王程錦，康雙珠，張 磊，孫 偉

（ 清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京市生物制造與快速成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084 ）

在臨床上，冠脈支架介入治療是應(yīng)對(duì)冠狀動(dòng)脈硬化的主要手段[1]。 近年來越來越多的研究集中于可降解冠脈支架方向，可降解冠脈支架完成血管的支撐后，能在一定時(shí)間內(nèi)降解，大大降低了血管再狹窄和支架內(nèi)血栓的可能性，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的冠脈支架的發(fā)展方向[2]。 在血管支架產(chǎn)業(yè)上，冠脈支架的加工方式主要是激光雕刻， 這種加工方式精度高、效率高，但是有明顯的缺陷[3]。 首先，用激光將管材切割成鏤空的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 大部分的材料被割棄，造成了巨大的材料浪費(fèi)；其次，激光雕刻更適合加工圓柱形支架，而冠狀動(dòng)脈有一定錐度，圓柱形支架撐開以后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力不平衡，一端的過度支撐容易造成血管損傷，會(huì)加重血管堵塞[4]；再者，激光雕刻的支架絲徑截面是方形，這種方形截面對(duì)血液的流場(chǎng)有不利的影響[5]。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)研發(fā)了用于血管支架成型的3D 打印設(shè)備，采用3D 打印技術(shù)中的熔融擠出（FDM）技術(shù)將支架材料加熱到熔融狀態(tài)， 然后通過噴嘴擠出，在圓錐面上打印成冠脈支架的結(jié)構(gòu)，理論上可解決激光雕刻加工的不良影響。 本文介紹了冠脈支架打印和常規(guī)3D 打印的不同之處， 并給出了適用于顆粒狀材料的高精度冠脈支架3D 打印平臺(tái)及微螺桿噴頭的研發(fā)和冠脈支架打印的主要工藝參數(shù)，最后用兩種可降解材料聚己內(nèi)酯（PCL）和左旋聚乳酸（PLLA）對(duì)打印系統(tǒng)和工藝參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證打印。

1 3D 打印冠脈支架概述

1.1 3D 打印冠脈支架的材料

可降解冠脈支架的材料主要有鐵基合金、鎂基合金、鋅基合金和可降解聚合物，其中金屬合金支架大都處于研發(fā)階段，缺陷都比較明顯，不適于3D打印[6]。 用于冠脈支架材料的可降解聚合物種類不多，最常見的是PLLA，它是L-丙交酯聚合而成的高分子材料，生物相容性好，可以完全降解成二氧化碳與水，對(duì)人體無危害及毒副作用，安全性和可靠性得到了充分的驗(yàn)證，被廣泛用于醫(yī)療器械中[7]。 本試驗(yàn)用PCL 和PLLA 為打印材料， 其中PCL 熔點(diǎn)低、黏度小、成型溫度范圍廣、成型容易，十分適合用于驗(yàn)證打印系統(tǒng)的成型性能，PCL 和PLLA 的材料參數(shù)見表1。

表 1 PCL 和 PLLA 主要性質(zhì)

1.2 冠脈支架的成型方法

常規(guī)的3D 打印是基于笛卡爾坐標(biāo)系， 在一個(gè)平面上打印，將材料層層堆積成為三維結(jié)構(gòu)；而血管支架是高鏤空率的圓柱或圓錐形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果采用常規(guī)的3D 打印方法，需要大量的支撐結(jié)構(gòu)。 支撐結(jié)構(gòu)對(duì)材料浪費(fèi)巨大，且拆除支撐過程中留下的毛刺和帶來的結(jié)構(gòu)破壞也嚴(yán)重影響了支架的力學(xué)性能。 本文提出了基于圓錐面的曲面打印技術(shù)，建立在一個(gè)圓柱坐標(biāo)系中，在圓錐面上進(jìn)行支架的打印，完全避免了使用支撐結(jié)構(gòu)，示意見圖1。

2 冠脈支架打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 3D 打印系統(tǒng)

用于冠脈支架的3D 打印系統(tǒng)有兩個(gè)要求，一是運(yùn)動(dòng)精度要求高，二是噴嘴口徑要求小，擠出力需求大，一般的商業(yè)3D 打印機(jī)難以滿足這些要求。圖2 是本課題研發(fā)的高精度打印平臺(tái)并配備小噴嘴口徑的微螺桿噴頭， 最大程度滿足上述要求，打印平臺(tái)的冠脈支架的直徑一般為2～3.5 mm，支架支撐桿寬度一般約為200 μm。 為了保證支架的力學(xué)性能，打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度應(yīng)至少達(dá)到±5 μm。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)幅度小、 重復(fù)定位頻繁，進(jìn)行高頻度的短程往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體尺寸約400 mm×400 mm×400 mm，其中有效打印尺寸達(dá)到220 mm×220 mm×220 mm。傳動(dòng)部分采用滾珠絲杠加支撐導(dǎo)軌的形式，滾珠絲杠的行程為2 mm； 驅(qū)動(dòng)部分用步進(jìn)電機(jī)和編碼器組合，編碼器線數(shù)為1000 線，理論上電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)0.36°的旋轉(zhuǎn)分辨率；絲杠旋轉(zhuǎn)一周的最大游隙誤差為 4 μm，300 mm 行程游隙誤差不超過 6 μm；控制部分采用PMAC clipper 控制板卡，伺服周期可達(dá)微秒級(jí)別，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)五軸的聯(lián)動(dòng)控制，確保在打印過程中的運(yùn)動(dòng)控制精度。

