海藻酸鈣水凝膠噴射式生物3D 打印工藝研究

連 芩，焦 天，連偉龍，嚴(yán)峻騰，王永輝，關(guān)志強(qiáng)

（ 1. 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2. 國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)用增材制造器械研究與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3. 西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)外科中心，陜西 西安 710004 ）

相比于其他生物3D 打印技術(shù)， 噴墨打印技術(shù)具有高速、高精度、非接觸的特點(diǎn)[1-3]，在制造空間分辨率高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)上有非常大的優(yōu)勢(shì)[4-5]，近年來(lái)被廣泛用于組織工程的研究中[6-15]。

現(xiàn)有的噴墨打印方法包括單組分噴墨打印和雙組分噴墨打印兩種。 目前研究較多的是單組分噴墨打印法，其是將生物墨水液滴直接打印到交聯(lián)溶液中進(jìn)行固化的方法[11，16-17]。 一方面，單組分噴墨打印的液滴在交聯(lián)溶液中運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，路徑與形狀難以精確控制，從而導(dǎo)致液滴的成形精度和位置精度不穩(wěn)定；另一方面，為了保持交聯(lián)溶液中離子的濃度，需要不斷地更換交聯(lián)溶液， 不僅會(huì)造成材料的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致制造工藝更加復(fù)雜。 有研究通過(guò)雙組分噴墨打印的方法構(gòu)建生物組織，即通過(guò)雙噴頭噴射相互交聯(lián)的兩種溶液到同一位置的方法打印生物組織[7，9，18]。相比于單組分噴墨打印，雙組分噴墨打印更有利于控制墨水液滴的成形，同時(shí)也更節(jié)約材料，但雙組分噴墨打印工藝要求雙組分液滴精確地噴射到同一位置，對(duì)打印的精度和工藝的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域的噴墨打印技術(shù)最終將面對(duì)臨床的需求，所以不僅要求打印技術(shù)具有較高的成形精度和分辨率，而且要求有較高的成形效率和自動(dòng)化程度，在有效的時(shí)間內(nèi)打印出可移植的組織或器官。 然而，目前的噴墨打印噴頭通常只有一個(gè)或幾個(gè)噴嘴，成形效率低，而且需要大量的時(shí)間規(guī)劃打印路徑，自動(dòng)化程度低、打印周期長(zhǎng)[19-20]，開(kāi)發(fā)一種高精度、高效率、自動(dòng)化的雙組分噴墨打印方法顯得很有必要。

本研究提出了一種雙噴嘴噴射式生物3D 打印水凝膠的方法。 以海藻酸鈉和氯化鈣溶液作為雙組分溶液，研究了溶液組分、黏度、表面張力等流變特性與噴射性能的關(guān)系，確定了適合噴墨打印的最佳液體濃度和制備工藝， 并研究了驅(qū)動(dòng)電壓幅值、打印頻率與墨水噴射性能的關(guān)系，獲得了雙組分多噴嘴噴墨3D 打印工藝參數(shù)。 在此基礎(chǔ)上，采用獲得的工藝參數(shù)進(jìn)行水凝膠支架的打印，探索雙噴嘴噴射式生物3D 打印水凝膠的方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織工程支架的一體化制造方面的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 雙組分多噴嘴噴墨3D 打印系統(tǒng)

根據(jù)雙組分多噴嘴噴墨3D 打印方法搭建了圖1 所示的3D 打印系統(tǒng)，該打印系統(tǒng)可根據(jù)打印模型自動(dòng)化的控制平行排列的兩排壓電噴嘴噴射兩種組分溶液到同一位置，通過(guò)兩種組分溶液的快速交聯(lián)固化制造水凝膠支架。 該系統(tǒng)搭載了兩個(gè)多噴嘴噴頭，每個(gè)噴頭有512 個(gè)直徑42 μm 的噴嘴，兩種墨水可以通過(guò)氣動(dòng)壓力分別供給到兩個(gè)噴頭處，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力獲得最佳的噴射彎液面。 三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以帶動(dòng)噴頭實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三坐標(biāo)方向200 mm×200 mm×100 mm 范圍的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度為1 μm。三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)噴頭的噴射都可以通過(guò)噴頭控制軟件進(jìn)行控制， 噴頭的驅(qū)動(dòng)電壓波形、電壓幅值、打印頻率、噴頭的誤差補(bǔ)償參數(shù)和每一個(gè)噴嘴的開(kāi)關(guān)都可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置，自動(dòng)、高效地打印大尺寸水凝膠支架。

