PCL 抑菌改性及其在肿瘤放疗体位固定器3D 打印中的应用

陈海莲 ，梁宇熙 ，阳范文 ，陈锦龙 ，宋佳奇 ，李荣荣 ，魏悦姿 ，章喜明 ，田秀梅 ，周苗

(1.广州医科大学基础医学院生物医学工程系，广州 511436； 2.广州医科大学附属口腔医院，广州 510500)

目前，临床治疗肿瘤主要有化疗、放疗和手术切除等方法[1–2]。其中，放疗具有适应症宽、疗效较好等优点，在临床应用日益增多。近年来，随着三维立体定向放疗技术的发展，普通放疗逐步被三维立体高精度定向放疗取代，肿瘤放疗步入“精确定位、精确计划、精确放疗”的“三精时代”[3–4]。“三精”放疗要求采用立体定向系统，对患者在放疗过程中的摆位要求精准度高、可重复性好[5–6]。因此，对患者放疗体位附加约束装置——体位固定器[7–8]，是获得精准放疗的前提。临床上采用热塑膜、简易腹板、乳腺托架等[9–10]进行体位固定时，由于定位装置与体型匹配度差，定位时存在精准性不佳、重复性不好和舒适性差等不足。

采用3D 打印技术，根据患者体型特征和放疗部位的定位需求，研发定位精准和重复性好的体位固定器可满足“三精”放疗的要求[11–12]。聚己内酯(PCL)具有良好的柔韧性和可降解性能，是目前用于放疗体位固定热塑膜的主要原材料，对其进行改性可获得收缩率低、固定效果好的3D 打印材料[13–14]。肿瘤放疗过程因患者病情不同，可能需要2~30次不等的放疗。体位固定器在医院长期存放，存在交叉感染风险。因此，有必要开展体位固定器的抗菌研究。一些研究者采用聚吡咯包覆层状双羟基金属氧化物[15]、银离子[16]和纳米氧化锌[17]对PCL 进行抑菌改性[15–17]，获得了较好的抑菌效果。也有一些研究者对PCL 复合材料进行3D 打印研究[18]，以期用于制备骨科用组织工程支架材料。但将PCL进行抑菌改性并通过3D 打印用于制备肿瘤放疗防护器具的研究尚未见诸报导。

笔者选用PCL 为基材，以价廉易得的滑石粉和纳米氧化锌分别为填充剂和抑菌剂，通过双螺杆挤出机进行熔融共混，制备具有抑菌功能、高性价比的3D 打印PCL 改性材料。在此基础上，根据患者体型构建3D 模型，采用3D 打印技术制备定位精准、重复性好的腿腹部放疗体位固定器，为肿瘤放疗提供一种定位精准、操作方便的新型体位固定器，在肿瘤放疗领域具有广泛的应用前景。

1 实验部分

1．1 主要原材料

PCL：3D 打印级，深圳光华伟业股份有限公司；

滑石粉：83–15–98GB，广西龙胜华美滑石粉开发有限公司；

偶联增容改性剂：YY–5021，广州源泰合成材料有限公司；

纳米氧化锌：LT–95，粒径5~10 nm，株洲泽湘实业有限公司；

纳米氧化锌：LT–95–1，粒径 10~20 nm，株洲泽湘实业有限公司；

纳米氧化锌：LT–95–2，粒径 20~30 nm，株洲泽湘实业有限公司；

纳米氧化锌：LT–95–4，粒径 40~100 nm，株洲泽湘实业有限公司。

1．2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机：MEDI–22／40 型，广州普同实验分析仪器有限公司；

热压成型机：BL–6170–A 型，东莞宝轮精密检测仪器有限公司；

冲片机：CP–25 型，上海化工机械四厂；

万能试验机：CMT40204 型，深圳新三思材料检测有限公司；

熔体流动速率(MFR)测试仪：MTM1000 型，深圳新三思材料检测有限公司；

转矩流变仪：RT0I–55／20 型，广州市普同实验分析仪器有限公司；

3D 线材挤出成型机：单螺杆直径20 mm，广州普同实验分析仪器有限公司；

3D 精密扫描仪：EinScan Pro 2X 型，杭州先临三维公司；

3D 打印机：TT1 型，广州畅德科技有限公司；

超净工作台：BCL–1360A／B 型，京北亚泰科隆仪器技术有限公司；生物安全柜：BCG601 型，美国BAKER 公司；酶标分析仪：TOM–3MK 型，上海托莫斯科学仪器有限公司。

