梯度水凝膠生物支架3D 打印自動補液裝置的設計與試用

戚 丹，朱 彤，阮 祥，李振界，王 瀚，李開良

目前，三維（three-dimensional，3D）打印可以基本滿足人們對于普通工藝產品（如教具、模型等）的打印需求[1]。 但在生物醫療領域，3D 打印方法的應用仍存在許多技術難點和局限性。在該領域，3D 打印的發展可以大致歸納為三個階段：第一階段是簡單的教學模具的打印制造（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，不能產生排異反應；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于打印技術提出了更高的要求[2]。

梯度結構廣泛存在于生物組織中。細胞外基質中的化學梯度影響了細胞的增殖、 遷移或者分化活動；骨骼中發現了從皮質骨向小梁骨增加的孔隙率梯度[3]。 這些梯度變化的現象對生物體的影響不可忽略。 因此，如果想要利用3D 打印技術打印植入物，必須要考慮到產品的理化梯度是否與原來的器官或組織相一致， 理化性質是否與生物體內復雜的環境相適應等[4]。

目前， 數字光處理技術（digital light processing，DLP）是比較成熟的3D 打印技術，比起其他的3D 打印方法，它具有打印精度高、打印速度快、商業化成熟等優勢，適用于生物材料打印，同時具備梯度打印的潛力，可以通過對商用DLP 打印機的改造使之完成梯度打印任務。當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，當打印的產品發生梯度變化的時候，對應地改變料槽中打印材料的梯度。Yamamoto K 等[5]通過改變兩種材料的混合比例的方式改變了打印過程中的原料成分，進而打印出了在Z 軸上具有化學梯度的樣品。Kupfer ME 等[6]通過手動將甲基丙烯?；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。以上方法均通過手動配比不同濃度的材料實現梯度材料打印。 手動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、精度低等問題。 筆者實驗中綜合考慮效果和成本， 選擇了STC 89C51 單片機完成多通道自動補液裝置的設計，所設計的裝置可以實現3D 打印過程中的自動補液。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗原材料

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

1.1.2 主要設備及器件

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

1.2 方法

1.2.1 流程設計

設計中使用了多個蠕動泵，通過控制蠕動泵工作的時間控制各個通道加入的不同成分水凝膠配比。當全部水凝膠加入完成后，單片機控制自動混勻裝置工作， 混勻結束后將配好的水凝膠加入料槽開始打印。當打印的材料梯度需要變化時，再通過一個蠕動泵將料槽中的水凝膠全部吸出，同時通道上的蠕動泵繼續工作重新配水凝膠，如此不斷循環直至打印出所需的功能梯度材料。 其工作流程圖見圖1。

圖1 自動補液裝置工作流程圖Fig.1 Workflow diagram of automatic fluid replenishment device

1.2.2 3D 打印機的選擇

實驗中采用Photon-S 光固化3D 打印機，其結構示意圖見圖2。 將手擰螺絲擰松后，就可以將料槽取出進行改裝。 添加的自動補液裝置示意圖見圖3。 將數個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入料槽中。 料槽另外和吸收泵相連接，當需要改變原料時就用吸收泵將料槽中剩余的廢料吸到廢棄槽中。同時新的材料通過各個通道進入混勻器中，開始新一輪的循環。

圖2 光固化3D 打印機結構示意圖Fig.2 Structure diagram of photocuring 3D printer

1.2.3 硬件設計

實現自動補液功能的主要硬件為蠕動泵，由5 V直流電機驅動。 蠕動泵驅動電路設計中采用輸入/輸出（input/output，I/O）端口驅動三極管控制繼電器工作，利用繼電器控制蠕動泵，實現自動補液。 見圖4。

圖4 蠕動泵驅動電路圖Fig.4 Diagram of peristaltic pump drive circuit

采用5 組蠕動泵，分別為A 液泵、B 液泵、C 液泵、補液泵和廢液泵，并設計了混勻裝置，即采用偏心電機產生的振動，帶動混勻槽振動，從而實現混合液的混勻。 根據方案設計繪制電路，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物圖Fig. 5 Physical image of printed circuit board after welding components of scheme 2

設計的自動補液裝置可以實現3 通道水凝膠自動補充及混勻槽的自動振動混勻， 將水凝膠混合體充分混合，為后續樣品打印提供精準的水凝膠梯度。

1.2.4 補液裝置與3D 打印機組合

實驗中所選用的3D 打印機的原裝料槽所需打印材料較多，對于打印小尺寸生物水凝膠支架容易造成材料浪費，為了在打印過程中節約打印生物材料所需要的水凝膠， 將3D 打印機原有料槽進行改裝，使得料槽尺寸變小。 見圖6。

圖6 打印機原有料槽（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

實驗中將HEMA 與光引發劑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 條件下發生不同形變，其形變量可以根據所添加的pH 敏感體量的多少來改變[7]。EGDMA 是一種交聯劑，可以在線性的高分子之間產生化學鍵，使線性分子交聯形成網狀結構，能夠有效地提高材料的強度和彈性[8]。 將EGDMA 交聯劑加入A 組分中，制成C 組分。 各組分的配比見表1。