圖1 雙噴嘴噴墨3D 打印系統(tǒng)

1.2 打印墨水制備

本研究選擇海藻酸鈉（NaAlg）和氯化鈣（CaCl2）溶液作為打印材料。 為了確定適合打印的溶液濃度和制備工藝，對(duì)不同濃度和制備方案下海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的流變特性進(jìn)行分析測(cè)試。

室溫下， 將海藻酸鈉粉末溶于磷酸鹽緩沖液（DPBS）中，以400 r/min 轉(zhuǎn)速磁力攪拌12 h，制備成質(zhì)量濃度為10、20、30、40、50、60、70、80 g/L 的海藻酸鈉DPBS 水溶液；隨后，將配制好的海藻酸鈉溶液放入立式壓力蒸汽滅菌器中加熱到125 ℃并維持25 min，待溶液冷卻至室溫后測(cè)量黏度和表面張力；為避免溶液中的顆粒物堵塞噴嘴， 使用孔徑1 μm的濾膜對(duì)溶液進(jìn)行抽濾。

室溫下，將氯化鈣粉末溶于超純水中，以轉(zhuǎn)速200 r/min 磁力攪拌30 min，制備成質(zhì)量濃度分別為10、20、30、40、50、60、70、80 g/L 的溶液；再在氯化鈣水溶液中加入體積分?jǐn)?shù)0.01%含氟非離子表面活性劑FC-4430，以轉(zhuǎn)速200 r/min 磁力攪拌30 min；最后采用孔徑1 μm 的濾膜對(duì)溶液進(jìn)行抽濾， 避免溶液中的顆粒物堵塞噴嘴。

1.3 雙組分噴射工藝研究

1.3.1 流變特性

噴墨打印的溶液必須滿(mǎn)足一定的流變特性才可能從噴嘴噴出。 Derby 曾對(duì)噴墨打印的噴射原理進(jìn)行了研究，得到以下公式[25]：

式中：γ 為液體的表面張力，N/m；ρ 為液體的密度，kg/m3；α 為噴嘴直徑，m；η 為液體的黏度，Pa·s。

當(dāng)Z＜1 時(shí)，溶液無(wú)法噴射；當(dāng)Z 值在1～10 時(shí)，溶液滿(mǎn)足噴射的流變特性需求；當(dāng)Z＞10 時(shí)，噴射時(shí)會(huì)形成大量衛(wèi)星液滴。

采用數(shù)顯黏度計(jì)和全自動(dòng)表面張力儀測(cè)試了質(zhì)量濃度10～80 g/L（間隔10 g/L）的海藻酸鈉溶液在高溫處理前、高溫后過(guò)濾前、高溫后過(guò)濾后的黏度與表面張力，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差；同時(shí)也測(cè)量了質(zhì)量濃度10～80 g/L（間隔10 g/L）的氯化鈣溶液在加入表面活性劑前、加入表面活性劑后過(guò)濾前和加入表面活性劑后過(guò)濾后的黏度與表面張力，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差。 計(jì)算不同濃度和工藝條件下兩種溶液的Z值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 噴射性能

打印墨水的濃度、驅(qū)動(dòng)電壓幅值和打印頻率是影響墨滴噴射與成形的關(guān)鍵因素[21-24]。 首先研究溶液濃度對(duì)噴射性能的影響，電壓幅值和打印頻率分別設(shè)置為80 V 和1 kHz， 測(cè)試質(zhì)量濃度30～50 g/L（間隔10 g/L）的海藻酸鈉溶液和10～80 g/L 的氯化鈣溶液的噴射性能。 將上述濃度的海藻酸鈉和氯化鈣溶液分別噴射到不同的玻璃基板上，計(jì)算基板上墨滴的數(shù)目和噴嘴數(shù)的比值為溶液的出墨率，確定具有最高出墨率的溶液濃度。

接下來(lái)研究打印工藝參數(shù)對(duì)噴射性能的影響。使用質(zhì)量濃度為40 g/L 的海藻酸鈉溶液和40 g/L的氯化鈣溶液，電壓幅值分別設(shè)定為50、60、70、80、90、100、110、120、130 V，打印頻率分別設(shè)定為0.2、5、10、15、20、25、30、35、40 kHz，測(cè)試不同電壓幅值和打印頻率下海藻酸鈉和氯化鈣溶液的出墨率，確定兩種溶液出墨率均在95%以上的電壓幅值與打印頻率范圍。

