梯度水凝膠生物支架3D 打印自動(dòng)補(bǔ)液裝置的設(shè)計(jì)與試用

戚 丹，朱 彤，阮 祥，李振界，王 瀚，李開(kāi)良

目前，三維（three-dimensional，3D）打印可以基本滿(mǎn)足人們對(duì)于普通工藝產(chǎn)品（如教具、模型等）的打印需求[1]。 但在生物醫(yī)療領(lǐng)域，3D 打印方法的應(yīng)用仍存在許多技術(shù)難點(diǎn)和局限性。在該領(lǐng)域，3D 打印的發(fā)展可以大致歸納為三個(gè)階段：第一階段是簡(jiǎn)單的教學(xué)模具的打印制造（如解剖模型等）；第二階段是帶有特定的藥物或活性因子生物支架打印，要求生物支架具備一定的生物相容性，不能產(chǎn)生排異反應(yīng)；第三階段是骨骼、牙齒和一些器官植入物的增材制造，功能梯度材料的打印對(duì)于打印技術(shù)提出了更高的要求[2]。

梯度結(jié)構(gòu)廣泛存在于生物組織中。細(xì)胞外基質(zhì)中的化學(xué)梯度影響了細(xì)胞的增殖、 遷移或者分化活動(dòng)；骨骼中發(fā)現(xiàn)了從皮質(zhì)骨向小梁骨增加的孔隙率梯度[3]。 這些梯度變化的現(xiàn)象對(duì)生物體的影響不可忽略。 因此，如果想要利用3D 打印技術(shù)打印植入物，必須要考慮到產(chǎn)品的理化梯度是否與原來(lái)的器官或組織相一致， 理化性質(zhì)是否與生物體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境相適應(yīng)等[4]。

目前， 數(shù)字光處理技術(shù)（digital light processing，DLP）是比較成熟的3D 打印技術(shù)，比起其他的3D 打印方法，它具有打印精度高、打印速度快、商業(yè)化成熟等優(yōu)勢(shì)，適用于生物材料打印，同時(shí)具備梯度打印的潛力，可以通過(guò)對(duì)商用DLP 打印機(jī)的改造使之完成梯度打印任務(wù)。當(dāng)前制備具有梯度分布的生物材料的主要思路是提前配制不同配比的原料，當(dāng)打印的產(chǎn)品發(fā)生梯度變化的時(shí)候，對(duì)應(yīng)地改變料槽中打印材料的梯度。Yamamoto K 等[5]通過(guò)改變兩種材料的混合比例的方式改變了打印過(guò)程中的原料成分，進(jìn)而打印出了在Z 軸上具有化學(xué)梯度的樣品。Kupfer ME 等[6]通過(guò)手動(dòng)將甲基丙烯?；髂z（gelatin methacryloyl，GelMA）和羥基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）以不同的比例混合，制備出了具有梯度分布的生物支架，并且具有良好的生物相容性。以上方法均通過(guò)手動(dòng)配比不同濃度的材料實(shí)現(xiàn)梯度材料打印。 手動(dòng)配液方法存在諸多弊端，如人工成本高、打印慢、不能夠批量生產(chǎn)、精度低等問(wèn)題。 筆者實(shí)驗(yàn)中綜合考慮效果和成本， 選擇了STC 89C51 單片機(jī)完成多通道自動(dòng)補(bǔ)液裝置的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的裝置可以實(shí)現(xiàn)3D 打印過(guò)程中的自動(dòng)補(bǔ)液。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

甲基丙烯酸羥乙酯（2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA）（C6H10O3，相對(duì)分子質(zhì)量130.14）、乙二醇二甲基丙烯酸酯 （ethylene glycol dimethacrylate，EGDMA）（C10H14O4， 相對(duì)分子質(zhì)量198.22）、 甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA） （C3H4O2， 相對(duì)分子質(zhì)量72.06）（阿拉丁，中國(guó)）；二苯基-（2，4，6-三甲基苯甲酰）氧磷（diphenyl（2，4，6-trimethylbenzoyl）phosphine oxide，TPO）（C26H27O3P，相對(duì)分子質(zhì)量418.46。 瑪雅試劑，中國(guó)）。

