陳海蓮 ，梁宇熙 ，陽范文 ，陳錦龍 ，宋佳奇 ，李榮榮 ，魏悅姿 ，章喜明 ，田秀梅 ，周苗

(1.廣州醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，廣州 511436； 2.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，廣州 510500)

目前，臨床治療腫瘤主要有化療、放療和手術(shù)切除等方法[1–2]。其中，放療具有適應(yīng)癥寬、療效較好等優(yōu)點(diǎn)，在臨床應(yīng)用日益增多。近年來，隨著三維立體定向放療技術(shù)的發(fā)展，普通放療逐步被三維立體高精度定向放療取代，腫瘤放療步入“精確定位、精確計(jì)劃、精確放療”的“三精時(shí)代”[3–4]?！叭狈暖熞蟛捎昧Ⅲw定向系統(tǒng)，對(duì)患者在放療過程中的擺位要求精準(zhǔn)度高、可重復(fù)性好[5–6]。因此，對(duì)患者放療體位附加約束裝置——體位固定器[7–8]，是獲得精準(zhǔn)放療的前提。臨床上采用熱塑膜、簡易腹板、乳腺托架等[9–10]進(jìn)行體位固定時(shí)，由于定位裝置與體型匹配度差，定位時(shí)存在精準(zhǔn)性不佳、重復(fù)性不好和舒適性差等不足。

采用3D 打印技術(shù)，根據(jù)患者體型特征和放療部位的定位需求，研發(fā)定位精準(zhǔn)和重復(fù)性好的體位固定器可滿足“三精”放療的要求[11–12]。聚己內(nèi)酯(PCL)具有良好的柔韌性和可降解性能，是目前用于放療體位固定熱塑膜的主要原材料，對(duì)其進(jìn)行改性可獲得收縮率低、固定效果好的3D 打印材料[13–14]。腫瘤放療過程因患者病情不同，可能需要2~30次不等的放療。體位固定器在醫(yī)院長期存放，存在交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要開展體位固定器的抗菌研究。一些研究者采用聚吡咯包覆層狀雙羥基金屬氧化物[15]、銀離子[16]和納米氧化鋅[17]對(duì)PCL 進(jìn)行抑菌改性[15–17]，獲得了較好的抑菌效果。也有一些研究者對(duì)PCL 復(fù)合材料進(jìn)行3D 打印研究[18]，以期用于制備骨科用組織工程支架材料。但將PCL進(jìn)行抑菌改性并通過3D 打印用于制備腫瘤放療防護(hù)器具的研究尚未見諸報(bào)導(dǎo)。

筆者選用PCL 為基材，以價(jià)廉易得的滑石粉和納米氧化鋅分別為填充劑和抑菌劑，通過雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融共混，制備具有抑菌功能、高性價(jià)比的3D 打印PCL 改性材料。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)患者體型構(gòu)建3D 模型，采用3D 打印技術(shù)制備定位精準(zhǔn)、重復(fù)性好的腿腹部放療體位固定器，為腫瘤放療提供一種定位精準(zhǔn)、操作方便的新型體位固定器，在腫瘤放療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

PCL：3D 打印級(jí)，深圳光華偉業(yè)股份有限公司；

滑石粉：83–15–98GB，廣西龍勝華美滑石粉開發(fā)有限公司；

偶聯(lián)增容改性劑：YY–5021，廣州源泰合成材料有限公司；

納米氧化鋅：LT–95，粒徑5~10 nm，株洲澤湘實(shí)業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–1，粒徑 10~20 nm，株洲澤湘實(shí)業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–2，粒徑 20~30 nm，株洲澤湘實(shí)業(yè)有限公司；

納米氧化鋅：LT–95–4，粒徑 40~100 nm，株洲澤湘實(shí)業(yè)有限公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)：MEDI–22／40 型，廣州普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；

熱壓成型機(jī)：BL–6170–A 型，東莞寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司；

沖片機(jī)：CP–25 型，上?；C(jī)械四廠；

萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT40204 型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

熔體流動(dòng)速率(MFR)測(cè)試儀：MTM1000 型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

轉(zhuǎn)矩流變儀：RT0I–55／20 型，廣州市普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；

3D 線材擠出成型機(jī)：單螺桿直徑20 mm，廣州普同實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司；

3D 精密掃描儀：EinScan Pro 2X 型，杭州先臨三維公司；

3D 打印機(jī)：TT1 型，廣州暢德科技有限公司；

超凈工作臺(tái)：BCL–1360A／B 型，京北亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司；生物安全柜：BCG601 型，美國BAKER 公司；酶標(biāo)分析儀：TOM–3MK 型，上海托莫斯科學(xué)儀器有限公司。

1．3 PCL 改性材料及試樣制備

將PCL、滑石粉、YY–5021 和納米氧化鋅按照配方設(shè)計(jì)稱量，采用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融共混并造粒，設(shè)置擠出溫度150℃、轉(zhuǎn)速250 r／min。