1.4 水凝膠支架打印

為驗(yàn)證雙組分多噴嘴打印方法的可行性，設(shè)計(jì)了帶有流道的60 mm×30 mm×1 mm 矩形水凝膠支架模型。 在計(jì)算機(jī)的軟件打印頁(yè)面設(shè)定打印電壓幅值80 V、 打印頻率2 kHz， 使用質(zhì)量濃度為40 g/L的氯化鈣和40 g/L 的海藻酸鈉溶液作為雙組分墨水，進(jìn)行水凝膠支架的打印。 并對(duì)打印的凝膠支架的成形效率、材料利用率進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶液的雙組分噴射工藝流變特性

2.1.1 海藻酸鈉溶液

圖2 和圖3 分別是質(zhì)量濃度為10～80 g/L（間隔10 g/L）的海藻酸鈉溶液在攪拌后、高溫處理后和在1 μm 濾膜高溫過(guò)濾后的黏度與表面張力。 如圖2所示，在所有的工藝條件下海藻酸鈉溶液的黏度隨濃度增加而顯著升高，高溫處理前海藻酸鈉溶液由于黏度過(guò)高而不具備噴墨打印的理論要求，高溫處理后各濃度的海藻酸鈉溶液黏度急劇下降，部分溶液在理論上滿(mǎn)足噴墨打印的要求，且高溫過(guò)濾后黏度并未發(fā)生明顯變化。 如圖3 所示，不同的工藝條件下的海藻酸鈉溶液表面張力隨濃度的提高緩慢降低，通過(guò)高溫處理海藻酸鈉溶液表面張力有輕微降低，但過(guò)濾處理后，表面張力有所提高。

圖2 海藻酸鈉溶液黏度隨濃度變化曲線

圖3 海藻酸鈉溶液表面張力隨濃度變化曲線

圖4 是根據(jù)噴射性能計(jì)算公式計(jì)算的不同濃度和工藝條件下海藻酸鈉溶液的Z 值。 可看出，高溫處理前只有質(zhì)量濃度10g/L 和20 g/L 的海藻酸鈉溶液在理論上滿(mǎn)足噴墨打印的要求，但此況下溶液的Z 值較低，可能會(huì)造成噴頭堵塞；在高溫處理后，質(zhì)量濃度30、40、50、60 g/L 的海藻酸鈉溶液在理論上滿(mǎn)足噴墨打印要求，且過(guò)濾前后的海藻酸鈉溶液Z 值變化不大。結(jié)果表明，高溫處理能顯著改善海藻酸鈉溶液的打印性能，過(guò)濾處理對(duì)海藻酸鈉溶液的打印性能無(wú)明顯影響。 考慮到過(guò)濾處理后60 g/L 海藻酸鈉溶液Z 值較低可能會(huì)造成噴頭堵塞，所以選擇質(zhì)量濃度30、40、50 g/L 的海藻酸鈉溶液進(jìn)行后續(xù)的噴射性能研究。

圖4 海藻酸鈉溶液Z 值

2.1.2 氯化鈣溶液

圖5 和圖6 分別是質(zhì)量濃度為10～80 g/L（間隔10 g/L）的氯化鈣溶液在攪拌后、加入表面活性劑后和1 μm 濾膜過(guò)濾后的黏度與表面張力。如圖所示，各種工藝條件下不同濃度的氯化鈣溶液黏度并無(wú)明顯差異，但在添加表面活性劑后氯化鈣溶液的表面張力顯著下降，且過(guò)濾處理對(duì)氯化鈣溶液表面張力無(wú)明顯影響。

圖5 氯化鈣溶液黏度隨濃度變化曲線

圖6 氯化鈣溶液表面張力隨濃度變化曲線

圖7 是根據(jù)噴射性能計(jì)算公式計(jì)算的不同濃度和工藝條件下氯化鈣溶液的Z 值。 可看出，各種工藝條件下的氯化鈣溶液Z 值均較高，但加入表面活性后，Z 值比較接近噴墨的理論區(qū)間，在該種情況下氯化鈣溶液從理論上而言會(huì)伴隨出現(xiàn)衛(wèi)星液滴噴射。

