基于DLP光固化3D打印技术的工艺分析及性能测试

乌 兰，吴晓强

（1.内蒙古民族大学 工学院，内蒙古 通辽 028043；2.内蒙古民族大学智能制造技术重点实验室，内蒙古通辽 028043）

组织、器官的损伤是严重威胁人类健康的重大疾病之一，组织细胞都高度依赖分支化血管系统，因此，血管内介入是治疗此疾病的有效方法之一，传统的金属支架手术复杂，不可降解，对人体伤害大，治疗效果不好［1-3］。目前，如何实现血管网络的仿生构筑，建立与人体相似的组织结构成为人们关注和研究的重点。

3D打印技术是指在计算机控制下，以数字化模型为依据，利用逐层堆叠累积的思想，通过特定材料的逐层固化累加，从而快速得到三维实体的技术。3D打印又称为快速成型技术或增材制造技术，它改变了传统制造的理念和模式，并逐步应用于航空航天、机械工程以及生物组织等领域，具有生产效率高、制造成本低等特点［4-5］。生物3D打印为再生医学提供了全新个性化定制方案，获得持续广泛的研究，在组织工程领域显示出了良好的应用前景，例如在软骨、皮肤和血管组织等仿生组织上的应用。生物3D打印能够根据个体病变位置定制打印方案，由于采用具有良好的生物相容性和可降解性的可交联生物材料，可以实现材料与患者病变部位的完美匹配，为支架实现血管化和血管网重构提供了新的手段，给组织器官临床修复带来了新的契机。

根据成型工艺可将生物3D打印技术分为以下几种：激光粉末烧结法、叠层实体制造、光固化立体成型以及熔融沉积成型等［6］，不同成型技术特点各不相同，具体见表1。

表1 生物3D打印技术类型与特点Tab.1 Types and characteristics of biological 3D printing technology

生物3D打印主要分为放射成像、数据处理和快速原型3个步骤。以脊骨3D打印模型为例，首先提取患者CT等影像学数据，然后把图像数据进行转化，导入到软件中进行三维建模，建立3D模型，最后通过打印策略进行3D打印成型（图1）。

图1 脊骨3D模型Fig.1 3D model of spine

在3D打印过程中，打印速度和精度是影响细胞存活率的重要指标。因此，打印复杂的组织结构常采取模块化组装策略，以保证细胞较高存活率，在保证细胞存活率的基础上，进一步构建微观基本单元。另外，由于细胞对生存环境要求较高，作为生物3D打印的生物材料不仅要考虑与活体细胞的生物相容性，还要考虑生物材料的可降解性和力学性能。但是目前而言，3D生物打印技术尚未成熟，合理及标准化的构建策略还需要不断成熟和完善。

光固化成型是目前较为成熟的3D打印技术，该技术的基本原理是利用材料的累加成型，将一个立体的三维实体模型利用切片软件切成二维薄片，然后以一定波长的光束扫描液态光敏树脂，使其逐层固化成型，最后层层叠加得到实体材料。目前，市面上常见的光固化打印机主要有SLA光固化3D打印机、DLP光固化3D打印机和LCD光固化3D打印机3种，其中，DLP属于第二代光固化成型技术，具有成型速度快、应用材料广及打印精度高等特点，发展前景更为广阔。其工作原理见图2［7-8］。

图2 DLP 3D打印工作原理Fig.2 Working principle of DLP 3D printing

1 材料与方法

1.1 设备及材料 目前，可用于制造血管支架的生物可降解聚合物主要包括聚乳酸、聚左旋乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯等，不同材料具有不同的力学性能和生物学性能。在传统3D打印中，聚乳酸因其良好的生物相容性而普遍应用，但该材料的强度与韧性相对较差，脆且硬，抗冲击强度较低。因此，目前通常将聚乳酸与其他材料共混、共聚形成新的聚合物，使聚乳酸的成分发生改变，得到力学性能更好的聚合物［9］。

笔者以聚乳酸和聚左旋乳酸为打印材料，分析二者在不同参数条件下的力学性能。所用设备型号为BDP-10型DLP生物3D打印机，其功率为300 kW，分辨率为±50μm，波长范围为400～600 nm（图3）。

图3 DLP生物3D打印机Fig.3 DLP biological 3D printer

1.2 血管支架3D打印 在三维软件中建立管状血管支架模型，设筋款与筋厚相同，均为0.15 mm，支架内径为2 mm，并进行DLP打印，打印结果见图4。

图4 血管支架3D模型Fig.4 3D model of vascular stent

2 结果与分析

采用平面压缩法和三点弯曲法，对不同直径和壁厚的血管支架进行力学性能测试，以分析验证不同参数对血管支架径向支撑性能及纵向柔顺性能的影响规律［10］。试验采用UTM6104型微机控制电子万能试验机进行样件的力学性能测试（图5）。试验参数正交方案见表2。

图5 测试设备Fig.5 Test equipment

表2 不同血管支架参数正交实验方案Tab.2 Orthogonal experimental schemes for different vascular stents parameters

测试完成后，得到不同参数条件下血管支架的力学性能，分别用径向支撑力以及弯曲刚度来表征，径向支撑力表征了血管支架的抗压缩性能，弯曲刚度则表征血管支架的柔顺性，详见表3。

表3 不同参数条件血管支架的力学性能Tab.3 Mechanical properties of vascular stents under different parameters

由于添加的材料能够减小分子之间的相互作用力，使材料的变形能力得到一定程度的提升，使得聚左旋乳酸血管支架的弯曲刚度较小。同时，相比聚乳酸，复合材料聚左旋乳酸血管支架的径向支撑力更大，说明复合材料的抗压缩性能更好。

3 结论

分析了DPL光固化3D成型方法的原理与特点，对采用聚乳酸和聚左旋乳酸2种材料进行了血管支架打印试验，并通过不同参数条件对不同2种材料的支架力学性能进行测试分析。研究结果表明，在支架壁厚和直径相同的条件下，复合材料聚左旋乳酸血管支架的支撑力和纵向柔顺性好，具有更好的弹性。