一種基于生物高分子預制棒材的熔融沉積型3D打印方法與流程

本發明屬于生物醫藥工程技術領域，涉及一種生物高分子預制棒材與降溫打印噴頭有效結合新型打印方法，在保證棒材順利推進熔化擠出同時維持有機高分子材料本身的優越性能，定量化棒材的設計有效避免在實際打印過程中生物醫用高分子材料污染和浪費。

背景技術：

3d打印技術(又稱3d快速成型技術或者增材制造技術)是一項新型制造技術，它是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計(cad)模型或者計算機斷層掃描(ct)等數據，通過材料的精確3d堆積，快速制造任意復雜形狀3d物體的新型數字化成型技術。目前3d打印技術在國際上已開始被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細胞或組織打印等方面。例如，在骨科、口腔頜面外科等外科疾病中通常需要植入假體代替損壞、切除的組織，以恢復相應的功能以及外觀。

生物醫用有機高分子材料因其優異物理化學性能和較高的機械強度及其良好的生物相容性，在生物3d打印過程中被廣泛用作個性化組織工程材料以及細胞或者組織打印等方面。熔融沉積型技術(fuseddesopitionmodeling，fdm)是熱塑性高分子材料的3d打印主流技術之一，其利用熱塑性材料的熱熔型，粘接性，通過步進電機將熱塑材料送進打印噴頭并加熱成融態擠出。傳統的fdm所使用的原料通常為熔融溫度偏低的熱塑性高分子絲材。絲材生產成本低，加工性能良好，但其絲材易受熱軟化膨脹，堵塞進料喉管，影響連續穩定打印；現有技術實用新型專利(申請號：201620025599.9)公開了一種熔融沉積型3d打印機的降溫打印噴頭，該設計保證了耗材順利推進和熔化擠出，提高了打印順暢性。但實際fdm在醫療臨床應用過程中，仍存在打印耗材易受潮氧化等問題，會直接影響成型件的質量和性能，同時絲材通常生產量大，材料成本高，在醫學工程使用過程中容易造成材料污染和浪費等問題仍得不到解決；另外在組織工程領域支架制作過程中出現另一種顆粒式進料噴頭裝置，它采用圓柱料筒加熱熱塑性粒料使其熔化，并保持在恒定熔融溫度下，通過氣壓或螺桿實現熔融物從噴嘴定量擠出，這種進料方式，成形材料廣，打印精度高，但粒料需在料筒中完全加熱熔融后擠出成型，不僅容易導致材料掛壁現象，而且高溫長時間加熱易造成分子鍵斷裂，材料降解，嚴重影響高分子材料的良好性能。

技術實現要素：

本發明目的是為了解決現有技術中存在的以上技術問題，提供一種生物預制棒材與特制打印噴頭有效結合新型打印方法，在保證棒材順利推進熔化擠出同時維持有機高分子材料本身的優越性能，并且有效避免了在實際打印過程中生物醫用高分子材料污染和浪費。

為達到上述目的，本發明提供的一種預制棒與3d降溫打印噴頭有效結合的技術方案，具體步驟如下：

步驟(1)、生物高分子材料預制棒材的制備

1.1取一定量的高分子材料顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的粉狀材料于真空干燥器中常溫干燥一段時間后過篩，備用。

1.2粉狀樣品密度的測定：取單位體積的高分子材料粉末，電子天平測得其質量，計算出粉末的密度。

1.3稱重：用游標卡尺測量粉壓模具的高及內孔直徑，計算出其容積。通過樣品的密度，計算出加樣的質量。用電子天平稱取相同質量的樣品。

1.4高壓成型：將稱取的粉末樣品用硫酸紙加入粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至一定壓力保壓一段時間，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出生物高分子預制棒材。