采用熱壓成型機(jī)將上述制備的粒料熱壓成厚度為1 mm 的薄片，設(shè)置熱壓溫度160℃、預(yù)熱時(shí)間5 min、熱壓時(shí)間1 min、冷卻時(shí)間2 min。用沖片機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1．4 PCL 3D 打印線材制備

采用3D 線材擠出成型機(jī)制備PCL 3D 打印線材，設(shè)置溫度 150 ℃、主機(jī)轉(zhuǎn)速 50 r／min、牽引速度20 mm／s、收卷張力10%，控制直徑為(1.75±0.05) mm。

1．5 3D 建模和打印

首先，采用高精度3D 精密掃描儀對(duì)患者腫瘤放療體位進(jìn)行掃描，獲得患者待固定體位的3D 掃描圖像。然后，采用3D 軟件進(jìn)行模型的切割、修飾和融化等操作，根據(jù)患者體位特征開展體位固定器的個(gè)性化設(shè)計(jì)，構(gòu)建體位固定器的3D 打印模型。

將設(shè)計(jì)好的3D 模型轉(zhuǎn)化為切片文件的stl 格式，然后導(dǎo)入3D 打印機(jī)，設(shè)置溫度、打印速度和填充度等打印參數(shù)，執(zhí)行打印命令并打印出體位固定器樣品。

1．6 性能測(cè)試

(1) PCL 改性材料性能測(cè)試。

拉伸性能按 GB／T 1040.3–2006 測(cè)試，試樣放置24 h 后，拉伸速率為500 mm／min。

MFR 按 GB／T 3682.1–2018 測(cè)試，測(cè)試溫度160℃、載荷 2.16 kg。

平衡扭矩通過轉(zhuǎn)矩流變儀測(cè)試，稱量48 g 材料加入轉(zhuǎn)矩流變儀中，設(shè)定溫度150℃、轉(zhuǎn)速50 r／min，待扭矩達(dá)到平衡后獲得平衡扭矩值。

抑菌性能按 GB／T 31402–2015 測(cè)試，測(cè)試材料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果。

(2) PCL 3D 打印體位固定器性能測(cè)試。

耐曲撓性能測(cè)試：將固定器彎折90°后復(fù)原，如此反復(fù)直到出現(xiàn)裂痕，以出現(xiàn)裂痕的彎折次數(shù)評(píng)價(jià)其耐曲撓性能。

2 結(jié)果與討論

2．1 滑石粉對(duì)PCL 改性材料性能的影響

固定YY–5021 含量(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為1%，滑石粉含量分別為0%，10%，20%，30%，40%，研究滑石粉含量對(duì)PCL 改性材料流變性能和力學(xué)性能的影響。

(1)流變性能。

滑石粉含量對(duì)PCL 改性材料MFR 的影響見圖1。由圖1 可見，隨著滑石粉含量增加，改性材料的MFR 呈先增加后下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)滑石粉含量為10%時(shí)達(dá)到最大值2.69 g／10 min，隨后滑石粉含量增加，MFR 不斷降低。可以發(fā)現(xiàn)，滑石粉含量從10%增加至40%，MFR 下降明顯，這可能是由于YY–5021 是一種偶聯(lián)增容改性劑，熔融共混過程中能與滑石粉產(chǎn)生偶聯(lián)效應(yīng)，增加滑石粉與PCL 大分子之間的相互纏繞，對(duì)大分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙效應(yīng)，滑石粉含量越多，阻礙效應(yīng)增強(qiáng)，故MFR 降低明顯。

圖1 不同滑石粉含量PCL 改性材料的MFR

滑石粉含量對(duì)PCL 改性材料平衡扭矩的影響見圖2。由圖2 可見，隨著滑石粉含量增加，平衡轉(zhuǎn)矩呈先下降后增加的變化趨勢(shì)，與MFR 的變化規(guī)律正好相反。當(dāng)滑石粉含量為10%時(shí)，平衡扭矩最小，為3.2 N·m。同樣可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑石粉含量超過10%時(shí)，平衡扭矩不斷增加，這也可能是YY–5021 產(chǎn)生的增容偶聯(lián)效應(yīng)阻礙大分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果?；厶砑恿吭酱?，阻礙效應(yīng)越明顯，流動(dòng)阻力越大，故平衡扭矩不斷增加。

圖2 不同滑石粉含量PCL 改性材料的平衡扭矩

(2)力學(xué)性能。

滑石粉含量對(duì)材料的拉伸性能影響見圖3 和圖4。由圖3 可見，隨著滑石粉含量增加，材料的拉伸強(qiáng)度逐步增大，當(dāng)滑石粉含量為40%時(shí)達(dá)到最大值23.4 MPa。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是YY–5021 在滑石粉和PCL 基體之間產(chǎn)生了良好的偶聯(lián)增容效應(yīng)，且片狀的滑石粉產(chǎn)生補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)所致?；酆吭礁?，補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)越明顯，故拉伸強(qiáng)度不斷提高。由圖4可見，隨著滑石粉含量增加，材料的斷裂伸長率呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)滑石粉含量為10%時(shí)，斷裂伸長率達(dá)到最大值813%。隨著滑石粉含量繼續(xù)增加，斷裂伸長率逐步降低?？赡芘c配方中滑石粉含量增加導(dǎo)致的PCL 基體和滑石粉的界面增加從而使產(chǎn)生微裂紋的概率增加有關(guān)，故斷裂伸長率逐步降低。