圖7 氯化鈣溶液Z 值

2.2 不同參數(shù)的雙組分噴射工藝噴射性能

2.2.1 不同濃度

圖8 是在電壓幅值80 V、 打印頻率1 kHz 時(shí)，質(zhì)量濃度30～50 g/L（間隔10 g/L）的海藻酸鈉溶液和10～80 g/L（間隔10 g/L）的氯化鈣溶液的出墨率。如圖所示，海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液都在質(zhì)量濃度為40 g/L 時(shí)出墨率最高， 分別達(dá)到98.2%和96.8%。 圖9 是質(zhì)量濃度為40 g/L 的海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的噴射效果， 都能達(dá)到最滿(mǎn)意的效益，所以選擇質(zhì)量濃度40 g/L 的海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液進(jìn)行水凝膠支架打印研究。

圖8 海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的出墨率

圖9 不同溶液的噴射效果

2.2.2 不同電壓幅值和打印頻率

圖10 是質(zhì)量濃度為40 g/L 的海藻酸鈉溶液在不同電壓幅值和打印頻率下的出墨率，可見(jiàn)隨著電壓幅值的升高，出墨率呈現(xiàn)先升后降，隨著打印頻率的升高，出墨率逐漸降低。 總結(jié)可得，在電壓幅值80～120 V、打印頻率0.2～15 kHz 時(shí)，海藻酸鈉溶液可以獲得95%以上的出墨率。

圖10 不同電壓幅值和打印頻率下海藻酸鈉溶液的出墨率

圖11 是質(zhì)量濃度為40 g/L 的氯化鈣溶液在不同電壓幅值和打印頻率下的出墨率，可見(jiàn)隨著電壓幅值的升高，出墨率無(wú)明顯變化，而打印頻率升高到5 kHz 后， 出墨率迅速降低。 在電壓幅值為70～120 V、打印頻率0.2～5 kHz 時(shí)，氯化鈣溶液可以獲得95%以上的出墨率。 由于雙組分噴墨打印水凝膠支架要求兩種溶液的出墨率均須高于95%，適合雙組分噴墨打印水凝膠支架的電壓幅值范圍是80～120 V、打印頻率范圍是0.2～5 kHz。

圖11 不同電壓幅值和打印頻率下氯化鈣溶液的出墨率

2.3 打印水凝膠支架

圖12 是采用2 kHz 的打印頻率打印了200 層，獲得了包含復(fù)雜流道的60 mm×30 mm×1 mm 矩形水凝膠支架，其流道最窄處不足1 mm。 支架采用一體化成形，無(wú)需復(fù)雜的打印步驟，打印用時(shí)344 s，打印過(guò)程中無(wú)材料浪費(fèi)，材料利用率接近100%。

圖12 帶流道矩形水凝膠支架CAD 模型和打印效果

目前噴墨打印技術(shù)打印頻率最高為2 kHz[9，26]，液滴尺寸最大為80 pL[7]，噴嘴數(shù)量最多為4 個(gè)[27-28]，打印效率最高為0.64 μL/s。本研究采用的打印頻率為2 kHz，液滴大小為35 pL，噴孔數(shù)量為512 個(gè)，打印效率為35.84 μL/s， 是目前最高打印效率的56倍。 目前噴墨打印技術(shù)打印的水凝膠支架最大尺寸為37 mm×13 mm[7]，本研究打印的水凝膠支架尺寸較現(xiàn)有噴墨打印的水凝膠支架尺寸顯著提高，這證明雙組分多噴嘴噴墨3D 打印方法與工藝有望應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織工程支架的一體化制造。

3 結(jié)論

本文提出了一種雙噴嘴噴射式生物3D 打印水凝膠的方法，并研究了不同溶液組分、不同打印參數(shù)對(duì)多噴嘴噴墨3D 打印的影響，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)測(cè)試不同濃度海藻酸鈉溶液和氯化鈣雙組分墨水的流變特性與噴射性能，確定了適合噴墨打印的海藻酸鈉溶液和氯化鈣溶液的最佳質(zhì)量濃度均為40 g/L。

（2）通過(guò)測(cè)試不同電壓幅值和打印頻率對(duì)溶液出墨率的影響，確定了雙組分噴墨打印工藝參數(shù)組為電壓幅值80～100 V、打印頻率0.2～5 kHz。

（3）完成了尺寸為60 mm×30 mm×1 mm 海藻酸鈣凝膠支架的打印，支架打印效率為35.84 μL/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有噴墨打印效率，打印的水凝膠支架尺寸較現(xiàn)有的噴墨打印的水凝膠支架尺寸顯著提高，打印材料利用率接近100%， 有望應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織工程支架的一體化制造。