吳田俊,張祥林,章萬(wàn)乘,陳鵬華,張 闖

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

3D打印是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)將二維結(jié)構(gòu)通過(guò)層層堆疊最終形成三維模型的技術(shù)[1]。生物3D打印技術(shù)是將3D打印技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科結(jié)合形成的一種新興應(yīng)用技術(shù)[2-3]。

在組織工程中,實(shí)現(xiàn)組織再生與修復(fù)的關(guān)鍵是打印出高仿生預(yù)構(gòu)體[4],但因其具有材料多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、功能復(fù)雜性等要求,常用的單噴頭生物3D打印機(jī)往往無(wú)法完成打印工作。因此,開(kāi)發(fā)允許多個(gè)噴頭協(xié)同工作的生物3D打印機(jī)成為必然趨勢(shì)[5]。

因具有材料范圍廣、設(shè)備成本低、成形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),擠出沉積技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物3D打印領(lǐng)域[6]。常見(jiàn)擠出沉積式多噴頭生物3D打印機(jī)噴頭切換方式為并聯(lián)排布切換,即將多個(gè)打印噴頭通過(guò)完全固定的方式安裝在3D打印機(jī)上,每個(gè)噴頭與打印機(jī)之間為確定位置關(guān)系,所有打印噴頭在打印過(guò)程中一起進(jìn)行相同位移運(yùn)動(dòng),發(fā)生相同坐標(biāo)變換。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)加工精度和裝配精度要求很高,噴頭與三維模型之間易產(chǎn)生相互干涉碰撞,導(dǎo)致打印失敗[7]。

同時(shí),不同種類的“生物墨水”對(duì)自身環(huán)境溫度要求不同,往往需要添加噴頭輔助溫控模塊,保證其打印性能的穩(wěn)定性。目前市面上擠出沉積式生物3D打印噴頭大多具有加熱而無(wú)制冷功能,不可實(shí)現(xiàn)廣域控溫,難以滿足不同溫敏特性“生物墨水”的成型溫度要求。在常溫下,不同種類的“生物墨水”保持打印結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力也不同。對(duì)于低粘度的“生物墨水”,由于其自支撐能力較弱,成型過(guò)程中易產(chǎn)生變形、坍塌、融化等缺陷,難以實(shí)現(xiàn)高精度、大尺寸打印,往往需通過(guò)提高濃度、與其他材料混合形成復(fù)合體系等方式。

基于擠出沉積技術(shù),本研究設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多材質(zhì)和梯度化生物模型三維打印功能的多噴頭生物3D打印機(jī)。

1 打印機(jī)運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

生物3D打印機(jī)涉及X、Y、Z3個(gè)方向軸的主運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)組合方式可歸納為3類[8]:

(1)沉積工作臺(tái)做X軸和Y軸復(fù)合運(yùn)動(dòng),打印噴頭做Z軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng),該方式打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,成型所需空間小,但對(duì)于Z軸運(yùn)動(dòng)控制精度要求較高;(2)沉積工作臺(tái)做Z軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng),打印噴頭做X軸和Y軸復(fù)合運(yùn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)形式與CNC機(jī)床類似,易保證較好的剛度要求,但打印噴頭的復(fù)合運(yùn)動(dòng)容易影響出絲的穩(wěn)定性,降低打印質(zhì)量;(3)沉積工作臺(tái)做Y軸(或X軸)獨(dú)立運(yùn)動(dòng),打印噴頭做X軸(或Y軸)和Z軸復(fù)合運(yùn)動(dòng),該運(yùn)動(dòng)方式打印過(guò)程中運(yùn)動(dòng)慣量小,但易使打印模型沿沉積工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng),降低打印精度。

本研究設(shè)計(jì)的多噴頭生物3D打印機(jī)為桌面級(jí)打印機(jī),空間體積要求較小,打印精度要求較高,因此選擇第一類三軸運(yùn)動(dòng)組合方式。X軸與Y軸采用伺服電機(jī)與滾珠絲桿傳動(dòng)方式,定位精度達(dá)2 μm,Z軸采用伺服電機(jī)與同步帶傳動(dòng)方式,定位精度達(dá)3 μm,均可滿足打印要求。

2 打印機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 冷熱一體噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前常用的加熱方式是將熱電阻加熱棒安插在噴頭內(nèi)部進(jìn)行加熱[9],熱電阻加熱棒功率較大,且與噴頭之間接觸面積較小,易導(dǎo)致噴頭局部過(guò)熱,造成噴頭受熱不均,影響打印材料成型性能。