綜合考慮加工性能和力學(xué)性能，當(dāng)配方中滑石粉含量為10%時(shí)為最佳配方。材料的MFR 為2.69 g／10 min、拉伸強(qiáng)度達(dá)到 19.4 MPa、斷裂伸長率為813%，完全可以滿足3D 打印體位固定器的要求。

圖3 不同滑石粉含量PCL 改性材料的拉伸強(qiáng)度

圖4 不同滑石粉含量PCL 改性材料的斷裂伸長率

2．2 納米氧化鋅對(duì)PCL 改性材料抑菌性能的影響

為了解決體位固定器在醫(yī)院長期存放存在交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，在上述滑石粉填充PCL 改性材料最佳配方基礎(chǔ)上，添加納米氧化鋅為抑菌劑，研究四種不同納米氧化鋅對(duì)材料抑菌性能的影響，具體配方如表1 所示，抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5 可知，未添加納米氧化鋅的材料A，在接種金黃色葡萄球菌和大腸桿菌后，從0 h 到48 h，菌落數(shù)量有明顯增加，說明該配方?jīng)]有抑菌效果。而材料B，C，D，E 接種48 h 后，菌落數(shù)量明顯減少，其中在B，C 和E 中觀察到少量的菌落，而在D 中基本沒有看到菌落的存在，說明添加4%的納米氧化鋅(LT–95–2)具有良好的抑菌效果，且經(jīng)流變和力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)4%的納米氧化鋅(LT–95–2)對(duì)材料的流變和拉伸性能影響很小。

表1 PCL 抑菌改性材料各組分含量 %

圖5 PCL 抑菌改性材料的抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，PCL 抑菌改性材料的最佳配方為：PCL 85%，YY–5021 1%，納 米 氧 化 鋅 (LT–95–2)4%，滑石粉10%。材料的MFR 為2.5 g／10 min、拉伸強(qiáng)度為19.3 MPa、斷裂伸長率為803%。

2．3 體位固定器的3D 打印研究

采用熔融沉積方法打印體位固定器，固定填充度100%、底層打印速度15 mm／s 和底板溫度30℃保持不變，改變打印溫度(200~240℃)和填充打印速度(20~40 mm／s)，考察了不同打印工藝參數(shù)下體位固定器的打印過程以及打印件的外觀、尺寸偏差和曲撓90°不開裂次數(shù)，篩選最佳打印工藝參數(shù)。打印工藝參數(shù)設(shè)置和結(jié)果見表2。

表2 3D 打印工藝參數(shù)與結(jié)果

從表2 可知，打印溫度200℃、填充打印速度20 mm／s 時(shí)，3D 打印產(chǎn)品的外觀不良，表現(xiàn)為粗糙和裂紋(見圖6)，曲撓90°不開裂次數(shù)僅為5 次；打印溫度240℃時(shí)，容易出現(xiàn)卡料，無法順利打印。在打印溫度220℃條件下，隨著填充打印速度增加，產(chǎn)品的外觀變好，尺寸偏差減小，曲撓90°不開裂次數(shù)增加；當(dāng)填充打印速度為40 mm／s 時(shí)，制備了外觀良好(見圖7)、尺寸偏差≤0.11%和曲撓90°不開裂次數(shù)達(dá)到81 次的體位固定器。

綜上所述，體位固定器3D 打印的最佳工藝條件為：打印溫度220℃、填充打印速度40 mm／s、填充度100%、底層打印速度15 mm／s 和底板溫度30℃。

圖6 溫度200℃時(shí)3D 打印體位固定器照片

圖7 溫度220℃時(shí)3D 打印體位固定器照片

3 結(jié)論

(1)隨著滑石粉含量增加，PCL 改性材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增大，MFR 和斷裂伸長率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)滑石粉含量為10%時(shí)MFR 和斷裂伸長率到達(dá)最大值，分別為2.69 g／10 min 和813%；平衡扭矩隨之呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)滑石粉含量為10%時(shí)到達(dá)最小值3.2 N·m。

(2)添加納米氧化鋅 (LT–95–2)的 PCL 抑菌改性材料對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌效果最佳，PCL 抑菌改性材料最佳配方為PCL 85%，納米氧化鋅 (LT–95–2) 4%，YY–5021 1%，滑石粉 10%，其 MFR 為 2.5 g／10 min、拉伸強(qiáng)度 19.3 MPa、斷裂伸長率803%。

(3)在打印溫度220℃、填充打印速度40 mm／s 條件下打印出外觀良好、尺寸偏差≤0.11%和曲撓90°不開裂次數(shù)達(dá)到81 次的體位固定器。