基于DLP光固化3D打印技術(shù)的工藝分析及性能測(cè)試

烏 蘭，吳曉強(qiáng)

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 工學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)智能制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古通遼 028043）

組織、器官的損傷是嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病之一，組織細(xì)胞都高度依賴分支化血管系統(tǒng)，因此，血管內(nèi)介入是治療此疾病的有效方法之一，傳統(tǒng)的金屬支架手術(shù)復(fù)雜，不可降解，對(duì)人體傷害大，治療效果不好［1-3］。目前，如何實(shí)現(xiàn)血管網(wǎng)絡(luò)的仿生構(gòu)筑，建立與人體相似的組織結(jié)構(gòu)成為人們關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

3D打印技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)控制下，以數(shù)字化模型為依據(jù)，利用逐層堆疊累積的思想，通過(guò)特定材料的逐層固化累加，從而快速得到三維實(shí)體的技術(shù)。3D打印又稱為快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù)，它改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式，并逐步應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工程以及生物組織等領(lǐng)域，具有生產(chǎn)效率高、制造成本低等特點(diǎn)［4-5］。生物3D打印為再生醫(yī)學(xué)提供了全新個(gè)性化定制方案，獲得持續(xù)廣泛的研究，在組織工程領(lǐng)域顯示出了良好的應(yīng)用前景，例如在軟骨、皮膚和血管組織等仿生組織上的應(yīng)用。生物3D打印能夠根據(jù)個(gè)體病變位置定制打印方案，由于采用具有良好的生物相容性和可降解性的可交聯(lián)生物材料，可以實(shí)現(xiàn)材料與患者病變部位的完美匹配，為支架實(shí)現(xiàn)血管化和血管網(wǎng)重構(gòu)提供了新的手段，給組織器官臨床修復(fù)帶來(lái)了新的契機(jī)。

根據(jù)成型工藝可將生物3D打印技術(shù)分為以下幾種：激光粉末燒結(jié)法、疊層實(shí)體制造、光固化立體成型以及熔融沉積成型等［6］，不同成型技術(shù)特點(diǎn)各不相同，具體見(jiàn)表1。

表1 生物3D打印技術(shù)類型與特點(diǎn)Tab.1 Types and characteristics of biological 3D printing technology

生物3D打印主要分為放射成像、數(shù)據(jù)處理和快速原型3個(gè)步驟。以脊骨3D打印模型為例，首先提取患者CT等影像學(xué)數(shù)據(jù)，然后把圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)入到軟件中進(jìn)行三維建模，建立3D模型，最后通過(guò)打印策略進(jìn)行3D打印成型（圖1）。

圖1 脊骨3D模型Fig.1 3D model of spine

在3D打印過(guò)程中，打印速度和精度是影響細(xì)胞存活率的重要指標(biāo)。因此，打印復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)常采取模塊化組裝策略，以保證細(xì)胞較高存活率，在保證細(xì)胞存活率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建微觀基本單元。另外，由于細(xì)胞對(duì)生存環(huán)境要求較高，作為生物3D打印的生物材料不僅要考慮與活體細(xì)胞的生物相容性，還要考慮生物材料的可降解性和力學(xué)性能。但是目前而言，3D生物打印技術(shù)尚未成熟，合理及標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)建策略還需要不斷成熟和完善。

光固化成型是目前較為成熟的3D打印技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是利用材料的累加成型，將一個(gè)立體的三維實(shí)體模型利用切片軟件切成二維薄片，然后以一定波長(zhǎng)的光束掃描液態(tài)光敏樹(shù)脂，使其逐層固化成型，最后層層疊加得到實(shí)體材料。目前，市面上常見(jiàn)的光固化打印機(jī)主要有SLA光固化3D打印機(jī)、DLP光固化3D打印機(jī)和LCD光固化3D打印機(jī)3種，其中，DLP屬于第二代光固化成型技術(shù)，具有成型速度快、應(yīng)用材料廣及打印精度高等特點(diǎn)，發(fā)展前景更為廣闊。其工作原理見(jiàn)圖2［7-8］。

圖2 DLP 3D打印工作原理Fig.2 Working principle of DLP 3D printing

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及材料 目前，可用于制造血管支架的生物可降解聚合物主要包括聚乳酸、聚左旋乳酸、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚己內(nèi)酯等，不同材料具有不同的力學(xué)性能和生物學(xué)性能。在傳統(tǒng)3D打印中，聚乳酸因其良好的生物相容性而普遍應(yīng)用，但該材料的強(qiáng)度與韌性相對(duì)較差，脆且硬，抗沖擊強(qiáng)度較低。因此，目前通常將聚乳酸與其他材料共混、共聚形成新的聚合物，使聚乳酸的成分發(fā)生改變，得到力學(xué)性能更好的聚合物［9］。

筆者以聚乳酸和聚左旋乳酸為打印材料，分析二者在不同參數(shù)條件下的力學(xué)性能。所用設(shè)備型號(hào)為BDP-10型DLP生物3D打印機(jī)，其功率為300 kW，分辨率為±50μm，波長(zhǎng)范圍為400～600 nm（圖3）。

圖3 DLP生物3D打印機(jī)Fig.3 DLP biological 3D printer

1.2 血管支架3D打印 在三維軟件中建立管狀血管支架模型，設(shè)筋款與筋厚相同，均為0.15 mm，支架內(nèi)徑為2 mm，并進(jìn)行DLP打印，打印結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 血管支架3D模型Fig.4 3D model of vascular stent

2 結(jié)果與分析

采用平面壓縮法和三點(diǎn)彎曲法，對(duì)不同直徑和壁厚的血管支架進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，以分析驗(yàn)證不同參數(shù)對(duì)血管支架徑向支撐性能及縱向柔順性能的影響規(guī)律［10］。試驗(yàn)采用UTM6104型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行樣件的力學(xué)性能測(cè)試（圖5）。試驗(yàn)參數(shù)正交方案見(jiàn)表2。

圖5 測(cè)試設(shè)備Fig.5 Test equipment

表2 不同血管支架參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal experimental schemes for different vascular stents parameters

測(cè)試完成后，得到不同參數(shù)條件下血管支架的力學(xué)性能，分別用徑向支撐力以及彎曲剛度來(lái)表征，徑向支撐力表征了血管支架的抗壓縮性能，彎曲剛度則表征血管支架的柔順性，詳見(jiàn)表3。

表3 不同參數(shù)條件血管支架的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of vascular stents under different parameters

由于添加的材料能夠減小分子之間的相互作用力，使材料的變形能力得到一定程度的提升，使得聚左旋乳酸血管支架的彎曲剛度較小。同時(shí)，相比聚乳酸，復(fù)合材料聚左旋乳酸血管支架的徑向支撐力更大，說(shuō)明復(fù)合材料的抗壓縮性能更好。

3 結(jié)論

分析了DPL光固化3D成型方法的原理與特點(diǎn)，對(duì)采用聚乳酸和聚左旋乳酸2種材料進(jìn)行了血管支架打印試驗(yàn)，并通過(guò)不同參數(shù)條件對(duì)不同2種材料的支架力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。研究結(jié)果表明，在支架壁厚和直徑相同的條件下，復(fù)合材料聚左旋乳酸血管支架的支撐力和縱向柔順性好，具有更好的彈性。