小型通用生物凝膠三維打印機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 健，袁國棟，郭艷玲

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

生物凝膠3D打印作為材料科學(xué)在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的橋梁，目前正處于快速成長期，是增材制造技術(shù)最具發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一[1]。

目前生物凝膠3D打印機(jī)成型方式主要有噴墨式[2]、激光燒結(jié)式[3]、光固化式[4]和擠出式[5]。其中擠出式生物打印是生物制造和熔融沉積技術(shù)（FDM）相結(jié)合的產(chǎn)物，因其可打印材料范圍廣[6]，工藝可控性強(qiáng)[7]，被廣泛應(yīng)用。

但國內(nèi)現(xiàn)有生物凝膠打印設(shè)備多為自主搭建，用于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，缺乏通用性[8-10]。

因此在擠出式3D生物打印原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可將凝固液霧化后均勻噴灑，用于輔助成型的生物凝膠打印機(jī)。

有效避免了因?yàn)槟桃簢姙⒉痪斐傻某尚腿毕?，同時(shí)對擠出式3D生物打印供液系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，解決了較大尺寸凝膠件打印時(shí)供液量不足的問題，并兼具對硬件和成本需求低，通用性好，易于普及推廣的特點(diǎn)。

2 生物凝膠打印基本原理

生物凝膠打印是3D打印技術(shù)和高分子交聯(lián)原理相結(jié)合的產(chǎn)物，其中交聯(lián)反應(yīng)是高分子溶液通過物理或化學(xué)作用凝膠化的一種常用方法?？纱蛴〉母叻肿尤芤和ㄟ^生物凝膠打印機(jī)噴頭按照預(yù)設(shè)空間軌跡在成型平臺上逐層擠出，與相應(yīng)的凝固液發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為凝膠態(tài)，最終凝膠化成型。

通過大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，可將凝固液充分霧化后均勻地噴灑在打印噴頭所擠出的可打印高分子溶液（打印液）表面，微觀上附著在打印液表面的凝固液分子通過分子鏈間隙逐層滲入，直至打印液由外至內(nèi)完全凝膠化，如圖1所示。

圖1 生物凝膠打印原理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Printing Principle of Bio-Gel

該原理可在打印過程中實(shí)現(xiàn)高分子溶液時(shí)時(shí)連續(xù)凝膠化，從而大幅提高凝膠打印速度。

3 生物凝膠打印機(jī)總體設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)電結(jié)構(gòu)組成

生物凝膠打印機(jī)通過供液系統(tǒng)向打印噴頭輸送打印液，經(jīng)三坐標(biāo)行走機(jī)構(gòu)帶動打印噴頭，按照凝膠成型件各層切片所得的路徑信息在成型室內(nèi)置打印平臺上逐點(diǎn)逐面擠出。

與此同時(shí)，凝固液經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)中的霧化噴頭霧化后均勻噴灑在成形室內(nèi)，與打印液接觸后促使其凝膠化成型。一層打印結(jié)束后，打印噴頭向上移動一個(gè)層厚，在上一層凝膠化表面進(jìn)行下一層凝膠打印，如此反復(fù)，直至得到完整的凝膠成型件，如圖2所示。

圖2 生物凝膠打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Bio-Gel Printer

此外，該生物凝膠打印機(jī)可在常溫下對材料進(jìn)行打印成型，與基于其它成型原理生物凝膠打印機(jī)相比，有效地降低了設(shè)備對硬件的需求和成本。同時(shí)在結(jié)構(gòu)方面該生物凝膠打印機(jī)將成型部分和供液循環(huán)系統(tǒng)中動力部分相互獨(dú)立，有效地避免了供液循環(huán)系統(tǒng)中動力部分工作時(shí)產(chǎn)生的振動對生物凝膠打印精度的影響。

3.2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

生物凝膠打印機(jī)控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、pH溫度檢測系統(tǒng)和人機(jī)交換模塊等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)總體方案Fig.3 Overall Scheme of Control System

該控制系統(tǒng)微處理器采用以ARM-Cortex-M4為內(nèi)核，數(shù)字信號處理能力較強(qiáng)的STM32F407芯片。

該芯片以168MHz 主頻搭載512KB FLAS 內(nèi)存和192KB SRAM靜態(tài)存儲，在兼具低功耗特點(diǎn)的同時(shí)，其高達(dá)210DMIPS運(yùn)算能力完全滿足設(shè)備數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算需要。