表1 3 種組分的構成Tab.1 Composition of 3 components

1.2.6 目標樣品的3D 繪制

通過SolidWorks 軟件繪制出如圖7 所示的目標樣品3D 圖紙，目標樣品為一多孔的長方體細胞生長支架，長、寬、高分別為10 mm、10 mm、5 mm。

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

1.2.7 目標樣品的切片

根據圖紙， 使用切片軟件對目標樣品進行切片，可以根據目標水凝膠的成分等調整切片的參數，如層厚、每層曝光時間、關燈時間、底部曝光時間等。

2 結果

2.1 自動補液裝置制作成品

自動補液裝置實物如圖8 所示，其中a 為蠕動泵模塊，5 組蠕動泵分別安裝于塑料模具盒， 蠕動泵的泵頭在塑料模具盒外部，蠕動泵的驅動電機隱藏安裝在塑料模具盒內；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。 槽體為實驗用玻璃瓶，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避光，在瓶蓋上開孔用于連接對應蠕動泵或槽體。連接蠕動泵和槽體的管路采用深棕色防紫外線的管路，可以有效避免水凝膠在補充混勻過程中因環境中紫外線照射而產生固化。

圖8 自動補液裝置組裝實物圖Fig. 8 Actual assembly diagram of automatic liquid replenishment device

將改裝后的打印機和自動補液裝置組合在一起，就完成了整套裝置的設計，可以根據需要進行水凝膠材料的打印。 其工作流程如下：當需要進行梯度打印時，根據梯度密度要求，自動補液裝置會自動按比例從A、B、C 液槽中通過相應泵將A 液、B 液和C 液泵入到混勻槽中，混勻槽下方的振動電機工作，完成液體的充分混合。補液泵將混勻槽中的混合水凝膠泵入打印槽， 當3D 打印機完成一定層厚目標樣品打印后，廢液泵將3D 打印機打印槽中剩余的水凝膠泵入到廢液槽，開始下一材料配比補液-混合-打印，如此循環直到打印完成。

2.2 目標樣品打印條件選擇

由于不同水凝膠所需要的打印曝光條件不同，需要進行打印條件實驗，以選擇合適的打印參數。 通過多次實驗，參數最終選擇層厚0.05 mm，每層曝光時間20 s，目標樣品打印100 層。 為了打印出具有梯度密度的目標樣品， 實驗中將100 層打印層數分成每20 層一個配比， 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

目標樣品打印所需水凝膠的5 種組合為“梯度材料的制備”一節中所述的A 組分、B 組分和C 組分按不同比例混合所得，5 種組合所對應的混合比例見表2。

表2 樣品打印條件參數選擇實驗表Tab.2 Sample printing condition parameter selection experiment table

2.3 目標樣品梯度打印

根據所設定的條件和水凝膠的配比，應用自動補液裝置進行目標樣品的打印，打印采用水凝膠組合Ⅰ時，補液裝置根據程序所設定的流程，單片機控制3個液泵分別從3 個液槽抽取4 mL 組分A、1 mL 組分B 和1 mL 組分C 泵入到混勻槽， 同時單片機控制混勻槽下方的混勻振動電機工作， 充分混合各組分，形成水凝膠組合Ⅰ；接著單片機控制補液泵工作，將混勻槽內的水凝膠組合Ⅰ泵入到3D 打印機的打印槽中，3D 打印機根據切片數據進行打印1 ～20 層。

當第1 ～20 層打印完成后，自動補液裝置的單片機會控制打印機暫停打印，使廢液泵將多余的水凝膠組合Ⅰ泵入到廢液槽， 同時單片機控制A 液泵、B 液泵和C 液泵工作，完成水凝膠組合Ⅱ的混合，重復上述流程直至打印完畢。

2.4 性能驗證

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pH 敏感，在不同的pH 環境下，樣品具有不同的膨脹或收縮形態。 此次實驗中所打印的目標樣品每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，后續可以根據調解組分B的量來進一步調節收縮精度。 用去離子水清洗樣品，去除酸性環境后，樣品會自然恢復至中性狀態。

圖11 目標樣品放入酸性溶液中的現象Fig.11 Images of target sample in acidic solution

3 討論

筆者實現了一種用于光固化3D 打印技術的梯度水凝膠材料自動補液系統，能夠對材料中組分梯度進行控制， 并自動補充到3D 打印機的打印槽中，通過使用不同的打印材料，并控制相應梯度結構，能夠實現不同響應方式生物水凝膠的制備。 在醫學領域，通過制備出具有功能梯度的生物材料，可以克服傳統材料理化性質單一的特點，即使是在復雜的人體環境中，也會有更好的適應能力[10]。因此，能夠快速制備出功能梯度材料具有重要意義。

筆者設計還存在一些問題需要進一步改進優化。如補液裝置設計所采用的補液泵為蠕動泵，由于其精度有限，對于更精密的補液需要更換成高精度注射器來實現。 另外在進行實際打印測試時，所改裝的打印機樣品由于采用的是塑料薄片，在打印有機樣品時會出現粘連現象，即樣品不容易從樣品臺取下，后期可以采用鋁合金材料作為樣品臺。