1．3 PCL 改性材料及试样制备

将PCL、滑石粉、YY–5021 和纳米氧化锌按照配方设计称量，采用双螺杆挤出机进行熔融共混并造粒，设置挤出温度150℃、转速250 r／min。

采用热压成型机将上述制备的粒料热压成厚度为1 mm 的薄片，设置热压温度160℃、预热时间5 min、热压时间1 min、冷却时间2 min。用冲片机制备标准试样。

1．4 PCL 3D 打印线材制备

采用3D 线材挤出成型机制备PCL 3D 打印线材，设置温度 150 ℃、主机转速 50 r／min、牵引速度20 mm／s、收卷张力10%，控制直径为(1.75±0.05) mm。

1．5 3D 建模和打印

首先，采用高精度3D 精密扫描仪对患者肿瘤放疗体位进行扫描，获得患者待固定体位的3D 扫描图像。然后，采用3D 软件进行模型的切割、修饰和融化等操作，根据患者体位特征开展体位固定器的个性化设计，构建体位固定器的3D 打印模型。

将设计好的3D 模型转化为切片文件的stl 格式，然后导入3D 打印机，设置温度、打印速度和填充度等打印参数，执行打印命令并打印出体位固定器样品。

1．6 性能测试

(1) PCL 改性材料性能测试。

拉伸性能按 GB／T 1040.3–2006 测试，试样放置24 h 后，拉伸速率为500 mm／min。

MFR 按 GB／T 3682.1–2018 测试，测试温度160℃、载荷 2.16 kg。

平衡扭矩通过转矩流变仪测试，称量48 g 材料加入转矩流变仪中，设定温度150℃、转速50 r／min，待扭矩达到平衡后获得平衡扭矩值。

抑菌性能按 GB／T 31402–2015 测试，测试材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果。

(2) PCL 3D 打印体位固定器性能测试。

耐曲挠性能测试：将固定器弯折90°后复原，如此反复直到出现裂痕，以出现裂痕的弯折次数评价其耐曲挠性能。

2 结果与讨论

2．1 滑石粉对PCL 改性材料性能的影响

固定YY–5021 含量(均为质量分数，下同)为1%，滑石粉含量分别为0%，10%，20%，30%，40%，研究滑石粉含量对PCL 改性材料流变性能和力学性能的影响。

(1)流变性能。

滑石粉含量对PCL 改性材料MFR 的影响见图1。由图1 可见，随着滑石粉含量增加，改性材料的MFR 呈先增加后下降的变化趋势。当滑石粉含量为10%时达到最大值2.69 g／10 min，随后滑石粉含量增加，MFR 不断降低。可以发现，滑石粉含量从10%增加至40%，MFR 下降明显，这可能是由于YY–5021 是一种偶联增容改性剂，熔融共混过程中能与滑石粉产生偶联效应，增加滑石粉与PCL 大分子之间的相互缠绕，对大分子运动产生阻碍效应，滑石粉含量越多，阻碍效应增强，故MFR 降低明显。

图1 不同滑石粉含量PCL 改性材料的MFR

滑石粉含量对PCL 改性材料平衡扭矩的影响见图2。由图2 可见，随着滑石粉含量增加，平衡转矩呈先下降后增加的变化趋势，与MFR 的变化规律正好相反。当滑石粉含量为10%时，平衡扭矩最小，为3.2 N·m。同样可以发现，当滑石粉含量超过10%时，平衡扭矩不断增加，这也可能是YY–5021 产生的增容偶联效应阻碍大分子运动的结果。滑石粉添加量越大，阻碍效应越明显，流动阻力越大，故平衡扭矩不断增加。

图2 不同滑石粉含量PCL 改性材料的平衡扭矩

(2)力学性能。

滑石粉含量对材料的拉伸性能影响见图3 和图4。由图3 可见，随着滑石粉含量增加，材料的拉伸强度逐步增大，当滑石粉含量为40%时达到最大值23.4 MPa。产生这种现象的原因是YY–5021 在滑石粉和PCL 基体之间产生了良好的偶联增容效应，且片状的滑石粉产生补强效应所致。滑石粉含量越高，补强效应越明显，故拉伸强度不断提高。由图4可见，随着滑石粉含量增加，材料的断裂伸长率呈现先增加后降低的变化趋势。当滑石粉含量为10%时，断裂伸长率达到最大值813%。随着滑石粉含量继续增加，断裂伸长率逐步降低。可能与配方中滑石粉含量增加导致的PCL 基体和滑石粉的界面增加从而使产生微裂纹的概率增加有关，故断裂伸长率逐步降低。