并采用嵌入式技術(shù)，以UTAR進(jìn)行通信，以HMI串口屏作為人機(jī)交換的硬件平臺，兼具無PC端，簡單易操作的特點(diǎn)。

另通過TMC2208驅(qū)動芯片對三坐標(biāo)行走機(jī)構(gòu)中各軸和供液系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行驅(qū)動。該芯片內(nèi)部通過差分算法，可將細(xì)分?jǐn)?shù)擴(kuò)展至256細(xì)分，并擁有良好的靜音效果。

4 凝膠三維打印機(jī)主要部件

4.1 成型室

成型室是打印液與凝固液霧化后發(fā)生高分子交聯(lián)凝膠化成型的場所，如圖4所示。

圖4 成型室結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of Forming Cavity

由于打印液和凝固液中均含有酸堿腐蝕成分，選用聚四氟乙烯作為成型室腔體和打印平臺的材料。

打印平臺與成型室腔體底面密封聯(lián)接，平臺上表面用于凝膠件成型，有效成型面積為120mm（長）×120mm（寬）×100mm（高），可滿足市場上大部分生物凝膠打印件的總體尺寸需求。

未參與交聯(lián)反應(yīng)的凝固液經(jīng)成型件表面在打印平臺上匯聚后，沿打印平臺與成型室腔體側(cè)壁縫隙流下，并暫存于成型室底部，經(jīng)回收管回收至霧化循環(huán)系統(tǒng)的液槽中，如圖5所示，進(jìn)行二次循環(huán)利用。

4.2 霧化循環(huán)系統(tǒng)

由于在凝膠打印過程中打印液需與凝固液接觸發(fā)生高分子交聯(lián)反應(yīng)，從而引發(fā)凝膠化物態(tài)轉(zhuǎn)變并最終成型。

對于整個(gè)生物凝膠打印機(jī)來說，在保證機(jī)電系統(tǒng)精度和打印墨水質(zhì)量的前提下，凝膠成型件表觀質(zhì)量主要取決于凝固液是否能快速且均勻地噴灑在打印液表面。

目前市場上生物凝膠打印通常采用的擠出方式為同軸式和對沖式，其中對沖式對機(jī)械與控制精度要求較高，并受成本和現(xiàn)有技術(shù)等因素限制，尚未得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)合對沖式噴頭特點(diǎn)并對其進(jìn)行改進(jìn)，將凝固液噴頭從生物凝膠打印機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)中獨(dú)立出來，并通過固定于成型室腔體內(nèi)側(cè)壁上的霧化噴頭將凝固液霧化，如圖5所示。

圖5 凝固液循環(huán)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic Diagram of Solidification Liquid Circulation System

該霧化循環(huán)系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)噴頭與內(nèi)側(cè)壁間的夾角或液泵壓力的方式來改變凝固液噴灑范圍，有效地簡化了生物凝膠打印機(jī)對硬件和機(jī)械精度的要求，同時(shí)避免了凝固液噴灑不均所造成的成型缺陷。

此外采用循環(huán)系統(tǒng)將未反應(yīng)的凝固液回收后再利用，并通過pH傳感器檢測凝固液中有效成分的含量。實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)循環(huán)回收后凝固液有效成分利用率可達(dá)到95%以上。

4.3 供液系統(tǒng)

在凝膠打印過程中，連續(xù)供液能力是衡量供液系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一。但傳統(tǒng)活塞式供液裝置的最大供液量因受供液缸體積限制，無法進(jìn)行大量連續(xù)供液，為解決該問題，對其進(jìn)行改進(jìn)，通過將供液缸與儲液槽分離的方式，間接地?cái)U(kuò)大了供液缸的體積，如圖6所示。

圖6 打印液供液系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic Diagram of Printing Liquid Supply System

該供液系統(tǒng)是由42行星減速步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠活塞等共同構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機(jī)行星減速器減速比19.22：1，輸出靜力矩3.9N·m。絲桿外徑8mm，螺距1mm，導(dǎo)程4mm，活塞最高定位精度0.01mm。

在供液缸輸出端前增設(shè)兩個(gè)互鎖的單向閥，一路連接打印噴頭，用于在打印過程中供液。一路連接儲液槽用于自動補(bǔ)液。同時(shí)在供液缸兩端極限位置安裝光電傳感器限位，用于反饋?zhàn)詣友a(bǔ)液開始與結(jié)束時(shí)刻活塞的位置信息，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供液。