1.5粉壓樣品密度的測量：用游標卡尺測粉壓樣品的高、橫截面積的直徑，計算出預壓樣品的體積。用電子天平稱其質量，計算出粉壓樣品的密度。

1.6對上述所得的生物醫用高分子棒材進行滅菌處理后，采用真空包裝成品。

進一步地，所述步驟1.1中，高分子材料粉包括聚乙醇酸(pga)，聚己內酯(pcl)、聚乳酸(pla)、乙交酯-丙交酯共聚物(plga)、聚對二氧環己酮(ppdo)等中的一種或者幾種，所述過目篩的目數為10-50目。

所述步驟1.3模具內孔直徑為5.0-30.0mm。

所述步驟1.4加壓并保持一段時間為加壓10-50mpa保持1-10min。

所述步驟1.4高分子預制棒材壓制高度為5-50mm。

所述步驟1.6包裝方式可采用單個長棒材直接真空包裝，亦可多個短棒材疊加包裝。

步驟(2)、打印過程

2.1取一定規格高分子材料預制棒材加入到特制3d打印噴頭的料筒內。

2.2啟動降溫模塊及儲料筒的加熱器件，將高分子材料預制棒材加熱至其熔點，待高分子材料預制棒材能順利推進熔化擠出成絲，導入cad模型，并適當調整生物打印機的打印參數。

2.3啟動打印程序，支架打印頭在具有層片信息的cad模型直接驅動下，將材料擠出成型。

所述步驟2.1中特制3d打印噴頭為預制棒材特制打印噴頭。該打印噴頭包括噴頭殼體，以及設置在殼體內的增壓擠出模塊、預制棒材儲料筒模塊、底端加熱模塊；

預制棒材儲料筒模塊包括儲料筒、散熱環、ptfe(聚四氟乙烯)管和噴嘴；散熱環設置在儲料筒外側，用于增大散熱面積，促進橫向散熱，阻止縱向散熱，以保證儲料筒內部的預制棒材有足夠的硬度和強度能順利推進融化擠出；儲料筒內設有ptfe管，從而增加料筒內部潤滑度，減少預制材與料筒的摩擦；噴嘴通過密封螺紋安裝在儲料筒的下端，以控制出絲直徑；

增壓擠出模塊包括增壓氣缸、增壓氣缸活塞、料筒接頭和頂料活塞，所述的增壓氣缸的下方固定設有用于連接儲料筒的料筒接頭，增壓氣缸內增壓氣缸活塞與活塞桿的上端固定連接，活塞桿的下端與頂料活塞固定連接；當增壓氣缸通過料筒接頭與儲料筒固定連接后，活塞桿能夠順利進入ptfe管內，從而頂壓放入ptfe管內的高分子材料預制棒材；

底端加熱模塊包括加熱環，加熱環設于儲料筒下端與噴嘴外周；該加熱環內部集成有加熱器件、傳感器、控制器；控制器用于采集傳感器信號與外部控制信號，同時對加熱器件進行溫度控制。

進一步地，所述儲料筒選用耐高溫材質，其應導熱性能差，減少噴頭加熱端與料筒之間的熱傳遞。

所述的噴頭外殼上設置制冷片裝置，由制冷片、散熱環配合構成降溫模塊，達到良好的散熱效果。

所述的頂料活塞的直徑小于增壓氣缸活塞，使得壓力成倍數得以放大，擴大棒材壓力控制范圍，所述的倍數為5-30倍。

所述的棒材儲料筒，在實際應用時，通過固定套組件架空固定在所述的噴頭殼體內部。

本發明相對于現有技術，有以下優點：

①本發明定制化生物材料預制棒，其結構原理簡單，操作方便，使用自由度高。同時可定制化生物預制棒材可依量取用，減少了在臨床使用時材料浪費等問題，進一步滿足臨床需求。

②噴頭料筒密封環境的設計可保證材料在無菌條件進入打印環節，有效避免了fdm生物高分子絲材受潮氧化等污染問題。

③特制3d打印噴頭采用增壓擠出模塊、儲料筒散熱模塊及噴頭加熱模塊的有效集成，從而保證預制棒材順利推進熔化擠出同時維持有機高分子材料本身的優越性能，面向臨床醫學組織工程領域，也有效避免了在實際打印過程中生物醫用高分子材料污染和浪費。

