儀器有限公司；

3D 精密掃描儀：EinScan Pro 2X 型，杭州先臨三維公司；

3D 打印機：TT1 型，廣州暢德科技有限公司；

超凈工作臺：BCL–1360A／B 型，京北亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司；生物安全柜：BCG601 型，美國BAKER 公司；酶標分析儀：TOM–3MK 型，上海托莫斯科學儀器有限公司。

1．3 PCL 改性材料及試樣制備

將PCL、滑石粉、YY–5021 和納米氧化鋅按照配方設(shè)計稱量，采用雙螺桿擠出機進行熔融共混并造粒，設(shè)置擠出溫度150℃、轉(zhuǎn)速250 r／min。

采用熱壓成型機將上述制備的粒料熱壓成厚度為1 mm 的薄片，設(shè)置熱壓溫度160℃、預熱時間5 min、熱壓時間1 min、冷卻時間2 min。用沖片機制備標準試樣。

1．4 PCL 3D 打印線材制備

采用3D 線材擠出成型機制備PCL 3D 打印線材，設(shè)置溫度 150 ℃、主機轉(zhuǎn)速 50 r／min、牽引速度20 mm／s、收卷張力10%，控制直徑為(1.75±0.05) mm。

1．5 3D 建模和打印

首先，采用高精度3D 精密掃描儀對患者腫瘤放療體位進行掃描，獲得患者待固定體位的3D 掃描圖像。然后，采用3D 軟件進行模型的切割、修飾和融化等操作，根據(jù)患者體位特征開展體位固定器的個性化設(shè)計，構(gòu)建體位固定器的3D 打印模型。

將設(shè)計好的3D 模型轉(zhuǎn)化為切片文件的stl 格式，然后導入3D 打印機，設(shè)置溫度、打印速度和填充度等打印參數(shù)，執(zhí)行打印命令并打印出體位固定器樣品。

1．6 性能測試

(1) PCL 改性材料性能測試。

拉伸性能按 GB／T 1040.3–2006 測試，試樣放置24 h 后，拉伸速率為500 mm／min。

MFR 按 GB／T 3682.1–2018 測試，測試溫度160℃、載荷 2.16 kg。

平衡扭矩通過轉(zhuǎn)矩流變儀測試，稱量48 g 材料加入轉(zhuǎn)矩流變儀中，設(shè)定溫度150℃、轉(zhuǎn)速50 r／min，待扭矩達到平衡后獲得平衡扭矩值。

抑菌性能按 GB／T 31402–2015 測試，測試材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果。

(2) PCL 3D 打印體位固定器性能測試。

耐曲撓性能測試：將固定器彎折90°后復原，如此反復直到出現(xiàn)裂痕，以出現(xiàn)裂痕的彎折次數(shù)評價其耐曲撓性能。

2 結(jié)果與討論

2．1 滑石粉對PCL 改性材料性能的影響

固定YY–5021 含量(均為質(zhì)量分數(shù)，下同)為1%，滑石粉含量分別為0%，10%，20%，30%，40%，研究滑石粉含量對PCL 改性材料流變性能和力學性能的影響。

(1)流變性能。

滑石粉含量對PCL 改性材料MFR 的影響見圖1。由圖1 可見，隨著滑石粉含量增加，改性材料的MFR 呈先增加后下降的變化趨勢。當滑石粉含量為10%時達到最大值2.69 g／10 min，隨后滑石粉含量增加，MFR 不斷降低?？梢园l(fā)現(xiàn)，滑石粉含量從10%增加至40%，MFR 下降明顯，這可能是由于YY–5021 是一種偶聯(lián)增容改性劑，熔融共混過程中能與滑石粉產(chǎn)生偶聯(lián)效應(yīng)，增加滑石粉與PCL 大分子之間的相互纏繞，對大分子運動產(chǎn)生阻礙效應(yīng)，滑石粉含量越多，阻礙效應(yīng)增強，故MFR 降低明顯。

圖1 不同滑石粉含量PCL 改性材料的MFR

滑石粉含量對PCL 改性材料平衡扭矩的影響見圖2。由圖2 可見，隨著滑石粉含量增加，平衡轉(zhuǎn)矩呈先下降后增加的變化趨勢，與MFR 的變化規(guī)律正好相反。當滑石粉含量為10%時，平衡扭矩最小，為3.2 N·m。同樣可以發(fā)現(xiàn)，當滑石粉含量超過10%時，平衡扭矩不斷增加，這也可能是YY–5021 產(chǎn)生的增容偶聯(lián)效應(yīng)阻礙大分子運動的結(jié)果?；厶砑恿吭酱螅璧K效應(yīng)越明顯，流動阻力越大，故平衡扭矩不斷增加。