本研究采用聚酰亞胺加熱膜方式對(duì)打印噴頭進(jìn)行加熱;聚酰亞胺加熱膜可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇最佳形狀與尺寸,具有很高的可定制性;聚酰亞胺加熱膜與噴頭之間為面接觸,大大增加加熱面積,使噴頭受熱更加均勻,有效防止局部過(guò)熱。聚酰亞胺加熱膜功率選擇范圍大,可根據(jù)加熱需求選擇最佳功率,以保證溫度需求和控溫穩(wěn)定性。

本研究通過(guò)選取不同加熱參數(shù)的聚酰亞胺加熱膜進(jìn)行加熱測(cè)試,選取功率參數(shù)為7 W,電壓為12 V的聚酰亞胺加熱膜標(biāo)準(zhǔn)件。

為實(shí)現(xiàn)制冷功能,本文采用半導(dǎo)體制冷方式進(jìn)行降溫。在制冷片工作時(shí),需要對(duì)“熱面”進(jìn)行散熱,以達(dá)到低溫目的,并保護(hù)器件安全。常見(jiàn)的“熱面”散熱方式有水冷、空冷和風(fēng)冷。水冷容易造成液體滲漏,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;空冷所需體積太大;風(fēng)冷熱交換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因此被應(yīng)用于該結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

本研究選取不同制冷參數(shù)的半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷測(cè)試,綜合考慮制冷效果與設(shè)計(jì)成本等因素,最終選擇制冷功率為18 W,電壓為12 V,電流為2 A的半導(dǎo)體制冷片標(biāo)準(zhǔn)件。

噴頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴頭結(jié)構(gòu)圖

考慮到打印過(guò)程中材料實(shí)際使用量的不同,設(shè)計(jì)兩種冷熱一體噴頭規(guī)格,分別適配5 mL、10 mL注射器。

2.2 超低溫沉積工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超低溫沉積工作臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)有“S”型水槽,上蓋板和下底板之間通過(guò)四周內(nèi)六角螺釘進(jìn)行緊固連接,并在下底板外圍圍繞一圈密封圈,同時(shí)沿四周涂抹硅橡膠,防止冷卻液滲出。沉積工作臺(tái)兩個(gè)管道接口處分別與低溫冷卻液循環(huán)泵(鄭州特爾,DLSB-10/80)進(jìn)水管、出水管相連。低溫冷卻液循環(huán)泵內(nèi)部裝有冷卻液,溫度可以在-80 ℃～99 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

超低溫沉積工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 沉積工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)冷卻液溫度降到設(shè)定溫度,超低溫狀態(tài)的冷卻液沿進(jìn)口方向流入沉積工作臺(tái),沿水槽進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)帶走沉積工作臺(tái)熱量,再?gòu)某隹诹鞒鲞M(jìn)外循環(huán)機(jī)被重新制冷,完成循環(huán)冷卻,實(shí)現(xiàn)沉積工作臺(tái)超低溫狀態(tài)。材料從噴頭中被擠出至沉積工作臺(tái)上時(shí),超低溫狀態(tài)使打印材料瞬間被冷凍成型,保持三維結(jié)構(gòu)形貌,防止出現(xiàn)變形、坍塌、融化等缺陷[10]。

2.3 噴頭切換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在打印機(jī)Z軸主運(yùn)動(dòng)之外,筆者對(duì)每一個(gè)噴頭再搭配一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制噴頭在Z軸方向上運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)Z軸自由運(yùn)動(dòng)。常見(jiàn)的絲桿裝置包含梯形絲桿和滾珠絲桿。梯形絲桿加工簡(jiǎn)單、成本低,但絲桿螺母與絲桿之間配合間隙大,會(huì)導(dǎo)致重復(fù)定位精度不高;滾珠絲桿采用研磨工藝對(duì)絲桿進(jìn)行精密加工,絲桿螺母內(nèi)部裝有滾珠,與絲桿之間發(fā)生滾動(dòng),可極大程度上減小間隙誤差,提高重復(fù)定位精度,滿足打印精度要求。

為減少切換結(jié)構(gòu)數(shù)量,本研究重新設(shè)計(jì)并采用了一種雙向滾珠絲桿,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙向滾珠絲桿結(jié)構(gòu)圖