④生物高分子預制棒材與3d降溫打印噴頭的結合使用，不僅保證棒材保持足夠的硬度能順利推進熔化擠出，同時又避免因長時間高溫導致棒材強度下降或高分子材料熱降解，保證生物高分子材料高精度高質量打印，在臨床醫學組織工程領域具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明方法流程圖；

圖2為特制3d打印噴頭結構示意圖；

其中噴頭殼體1，增壓氣缸活塞2，增壓氣缸3，活塞桿4，制冷片5，頂料活塞6，散熱環7，儲料筒8，加熱環9，噴嘴10，料筒接頭11，ptfe管12。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明，以聚丙交酯為例:

實施例1-1：

1)取一定量聚丙交酯(pla)顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用28目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)取單位體積的聚丙交酯高分子材料粉末，電子天平測得其質量0.90g，計算出粉末的密度0.90g/cm³，根據容積為1.13cm³模具計算出加樣的質量1.02g，并用天平稱取相同質量的樣品。

3)將稱取的粉末樣品用硫酸紙加入直徑5mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至15mpa并保壓4min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得聚丙交酯預制棒材。

4)粉壓樣品密度的測量：用游標卡尺測粉壓樣品的高、橫截面積的直徑，計算出預壓樣品的體積。用電子天平稱其質量，計算出粉壓樣品的密度。5)對上述所得的生物醫用高分子棒材經過滅菌方式處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-2～1-4：

將實施例1-1中步驟3)的成型壓力15mpa分別改為10mpa、20mpa、25mpa，其余實驗條件與實施例1-1相同，最終制備得到所需的預制棒材。

表1成型壓力對棒材的相對密度和出絲時間的影響

表1可知，成型壓力低于15mpa時，雖出絲時間較短，但其抗壓強度低，且出絲伴有氣泡，容易出現斷絲現象，成型精度低。高于15mpa，出絲時間長，材料易降解。因此本發明實施例1-1聚丙交酯預制棒材選取最佳成型壓力為15mpa。其他高分子材料預制棒材成型壓力可根據其自身性質確定。

實施例1-5～1-9：

將實施例1-1中直徑5mm模具分別改為6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，其余實驗條件與實施例1-1相同，最終制備得到所需的預制棒材。

表2棒材直徑對打印擠出速度和出絲時間的影響

表2表明，棒材直徑對棒材擠出速度和打印出絲時間的影響并不明顯。可見棒材規格的設計自由度較高，可根據臨床需求定量化設計。

實施例1-10：

1)取一定量pcl顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用24目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將pcl高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑5mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至20mpa并保壓6min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得pcl預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-11：

1)取一定量pga顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用35目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將pga高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑10mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至10mpa并保壓7min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得pga預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-12：

1)取一定量plga顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用30目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將plga高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑8mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至25mpa并保壓3min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得plga預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-13：

1)取一定量ppdo顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用28目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將ppdo高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑8mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至30mpa并保壓3min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得ppdo預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-14：

1)取一定量ppdo顆粒、pla顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用30目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將ppdo/pla復合高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑8mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至30mpa并保壓5min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得ppdo/pla復合預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例1-15：

1)取一定量pga顆粒、pla顆粒用粉碎機進行粉碎，并置于研缽中進一步研磨，將研磨后的材料于真空干燥器中常溫干燥24h后采用30目分樣篩進行過篩處理，所得粉料備用。

2)將pga/pla復合高分子材料粉末用硫酸紙加入直徑8mm粉壓模具內，將稱有樣粉的模具放置在液壓兩面頂上，加壓5mpa并保壓3min直至預壓樣品成圓柱狀，繼續勻速加壓至15mpa并保壓6min，勻速減壓后，取下模具的底蓋，取出成型棒材，則得pga/pla復合預制棒材。