1.1.2 主要設(shè)備及器件

光固化3D 打印機(jī)（Photon-S。ANYCUBIC，中國(guó)）；單片機(jī)（STC89C51。 宏晶集團(tuán)，中國(guó)）；蠕動(dòng)泵（NKPDC-S08。 卡默爾，中國(guó)）。

1.2 方法

1.2.1 流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用了多個(gè)蠕動(dòng)泵，通過(guò)控制蠕動(dòng)泵工作的時(shí)間控制各個(gè)通道加入的不同成分水凝膠配比。當(dāng)全部水凝膠加入完成后，單片機(jī)控制自動(dòng)混勻裝置工作， 混勻結(jié)束后將配好的水凝膠加入料槽開(kāi)始打印。當(dāng)打印的材料梯度需要變化時(shí)，再通過(guò)一個(gè)蠕動(dòng)泵將料槽中的水凝膠全部吸出，同時(shí)通道上的蠕動(dòng)泵繼續(xù)工作重新配水凝膠，如此不斷循環(huán)直至打印出所需的功能梯度材料。 其工作流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)補(bǔ)液裝置工作流程圖Fig.1 Workflow diagram of automatic fluid replenishment device

1.2.2 3D 打印機(jī)的選擇

實(shí)驗(yàn)中采用Photon-S 光固化3D 打印機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。 將手?jǐn)Q螺絲擰松后，就可以將料槽取出進(jìn)行改裝。 添加的自動(dòng)補(bǔ)液裝置示意圖見(jiàn)圖3。 將數(shù)個(gè)通道與振蕩混勻器直接相連，振蕩混勻器與料槽相連接，使得混勻后的材料直接進(jìn)入料槽中。 料槽另外和吸收泵相連接，當(dāng)需要改變?cè)蠒r(shí)就用吸收泵將料槽中剩余的廢料吸到廢棄槽中。同時(shí)新的材料通過(guò)各個(gè)通道進(jìn)入混勻器中，開(kāi)始新一輪的循環(huán)。

圖2 光固化3D 打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of photocuring 3D printer

1.2.3 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液功能的主要硬件為蠕動(dòng)泵，由5 V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中采用輸入/輸出（input/output，I/O）端口驅(qū)動(dòng)三極管控制繼電器工作，利用繼電器控制蠕動(dòng)泵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液。 見(jiàn)圖4。

圖4 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.4 Diagram of peristaltic pump drive circuit

采用5 組蠕動(dòng)泵，分別為A 液泵、B 液泵、C 液泵、補(bǔ)液泵和廢液泵，并設(shè)計(jì)了混勻裝置，即采用偏心電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)，帶動(dòng)混勻槽振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)混合液的混勻。 根據(jù)方案設(shè)計(jì)繪制電路，并制作電路板（圖5）。

圖5 方案二印制電路板焊接元器件后實(shí)物圖Fig. 5 Physical image of printed circuit board after welding components of scheme 2

設(shè)計(jì)的自動(dòng)補(bǔ)液裝置可以實(shí)現(xiàn)3 通道水凝膠自動(dòng)補(bǔ)充及混勻槽的自動(dòng)振動(dòng)混勻， 將水凝膠混合體充分混合，為后續(xù)樣品打印提供精準(zhǔn)的水凝膠梯度。

1.2.4 補(bǔ)液裝置與3D 打印機(jī)組合

實(shí)驗(yàn)中所選用的3D 打印機(jī)的原裝料槽所需打印材料較多，對(duì)于打印小尺寸生物水凝膠支架容易造成材料浪費(fèi)，為了在打印過(guò)程中節(jié)約打印生物材料所需要的水凝膠， 將3D 打印機(jī)原有料槽進(jìn)行改裝，使得料槽尺寸變小。 見(jiàn)圖6。

圖6 打印機(jī)原有料槽（A）和改裝后料槽（B）Fig.6 Images of original(A)and modified(B)of printer material tank

1.2.5 水凝膠制備

實(shí)驗(yàn)中將HEMA 與光引發(fā)劑TPO 混合， 制成A組分。B 組分加入pH 敏感單體MAA，MAA 可以使所打印的樣品在不同pH 條件下發(fā)生不同形變，其形變量可以根據(jù)所添加的pH 敏感體量的多少來(lái)改變[7]。EGDMA 是一種交聯(lián)劑，可以在線(xiàn)性的高分子之間產(chǎn)生化學(xué)鍵，使線(xiàn)性分子交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠有效地提高材料的強(qiáng)度和彈性[8]。 將EGDMA 交聯(lián)劑加入A 組分中，制成C 組分。 各組分的配比見(jiàn)表1。