雙向滾珠絲桿上下螺紋旋向相反,中間一小段采用光滑過(guò)渡,隔開(kāi)上下螺紋,每段螺紋搭配一個(gè)絲桿螺母進(jìn)行配套傳動(dòng)。絲桿兩端采用軸承座固定在打印機(jī)上,其中一端通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相連。步進(jìn)電機(jī)通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)雙向滾珠絲桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn),此時(shí)上、下兩部分安裝的絲桿螺母則在相反或相向方向(根據(jù)實(shí)際安裝情況)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),這樣便將沿絲桿軸線方向上的兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)一個(gè)雙向滾珠絲桿結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)打印噴頭與雙向滾珠絲桿的上、下螺母其中一個(gè)通過(guò)連接件進(jìn)行固定連接,便可實(shí)現(xiàn)打印噴頭Z軸自由運(yùn)動(dòng)。雙向絲桿定位精度達(dá)0.018 mm,滿足打印精度要求。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究控制系統(tǒng)由PC端控制軟件和底層MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡組成。PC端控制軟件為本實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件,包含模型編輯、切片處理、手動(dòng)調(diào)試以及自動(dòng)打印4個(gè)部分。模型編輯可對(duì)導(dǎo)入三維模型進(jìn)行伸縮變換以及旋轉(zhuǎn)等操作,讓使用者對(duì)打印模型進(jìn)行可視化修改;切片處理主要對(duì)三維模型進(jìn)行切片,將三維模型轉(zhuǎn)換成二維結(jié)構(gòu),生成打印路徑文件,同時(shí)還具有路徑文件導(dǎo)入功能;手動(dòng)調(diào)試主要完成三維平臺(tái)手動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制,進(jìn)行坐標(biāo)原點(diǎn)和加工原點(diǎn)的設(shè)置;自動(dòng)打印主要進(jìn)行打印參數(shù)設(shè)置,包括XYZ三軸運(yùn)動(dòng)速度、噴頭切換速度、多噴頭相對(duì)位置參數(shù)、氣壓保壓時(shí)間等參數(shù)設(shè)置。MPC08運(yùn)動(dòng)控制卡與PC端構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu),根據(jù)PC端傳輸來(lái)的控制信息,包括脈沖信號(hào)、方向信號(hào)、電磁閥啟停信號(hào),控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和電磁閥的開(kāi)閉,完成運(yùn)動(dòng)控制和氣體通斷控制。另外,還可以接收硬件系統(tǒng)中的反饋信息,包括原點(diǎn)信號(hào)、限位信號(hào)、減速信號(hào)等,處理之后傳輸給PC端,實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、保護(hù)等功能。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 噴頭溫控測(cè)試

測(cè)試設(shè)定溫度低于室溫時(shí)進(jìn)行制冷功能測(cè)試,高于室溫時(shí)進(jìn)行加熱功能測(cè)試。溫度到達(dá)設(shè)定溫度后,記錄溫度控制器溫度示數(shù)變化范圍,每個(gè)測(cè)試設(shè)定溫度重復(fù)測(cè)量3次,取溫度變化范圍最大值為溫度正負(fù)誤差值。通過(guò)測(cè)試,本研究設(shè)計(jì)的冷熱一體噴頭可實(shí)現(xiàn)溫度控溫范圍為8 ℃～60 ℃,制冷功能誤差不超過(guò)2 ℃,加熱功能誤差不超過(guò)1.5 ℃。

3.2 多噴頭打印測(cè)試及結(jié)果分析

3.2.1 多噴頭打印過(guò)程

本研究采用雙向滾珠絲桿裝置作為多噴頭生物3D打印機(jī)的噴頭切換結(jié)構(gòu),在打印過(guò)程中通過(guò)對(duì)打印噴頭的調(diào)用切換,將多噴頭打印過(guò)程轉(zhuǎn)化成單噴頭的多次組合打印,有效防止了打印噴頭與三維模型之間發(fā)生干涉碰撞的可能性,實(shí)現(xiàn)了多噴頭打印。噴頭從左至右依次為:第一噴頭、第二噴頭、第三噴頭、第四噴頭。