综合考虑加工性能和力学性能，当配方中滑石粉含量为10%时为最佳配方。材料的MFR 为2.69 g／10 min、拉伸强度达到 19.4 MPa、断裂伸长率为813%，完全可以满足3D 打印体位固定器的要求。

图3 不同滑石粉含量PCL 改性材料的拉伸强度

图4 不同滑石粉含量PCL 改性材料的断裂伸长率

2．2 纳米氧化锌对PCL 改性材料抑菌性能的影响

为了解决体位固定器在医院长期存放存在交叉感染风险，在上述滑石粉填充PCL 改性材料最佳配方基础上，添加纳米氧化锌为抑菌剂，研究四种不同纳米氧化锌对材料抑菌性能的影响，具体配方如表1 所示，抑菌实验结果见图5。从图5 可知，未添加纳米氧化锌的材料A，在接种金黄色葡萄球菌和大肠杆菌后，从0 h 到48 h，菌落数量有明显增加，说明该配方没有抑菌效果。而材料B，C，D，E 接种48 h 后，菌落数量明显减少，其中在B，C 和E 中观察到少量的菌落，而在D 中基本没有看到菌落的存在，说明添加4%的纳米氧化锌(LT–95–2)具有良好的抑菌效果，且经流变和力学性能测试发现4%的纳米氧化锌(LT–95–2)对材料的流变和拉伸性能影响很小。

表1 PCL 抑菌改性材料各组分含量 %

图5 PCL 抑菌改性材料的抑菌实验结果

综上所述，PCL 抑菌改性材料的最佳配方为：PCL 85%，YY–5021 1%，纳 米 氧 化 锌 (LT–95–2)4%，滑石粉10%。材料的MFR 为2.5 g／10 min、拉伸强度为19.3 MPa、断裂伸长率为803%。

2．3 体位固定器的3D 打印研究

采用熔融沉积方法打印体位固定器，固定填充度100%、底层打印速度15 mm／s 和底板温度30℃保持不变，改变打印温度(200~240℃)和填充打印速度(20~40 mm／s)，考察了不同打印工艺参数下体位固定器的打印过程以及打印件的外观、尺寸偏差和曲挠90°不开裂次数，筛选最佳打印工艺参数。打印工艺参数设置和结果见表2。

表2 3D 打印工艺参数与结果

从表2 可知，打印温度200℃、填充打印速度20 mm／s 时，3D 打印产品的外观不良，表现为粗糙和裂纹(见图6)，曲挠90°不开裂次数仅为5 次；打印温度240℃时，容易出现卡料，无法顺利打印。在打印温度220℃条件下，随着填充打印速度增加，产品的外观变好，尺寸偏差减小，曲挠90°不开裂次数增加；当填充打印速度为40 mm／s 时，制备了外观良好(见图7)、尺寸偏差≤0.11%和曲挠90°不开裂次数达到81 次的体位固定器。

综上所述，体位固定器3D 打印的最佳工艺条件为：打印温度220℃、填充打印速度40 mm／s、填充度100%、底层打印速度15 mm／s 和底板温度30℃。

图6 温度200℃时3D 打印体位固定器照片

图7 温度220℃时3D 打印体位固定器照片

3 结论

(1)随着滑石粉含量增加，PCL 改性材料的拉伸强度逐渐增大，MFR 和断裂伸长率呈现先增大后减小的变化趋势，当滑石粉含量为10%时MFR 和断裂伸长率到达最大值，分别为2.69 g／10 min 和813%；平衡扭矩随之呈现先降低后增加的趋势，当滑石粉含量为10%时到达最小值3.2 N·m。

(2)添加纳米氧化锌 (LT–95–2)的 PCL 抑菌改性材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌效果最佳，PCL 抑菌改性材料最佳配方为PCL 85%，纳米氧化锌 (LT–95–2) 4%，YY–5021 1%，滑石粉 10%，其 MFR 为 2.5 g／10 min、拉伸强度 19.3 MPa、断裂伸长率803%。

(3)在打印温度220℃、填充打印速度40 mm／s 条件下打印出外观良好、尺寸偏差≤0.11%和曲挠90°不开裂次数达到81 次的体位固定器。