表1 3 種組分的構(gòu)成Tab.1 Composition of 3 components

1.2.6 目標(biāo)樣品的3D 繪制

通過(guò)SolidWorks 軟件繪制出如圖7 所示的目標(biāo)樣品3D 圖紙，目標(biāo)樣品為一多孔的長(zhǎng)方體細(xì)胞生長(zhǎng)支架，長(zhǎng)、寬、高分別為10 mm、10 mm、5 mm。

圖7 目標(biāo)樣品3D 圖紙界面Fig.7 Image of target sample 3D drawing interface

1.2.7 目標(biāo)樣品的切片

根據(jù)圖紙， 使用切片軟件對(duì)目標(biāo)樣品進(jìn)行切片，可以根據(jù)目標(biāo)水凝膠的成分等調(diào)整切片的參數(shù)，如層厚、每層曝光時(shí)間、關(guān)燈時(shí)間、底部曝光時(shí)間等。

2 結(jié)果

2.1 自動(dòng)補(bǔ)液裝置制作成品

自動(dòng)補(bǔ)液裝置實(shí)物如圖8 所示，其中a 為蠕動(dòng)泵模塊，5 組蠕動(dòng)泵分別安裝于塑料模具盒， 蠕動(dòng)泵的泵頭在塑料模具盒外部，蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)隱藏安裝在塑料模具盒內(nèi)；b 為水凝膠緩沖模塊， 用于A、B、C 3 種水凝膠、 按梯度要求混合后的水凝膠及3D 打印機(jī)上一密度層打印廢棄的水凝膠的暫存和收集，分別為A 液槽、B 液槽、C 液槽、混勻槽和廢液槽。 槽體為實(shí)驗(yàn)用玻璃瓶，由于用于3D 打印的水凝膠需要避免紫外光照射， 因此將槽體嵌入塑料模具盒內(nèi)避光，在瓶蓋上開(kāi)孔用于連接對(duì)應(yīng)蠕動(dòng)泵或槽體。連接蠕動(dòng)泵和槽體的管路采用深棕色防紫外線(xiàn)的管路，可以有效避免水凝膠在補(bǔ)充混勻過(guò)程中因環(huán)境中紫外線(xiàn)照射而產(chǎn)生固化。

圖8 自動(dòng)補(bǔ)液裝置組裝實(shí)物圖Fig. 8 Actual assembly diagram of automatic liquid replenishment device

將改裝后的打印機(jī)和自動(dòng)補(bǔ)液裝置組合在一起，就完成了整套裝置的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要進(jìn)行水凝膠材料的打印。 其工作流程如下：當(dāng)需要進(jìn)行梯度打印時(shí)，根據(jù)梯度密度要求，自動(dòng)補(bǔ)液裝置會(huì)自動(dòng)按比例從A、B、C 液槽中通過(guò)相應(yīng)泵將A 液、B 液和C 液泵入到混勻槽中，混勻槽下方的振動(dòng)電機(jī)工作，完成液體的充分混合。補(bǔ)液泵將混勻槽中的混合水凝膠泵入打印槽， 當(dāng)3D 打印機(jī)完成一定層厚目標(biāo)樣品打印后，廢液泵將3D 打印機(jī)打印槽中剩余的水凝膠泵入到廢液槽，開(kāi)始下一材料配比補(bǔ)液-混合-打印，如此循環(huán)直到打印完成。

2.2 目標(biāo)樣品打印條件選擇

由于不同水凝膠所需要的打印曝光條件不同，需要進(jìn)行打印條件實(shí)驗(yàn)，以選擇合適的打印參數(shù)。 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，參數(shù)最終選擇層厚0.05 mm，每層曝光時(shí)間20 s，目標(biāo)樣品打印100 層。 為了打印出具有梯度密度的目標(biāo)樣品， 實(shí)驗(yàn)中將100 層打印層數(shù)分成每20 層一個(gè)配比， 即第1 ～20 層打印所用水凝膠成分為同一種組合，記為組合Ⅰ；第21 ～40 層打印所用水凝膠成分記為組合Ⅱ，以此類(lèi)推。 梯度密度分層示意圖如圖9 所示。