此外，噴頭作為供液系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其噴嘴直徑的選取對成型件的尺寸精度有著直接的影響，為獲取較高的成型精度通常在合理范圍內(nèi)取最小值。

同時(shí)為避免在噴嘴處因擠出量過多造成堵塞現(xiàn)象，由物理知識可知單位時(shí)間內(nèi)噴嘴處可通過的擠出量應(yīng)大于供液缸最小擠出量，即：

式中：VP—噴嘴處可通過的擠出量；Vmin—供液缸最小擠出量；d—供液缸內(nèi)徑；l—活塞定位精度；Dmin—打印噴頭噴嘴最小直徑；h—打印時(shí)每層高度。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)層高位于噴嘴直徑（0.75～0.85）倍時(shí)，可獲得較好打印效果，取h=0.8Dmin，整理式（1）得：

由（2）式可知，打印噴頭最小直徑選取主要受供液缸內(nèi)徑和活塞定位精度的影響，當(dāng)供液缸內(nèi)徑d=12mm，活塞定位精度l=0.01mm時(shí)，求得此時(shí)打印噴頭噴嘴最小直徑Dmin為1.2mm，可滿足一般凝膠成型件的尺寸精度需求。

4.4 三坐標(biāo)行走機(jī)構(gòu)

三坐標(biāo)行走機(jī)構(gòu)是打印機(jī)運(yùn)動的執(zhí)行部件。結(jié)構(gòu)上基于空間直角坐標(biāo)系，采用絲杠傳動配以直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，同時(shí)Y，Z兩軸對稱式布置以避免懸臂結(jié)構(gòu)。

各軸工作行程120mm，絲杠導(dǎo)程8mm，定位精度0.01mm，如圖7所示。

圖7 三坐標(biāo)行走機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.7 3D Structure of Three Coordinate Walking Mechanism

5 實(shí)例

5.1 打印墨水制備

生物凝膠墨水通常由打印液和凝固液兩種不同溶液組成，實(shí)例選用生物相容性良好的殼聚糖溶液作為打印液，其制備方法是將4g殼聚糖和0.1g乙酸鋅混合后均勻分散于100ml體積比為2%的乙酸溶液中，然后在磁力攪拌器上攪拌至溶液透明后備用，轉(zhuǎn)速為1000r/min。另配質(zhì)量比為10%的氫氧化鈉溶液作為凝固液用于輔助打印成型。

5.2 凝膠打印實(shí)驗(yàn)

以立體形狀為字母“Z”殼聚糖凝膠成型件打印為例，在三維軟件Pro/E中建立模型，尺寸：X方向30mm，Y方向23mm，Z方向5mm。然后通過切片軟件生成G 代碼，并設(shè)定凝膠打印工藝參數(shù)：打印速度60mm/min，間距1mm，層高0.3mm，流量0.2mL/s。經(jīng)5min38s在高度方向共進(jìn)行17層打印后，得到的殼聚糖凝膠成型件，如圖8（c）所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與凝膠成型件Fig.8 Prototype and Bio-Gel Forming Part

經(jīng)測量成型件在X，Y，Z各方向上的尺寸誤差均在4%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了生物凝膠打印機(jī)及成型工藝的可靠。

6 總結(jié)

基于擠出式生物3D打印原理，設(shè)計(jì)并研制了一種可使凝固液霧化后輔助成型的生物凝膠打印機(jī)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該生物凝膠打印機(jī)設(shè)計(jì)符合預(yù)期效果，主要體現(xiàn)在：

（1）經(jīng)霧化循環(huán)系統(tǒng)回收后的凝固液有效成分利用率達(dá)95%以上，并解決了凝固液噴灑不均和連續(xù)打印時(shí)自動補(bǔ)液的問題，為實(shí)現(xiàn)較大尺寸凝膠件連續(xù)打印提供可能。

（2）可在常溫環(huán)境下對殼聚糖、纖維素和海藻酸鈉等材料進(jìn)行打印，且成型精度較高，打印速度快，安全可靠。

（3）與其它生物凝膠打印機(jī)相比，具有對設(shè)備硬件與成本的需求低，通用性強(qiáng)，易于普及推廣的特點(diǎn)。