2.2 微螺桿噴頭研發(fā)

臨床上廣泛使用的金屬冠脈支架的支撐桿寬度一般在200 μm 左右。以此為標(biāo)準(zhǔn)，將噴嘴口徑也定在200 μm，噴嘴口長(zhǎng)度0.5～1 mm，屬于典型的細(xì)長(zhǎng)孔，應(yīng)用參照流體在細(xì)長(zhǎng)孔中的壓降公式[8]：

式中：ΔP 為噴嘴內(nèi)外壓差； q 為擠出的流量； μ 為流體的動(dòng)力黏度； l 為小孔長(zhǎng)度； d 為小孔直徑。 從公式中可以看出，噴頭的擠出壓力與噴嘴口徑的四次方呈線性關(guān)系，表示噴嘴口徑對(duì)于擠出壓力十分敏感。 常用的商業(yè)FDM 打印機(jī)的噴嘴口徑約為400 μm，若將口徑換為200 μm，所需壓力需提高約16 倍，這將導(dǎo)致摩擦輪打滑甚至絲材脆斷。此外，現(xiàn)有的商業(yè)打印機(jī)都只能用絲狀材料，這限制了材料的來源與形式。

仿照螺桿注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種使用顆粒材料的微螺桿擠出噴頭， 可承受較大的擠出力，該噴頭采用三段式結(jié)構(gòu)，分為加料段、壓縮段和計(jì)量段[9]。 加料段的作用是將加入的材料向內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中材料的溫度從常溫逐漸升高至熔點(diǎn)，材料逐漸軟化，彈性模量急劇下降，表面變粘；壓縮段的作用是將變軟的材料的壓縮、攪拌，使材料從固體徹底轉(zhuǎn)變成熔融態(tài)，壓縮段溫度高于熔點(diǎn)20～30 ℃，材料逐漸受到擠壓攤開，分子間作用力被破壞，同時(shí)受熱面積增大，加速融化過程，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w。 計(jì)量段的作用是將材料摩擦、攪拌，此段材料大部分已融化為流體， 但仍有較大尺寸的分子團(tuán)， 將大分子團(tuán)攪碎后材料的均勻性明顯得到改善。 圖3 是三段式螺桿的示意圖，在加料段螺紋深度最大，向加料段逐漸變淺。 在計(jì)量段，由于材料劇烈摩擦?xí)尫糯罅繜崃浚瑸榉乐共牧蠝囟冗^高而產(chǎn)生的分解，應(yīng)采取措施將溫度逐漸從壓縮段下降到略高于熔點(diǎn)。

常規(guī)的螺桿注塑機(jī)螺桿直徑在20 mm 以上，噴嘴口徑約1 mm，螺桿長(zhǎng)度超過500 mm，擠出需要的扭矩非常大，壓力波動(dòng)幅度也較大。 而冠脈支架打印的特點(diǎn)是擠出量小， 對(duì)擠出均勻性要求較高，對(duì)擠出效率要求低，同時(shí)要求尺寸和扭矩都不能太大，所以必須根據(jù)冠脈支架的打印特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)螺桿噴頭。

如果落桿直徑大于10 mm，螺桿內(nèi)貯存的材料較多，導(dǎo)致摩擦力大，需要的扭矩就超出了一般步進(jìn)電機(jī)的扭矩范圍，同時(shí)螺桿中材料全部融化的時(shí)間也較長(zhǎng)，導(dǎo)致噴頭整體尺寸都相當(dāng)?shù)拇蟆?當(dāng)螺桿直徑小于6 mm，螺桿加工時(shí)容易彎曲，螺桿的強(qiáng)度也不夠，因此設(shè)計(jì)中將螺桿直徑定為8 mm，螺距也定為8 mm，螺紋升角17.6°，螺紋牙厚2 mm。

根據(jù)螺桿噴頭設(shè)計(jì)的固體輸送理論與一些經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，確定最終螺桿的設(shè)計(jì)參數(shù)：加料段長(zhǎng)度36 mm，螺紋深度2mm；計(jì)量段長(zhǎng)度28 mm，螺紋深度0.75 mm；壓縮段長(zhǎng)度24 mm，螺紋深度逐漸由加料段過渡到壓縮段。 噴頭的外側(cè)套一個(gè)加熱圈，用于給噴頭加熱，加熱圈長(zhǎng)度與壓縮段相當(dāng)，位置也與壓縮段重合，功率為100 W。 螺桿噴頭的設(shè)計(jì)與實(shí)物圖見圖4。