3)通過滅菌處理，檢驗后真空包裝成品。

實施例2-1：將實施例1-1制備而得的聚丙交酯預制棒材結合3d降溫打印噴頭進行打印。

采用生物打印機，取6×40mm聚丙交酯預制棒材加入到特制打印噴頭的儲料筒內，啟動打印裝備水冷循環及儲料筒的加熱裝置，將高分子預制棒材加熱到195℃，加熱至棒材能順利推進熔化擠出成絲，導入15×15×5mm長方體cad模型，并適當調整生物打印機的打印參數。啟動打印程序，支架打印頭在具有層片信息的cad模型直接驅動下，將材料擠出，在潔凈載物片上打印出相應支架。打印頭直徑為0.21-0.41mm，擠出速度為0.05-0.30mm/s，打印速度為3.0-8.0mm/s，層厚0.18-0.38mm，打印氣壓0.05-0.55mpa。優選的，打印頭直徑為310μm，擠出速度為0.15mm/s，打印速度為4.5mm/s，層厚0.28mm。不同的層面之間再層層交錯疊加粘結，三維結構體。結構體的孔隙直200μm，孔隙率為85％。

實施例2-2～2-3：

將實施例2-1中打印方式改為fdm，及圓柱料筒加熱熔融打印方式，其余實驗條件與實施例2-1相同，，其對比如下：

表3不同打印方式的比較

試驗表明，在具體應用環境下，本發明生物高分子預制棒材結合降溫打印噴頭打印相較于其他打印方式表現出良好的穩定性，材料出絲均勻，打印成型件精度高，預制棒材自身性能未受到明顯影響，同時棒材包裝與規格的設計有效避免了fdm絲材打印的污染和浪費等問題，保證生物高分子材料高質量打印，在臨床醫學組織工程領域具有廣泛的應用前景，這是本過程實現的關鍵技術，也是本專利的創新之處。

上述所采用的特制3d打印噴頭為預制棒材特制打印噴頭，見圖1、2。該打印噴頭包括噴頭殼體1、增壓擠出模塊、預制棒材儲料筒模塊、底端加熱模塊；

增壓擠出模塊包括增壓氣缸3、增壓氣缸活塞2、料筒接頭11和頂料活塞6，所述的增壓氣缸3的下方固定設有用于連接儲料筒8的料筒接頭11，增壓氣缸3內增壓氣缸活塞2與活塞桿4的上端固定連接，活塞桿4的下端與頂料活塞6固定連接；

預制棒材儲料筒模塊包括儲料筒8、散熱環7、ptfe管12和噴嘴10；散熱環7設置在儲料筒8外側，用于增大散熱面積，以保證儲料筒8內部的預制棒材有足夠的硬度和強度能順利推進融化擠出；儲料筒8內設有ptfe管12，從而增加料筒8內部潤滑度，減少預制材與料筒的摩擦；噴嘴10通過密封螺紋安裝在儲料筒8的下端，以控制出絲直徑；

底端加熱模塊靠近打印噴頭裝置，其中加熱環9內部集成有加熱器件和傳感器、控制器；控制器用于采集傳感器信號與外部控制信號，對加熱器件進行溫度控制。

所述儲料筒選用耐高溫材質，其應導熱性能差，減少噴頭加熱端與料筒之間的熱傳遞；

所述散熱環設置在儲料筒外側除用于增大散熱面積，亦可促進橫向散熱，阻止縱向散熱。以保證儲料筒內部的棒材有足夠的硬度和強度能順利推進融化擠出；儲料筒內設有ptfe管，用以增加料筒內部潤滑度，減少棒材與料筒的摩擦；

所述的噴頭外殼上設置制冷片裝置，配合散熱環，達到良好的散熱效果。

所述的頂料活塞的直徑設計小于增壓氣缸活塞，使得壓力成倍數得以放大，擴大棒材壓力控制范圍，所述的倍數為5-30倍。

所述的棒材儲料筒，在實際應用時，通過固定套組件架空固定在所述的噴頭殼體內部。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。