圖2 不同滑石粉含量PCL 改性材料的平衡扭矩

(2)力學性能。

滑石粉含量對材料的拉伸性能影響見圖3 和圖4。由圖3 可見，隨著滑石粉含量增加，材料的拉伸強度逐步增大，當滑石粉含量為40%時達到最大值23.4 MPa。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是YY–5021 在滑石粉和PCL 基體之間產(chǎn)生了良好的偶聯(lián)增容效應(yīng)，且片狀的滑石粉產(chǎn)生補強效應(yīng)所致。滑石粉含量越高，補強效應(yīng)越明顯，故拉伸強度不斷提高。由圖4可見，隨著滑石粉含量增加，材料的斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。當滑石粉含量為10%時，斷裂伸長率達到最大值813%。隨著滑石粉含量繼續(xù)增加，斷裂伸長率逐步降低?？赡芘c配方中滑石粉含量增加導致的PCL 基體和滑石粉的界面增加從而使產(chǎn)生微裂紋的概率增加有關(guān)，故斷裂伸長率逐步降低。

綜合考慮加工性能和力學性能，當配方中滑石粉含量為10%時為最佳配方。材料的MFR 為2.69 g／10 min、拉伸強度達到 19.4 MPa、斷裂伸長率為813%，完全可以滿足3D 打印體位固定器的要求。

圖3 不同滑石粉含量PCL 改性材料的拉伸強度

圖4 不同滑石粉含量PCL 改性材料的斷裂伸長率

2．2 納米氧化鋅對PCL 改性材料抑菌性能的影響

為了解決體位固定器在醫(yī)院長期存放存在交叉感染風險，在上述滑石粉填充PCL 改性材料最佳配方基礎(chǔ)上，添加納米氧化鋅為抑菌劑，研究四種不同納米氧化鋅對材料抑菌性能的影響，具體配方如表1 所示，抑菌實驗結(jié)果見圖5。從圖5 可知，未添加納米氧化鋅的材料A，在接種金黃色葡萄球菌和大腸桿菌后，從0 h 到48 h，菌落數(shù)量有明顯增加，說明該配方?jīng)]有抑菌效果。而材料B，C，D，E 接種48 h 后，菌落數(shù)量明顯減少，其中在B，C 和E 中觀察到少量的菌落，而在D 中基本沒有看到菌落的存在，說明添加4%的納米氧化鋅(LT–95–2)具有良好的抑菌效果，且經(jīng)流變和力學性能測試發(fā)現(xiàn)4%的納米氧化鋅(LT–95–2)對材料的流變和拉伸性能影響很小。

表1 PCL 抑菌改性材料各組分含量 %

圖5 PCL 抑菌改性材料的抑菌實驗結(jié)果

綜上所述，PCL 抑菌改性材料的最佳配方為：PCL 85%，YY–5021 1%，納 米 氧 化 鋅 (LT–95–2)4%，滑石粉10%。材料的MFR 為2.5 g／10 min、拉伸強度為19.3 MPa、斷裂伸長率為803%。

2．3 體位固定器的3D 打印研究

采用熔融沉積方法打印體位固定器，固定填充度100%、底層打印速度15 mm／s 和底板溫度30℃保持不變，改變打印溫度(200~240℃)和填充打印速度(20~40 mm／s)，考察了不同打印工藝參數(shù)下體位固定器的打印過程以及打印件的外觀、尺寸偏差和曲撓90°不開裂次數(shù)，篩選最佳打印工藝參數(shù)。打印工藝參數(shù)設(shè)置和結(jié)果見表2。

表2 3D 打印工藝參數(shù)與結(jié)果

從表2 可知，打印溫度200℃、填充打印速度20 mm／s 時，3D 打印產(chǎn)品的外觀不良，表現(xiàn)為粗糙和裂紋(見圖6)，曲撓90°不開裂次數(shù)僅為5 次；打印溫度240℃時，容易出現(xiàn)卡料，無法順利打印。在打印溫度220℃條件下，隨著填充打印速度增加，產(chǎn)品的外觀變好，尺寸偏差減小，曲撓90°不開裂次數(shù)增加；當填充打印速度為40 mm／s 時，制備了外觀良好(見圖7)、尺寸偏差≤0.11%和曲撓90°不開裂次數(shù)達到81 次的體位固定器。

綜上所述，體位固定器3D 打印的最佳工藝條件為：打印溫度220℃、填充打印速度40 mm／s、填充度100%、底層打印速度15 mm／s 和底板溫度30℃。

圖6 溫度200℃時3D 打印體位固定器照片

圖7 溫度220℃時3D 打印體位固定器照片

3 結(jié)論

(1)隨著滑石粉含量增加，PCL 改性材料的拉伸強度逐漸增大，MFR 和斷裂伸長率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當滑石粉含量為10%時MFR 和斷裂伸長率到達最大值，分別為2.69 g／10 min 和813%；平衡扭矩隨之呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，當滑石粉含量為10%時到達最小值3.2 N·m。

(2)添加納米氧化鋅 (LT–95–2)的 PCL 抑菌改性材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果最佳，PCL 抑菌改性材料最佳配方為PCL 85%，納米氧化鋅 (LT–95–2) 4%，YY–5021 1%，滑石粉 10%，其 MFR 為 2.5 g／10 min、拉伸強度 19.3 MPa、斷裂伸長率803%。

(3)在打印溫度220℃、填充打印速度40 mm／s 條件下打印出外觀良好、尺寸偏差≤0.11%和曲撓90°不開裂次數(shù)達到81 次的體位固定器。