3 冠脈支架3D 打印工藝

3.1 PCL 材料的 3D 打印

PCL 材料的熔點(diǎn)低，固體顆粒的硬度小、韌性高，融化后黏度小，擠出過程中不需要過大的扭矩，且擠出穩(wěn)定性好，因此首先用更易成型的PCL 對(duì)打印系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。 PCL 的熔點(diǎn)約60 ℃，設(shè)置壓縮段溫度90 ℃，實(shí)測(cè)噴嘴處溫度83 ℃，用試錯(cuò)法摸索出一個(gè)比較合適的打印速度和噴頭轉(zhuǎn)速后，進(jìn)行了血管支架的打印，打印效果見圖5。

通過上述試驗(yàn)，驗(yàn)證了PCL 材料可通過微螺桿噴頭用于高分子打印中， 擠出的絲材表面光滑、直徑均勻， 未出現(xiàn)材料堆積或絲材斷裂的情況。 用PCL 材料打印的支架雖然效果較好，但由于PCL 材料本身材質(zhì)較軟，難以作為血管支架材料，隨后對(duì)PLLA 材料的一系列打印工藝進(jìn)行研究，并用PLLA材料進(jìn)行了支架的打印， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)的壓縮段溫度200 ℃、噴嘴處溫度 182 ℃。

3.2 PLLA 材料的 3D 打印

3.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出速度的影響

打印過程中，最重要的是噴頭的擠出速度與運(yùn)動(dòng)速度的匹配，如果擠出速度比運(yùn)動(dòng)速度快會(huì)導(dǎo)致成形的支架線徑變粗，如果擠出速度比運(yùn)動(dòng)速度慢則會(huì)導(dǎo)致打印脫落、斷絲等問題。 因在支架打印過程中， 僅可直接控制螺桿轉(zhuǎn)速而非噴頭的擠出速度， 所以必須建立螺桿轉(zhuǎn)速與擠出速度的關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的匹配打印。 經(jīng)試驗(yàn)，在低轉(zhuǎn)速下噴頭擠出的材料不是絲狀、而是液滴，可以正常擠出絲材的最低轉(zhuǎn)速約為1.7 r/min， 試驗(yàn)測(cè)定了螺桿轉(zhuǎn)速?gòu)?.7～8.5 r/min 對(duì)噴頭擠出速度的影響， 測(cè)定結(jié)果見圖6?？煽闯觯輻U轉(zhuǎn)速與噴頭的擠出速度呈非線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速的提高，擠出速度迅速增加。 但當(dāng)擠出速度很高時(shí)， 相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度也要加快， 絲材沒有足夠時(shí)間粘附在圓錐結(jié)構(gòu)模具上，容易導(dǎo)致擠出的絲材偏移預(yù)期位置甚至脫落。

3.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)絲材直徑的影響

在噴頭螺桿不同的轉(zhuǎn)速下，噴頭內(nèi)部熔體的壓力也不相同， 高分子熔體是一種彈性非常高的流體，從噴嘴擠出后會(huì)有比較明顯的膨脹效果。 為獲得最佳打印速度，試驗(yàn)分別采用250 μm 和100 μm的噴嘴研究了螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出絲材直徑的影響，測(cè)得結(jié)果見圖7。 可看出，對(duì)試驗(yàn)的兩種口徑噴嘴，轉(zhuǎn)速越高，絲材的膨脹越明顯，且二者在測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，250 μm 口徑的噴嘴材料膨脹幅度明顯大于100 μm。 為得到低直徑的絲材，螺桿轉(zhuǎn)速越小越好，但在試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速過慢會(huì)出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)和脈沖運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響打印精度。綜合各方面因素，采用100 μm 口徑的噴嘴在3.75 r/min 的螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行PLLA 的支架打印試驗(yàn)，打印效果見圖8。

在打印過程中，PLLA 和PCL 的支架線徑都比相同條件下的單絲擠出直徑大一些，存在兩個(gè)可能的原因：①運(yùn)動(dòng)的速度和基礎(chǔ)速度仍有失調(diào)，并不匹配得十分理想；②打印支架時(shí)，擠出的絲落在模具上，在重力作用下變成橢圓，導(dǎo)致測(cè)量起來比單絲更粗。

4 結(jié)束語

針對(duì)激光雕刻加工的不良影響，提出了在圓錐面上用3D 打印的方式制造可降解血管支架的方案，研發(fā)了高精度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和微螺桿噴頭，研究了螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)于噴頭擠出速度和絲材直徑的影響，并采用PCL 和PLLA 為材料進(jìn)行了冠脈支架的打印試驗(yàn)。 通過實(shí)驗(yàn)證明，用微螺桿噴頭進(jìn)行血管支架的3D 打印是可行的， 這為冠脈支架的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。