圖9 梯度密度分層示意圖Fig.9 Schematic diagram of gradient density stratification

目標(biāo)樣品打印所需水凝膠的5 種組合為“梯度材料的制備”一節(jié)中所述的A 組分、B 組分和C 組分按不同比例混合所得，5 種組合所對(duì)應(yīng)的混合比例見(jiàn)表2。

表2 樣品打印條件參數(shù)選擇實(shí)驗(yàn)表Tab.2 Sample printing condition parameter selection experiment table

2.3 目標(biāo)樣品梯度打印

根據(jù)所設(shè)定的條件和水凝膠的配比，應(yīng)用自動(dòng)補(bǔ)液裝置進(jìn)行目標(biāo)樣品的打印，打印采用水凝膠組合Ⅰ時(shí)，補(bǔ)液裝置根據(jù)程序所設(shè)定的流程，單片機(jī)控制3個(gè)液泵分別從3 個(gè)液槽抽取4 mL 組分A、1 mL 組分B 和1 mL 組分C 泵入到混勻槽， 同時(shí)單片機(jī)控制混勻槽下方的混勻振動(dòng)電機(jī)工作， 充分混合各組分，形成水凝膠組合Ⅰ；接著單片機(jī)控制補(bǔ)液泵工作，將混勻槽內(nèi)的水凝膠組合Ⅰ泵入到3D 打印機(jī)的打印槽中，3D 打印機(jī)根據(jù)切片數(shù)據(jù)進(jìn)行打印1 ～20 層。

當(dāng)?shù)? ～20 層打印完成后，自動(dòng)補(bǔ)液裝置的單片機(jī)會(huì)控制打印機(jī)暫停打印，使廢液泵將多余的水凝膠組合Ⅰ泵入到廢液槽， 同時(shí)單片機(jī)控制A 液泵、B 液泵和C 液泵工作，完成水凝膠組合Ⅱ的混合，重復(fù)上述流程直至打印完畢。

2.4 性能驗(yàn)證

利用乙醇溶液沖洗打印樣品（圖10）。 由于在水凝膠的組分B 中添加了pH 敏感單體，所打印出的樣品對(duì)pH 敏感，在不同的pH 環(huán)境下，樣品具有不同的膨脹或收縮形態(tài)。 此次實(shí)驗(yàn)中所打印的目標(biāo)樣品每20 層所含組分B 的量不同，將樣品放入酸性溶液后，其每20 層的膨脹收縮不一致[9]，如圖11 所示為樣品在酸性溶液中的收縮狀態(tài)，后續(xù)可以根據(jù)調(diào)解組分B的量來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)收縮精度。 用去離子水清洗樣品，去除酸性環(huán)境后，樣品會(huì)自然恢復(fù)至中性狀態(tài)。

圖11 目標(biāo)樣品放入酸性溶液中的現(xiàn)象Fig.11 Images of target sample in acidic solution

3 討論

筆者實(shí)現(xiàn)了一種用于光固化3D 打印技術(shù)的梯度水凝膠材料自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)，能夠?qū)Σ牧现薪M分梯度進(jìn)行控制， 并自動(dòng)補(bǔ)充到3D 打印機(jī)的打印槽中，通過(guò)使用不同的打印材料，并控制相應(yīng)梯度結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同響應(yīng)方式生物水凝膠的制備。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)制備出具有功能梯度的生物材料，可以克服傳統(tǒng)材料理化性質(zhì)單一的特點(diǎn)，即使是在復(fù)雜的人體環(huán)境中，也會(huì)有更好的適應(yīng)能力[10]。因此，能夠快速制備出功能梯度材料具有重要意義。

筆者設(shè)計(jì)還存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。如補(bǔ)液裝置設(shè)計(jì)所采用的補(bǔ)液泵為蠕動(dòng)泵，由于其精度有限，對(duì)于更精密的補(bǔ)液需要更換成高精度注射器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 另外在進(jìn)行實(shí)際打印測(cè)試時(shí)，所改裝的打印機(jī)樣品由于采用的是塑料薄片，在打印有機(jī)樣品時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，即樣品不容易從樣品臺(tái)取下，后期可以采用鋁合金材料作為樣品臺(tái)。