多噴頭打印過(guò)程如圖4所示。

圖4 多噴頭打印過(guò)程示意圖

圖4中,初始時(shí)刻,兩個(gè)5 mL打印噴頭和兩個(gè)10 mL打印噴頭通過(guò)打印機(jī)Z軸主運(yùn)動(dòng)運(yùn)行到初始位置;控制軟件接收到路徑文件,第一噴頭被調(diào)用,步進(jìn)電機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)雙向滾珠絲桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn),兩個(gè)絲桿螺母分別往相反或相向方向(根據(jù)實(shí)際安裝情況)沿Z軸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)相對(duì)應(yīng)的打印噴頭進(jìn)行Z軸切換,直至第一噴頭下降到設(shè)定高度,第二噴頭由于雙向滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)作用向上位移同等距離,此時(shí)第一噴頭處于4個(gè)噴頭Z軸方向最低位置,與其他噴頭形成高度差,進(jìn)行三維模型打印工作;當(dāng)?shù)谝粐婎^完成打印,第二噴頭被調(diào)用,步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)雙向滾珠絲桿反向旋轉(zhuǎn),絲桿螺母與第一次運(yùn)動(dòng)方向相反方向運(yùn)動(dòng),直至第二噴頭下降到設(shè)定高度,第一噴頭向上位移同等距離,此時(shí)第二噴頭處于4個(gè)噴頭最低位置,與其他噴頭形成高度差,進(jìn)行三維模型打印工作;每一個(gè)噴頭都被通過(guò)同樣控制方式進(jìn)行調(diào)用;直至全部三維模型打印完畢,所有噴頭恢復(fù)到初始狀態(tài);該切換結(jié)構(gòu)保證每次被調(diào)用的打印噴頭均處于4個(gè)噴頭最低位置,已完成部分三維模型與未被調(diào)用噴頭有相應(yīng)的高度差,保證不會(huì)有干涉碰撞產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)多噴頭打印。

3.2.2 打印測(cè)試結(jié)果分析

水凝膠是一類高分子材料,可通過(guò)物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)的方式得到相應(yīng)的聚合物網(wǎng)絡(luò)[11-12],具有良好的親水性[13]。水凝膠具有良好的生物相容性、微小的細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的材料包括海藻酸鈉、明膠、膠原等[14]。

本研究以15wt%羧甲基纖維素鈉水溶液(Sigma,High purity grade)作為打印材料進(jìn)行多噴頭打印測(cè)試,多噴頭打印測(cè)試三維模型如圖5所示。

圖5 多噴頭打印測(cè)試三維模型

該模型長(zhǎng)×寬為16 mm×16 mm,絲間距為0.8 mm,相鄰層之間的層高為0.35 mm,總共16層。采用白色、藍(lán)色、黃色、紅色4種顏色墨水分別對(duì)打印材料進(jìn)行染色處理,分別代表4種“不同材料”進(jìn)行多噴頭打印測(cè)試。每個(gè)噴頭裝有一種材料,按照路徑文件要求打印4層切片模型,打印結(jié)束后依次調(diào)用下一個(gè)打印噴頭,直至全部三維模型打印完成。將打印完成的三維模型迅速進(jìn)行冷凍干燥處理,最后將樣品在顯微鏡下進(jìn)行觀察。

打印參數(shù)如表1所示。

表1 多噴頭打印參數(shù)表

打印結(jié)果如圖6所示。

圖6 打印結(jié)果圖

根據(jù)圖6可以看出,打印模型與測(cè)試模型一致,側(cè)孔清晰可見(jiàn),表明不同噴頭進(jìn)行切換調(diào)用時(shí)均能按照路徑文件要求移動(dòng)相應(yīng)距離,雙向滾珠絲桿精度等級(jí)滿足打印需求,該多噴頭生物3D打印機(jī)可實(shí)現(xiàn)多噴頭打印工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于我國(guó)在多噴頭生物3D打印技術(shù)和裝備方面與國(guó)外相比還有一定差距[15],本研究針對(duì)組織工程中多材質(zhì)和梯度化生物制品的三維打印問(wèn)題,對(duì)噴頭溫控功能、沉積工作臺(tái)制冷功能、噴頭切換方式、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究,提出了一種基于擠出沉積技術(shù)的多噴頭生物3D打印機(jī),為組織工程中實(shí)現(xiàn)多材質(zhì)和梯度化生物模型3D打印提供了技術(shù)上的可能性。

本研究初步只使用了一種材料進(jìn)行多噴頭打印實(shí)驗(yàn),對(duì)于實(shí)際模型中多材料的打印尚未進(jìn)行驗(yàn)證,因此,下一階段將針對(duì)多材料的多噴頭三維模型打印問(wèn)題進(jìn)行研究。