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。其工作原理見圖2[7-8]。
圖2 DLP 3D打印工作原理Fig.2 Working principle of DLP 3D printing
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)果見圖4。
圖4 血管支架3D模型Fig.4 3D model of vascular stent
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,說明復(fù)合材料的抗壓縮性能更好。
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。