王程錦，康雙珠，張 磊，孫 偉

（ 清華大學機械工程系，北京市生物制造與快速成型重點實驗室，北京 100084 ）

在臨床上，冠脈支架介入治療是應對冠狀動脈硬化的主要手段[1]。 近年來越來越多的研究集中于可降解冠脈支架方向，可降解冠脈支架完成血管的支撐后，能在一定時間內(nèi)降解，大大降低了血管再狹窄和支架內(nèi)血栓的可能性，是國內(nèi)外公認的冠脈支架的發(fā)展方向[2]。 在血管支架產(chǎn)業(yè)上，冠脈支架的加工方式主要是激光雕刻， 這種加工方式精度高、效率高，但是有明顯的缺陷[3]。 首先，用激光將管材切割成鏤空的網(wǎng)狀結構， 大部分的材料被割棄，造成了巨大的材料浪費；其次，激光雕刻更適合加工圓柱形支架，而冠狀動脈有一定錐度，圓柱形支架撐開以后會產(chǎn)生應力不平衡，一端的過度支撐容易造成血管損傷，會加重血管堵塞[4]；再者，激光雕刻的支架絲徑截面是方形，這種方形截面對血液的流場有不利的影響[5]。

本試驗設計研發(fā)了用于血管支架成型的3D 打印設備，采用3D 打印技術中的熔融擠出（FDM）技術將支架材料加熱到熔融狀態(tài)， 然后通過噴嘴擠出，在圓錐面上打印成冠脈支架的結構，理論上可解決激光雕刻加工的不良影響。 本文介紹了冠脈支架打印和常規(guī)3D 打印的不同之處， 并給出了適用于顆粒狀材料的高精度冠脈支架3D 打印平臺及微螺桿噴頭的研發(fā)和冠脈支架打印的主要工藝參數(shù)，最后用兩種可降解材料聚己內(nèi)酯（PCL）和左旋聚乳酸（PLLA）對打印系統(tǒng)和工藝參數(shù)進行了驗證打印。

1 3D 打印冠脈支架概述

1.1 3D 打印冠脈支架的材料

可降解冠脈支架的材料主要有鐵基合金、鎂基合金、鋅基合金和可降解聚合物，其中金屬合金支架大都處于研發(fā)階段，缺陷都比較明顯，不適于3D打印[6]。 用于冠脈支架材料的可降解聚合物種類不多，最常見的是PLLA，它是L-丙交酯聚合而成的高分子材料，生物相容性好，可以完全降解成二氧化碳與水，對人體無危害及毒副作用，安全性和可靠性得到了充分的驗證，被廣泛用于醫(yī)療器械中[7]。 本試驗用PCL 和PLLA 為打印材料， 其中PCL 熔點低、黏度小、成型溫度范圍廣、成型容易，十分適合用于驗證打印系統(tǒng)的成型性能，PCL 和PLLA 的材料參數(shù)見表1。

表 1 PCL 和 PLLA 主要性質(zhì)

1.2 冠脈支架的成型方法

常規(guī)的3D 打印是基于笛卡爾坐標系， 在一個平面上打印，將材料層層堆積成為三維結構；而血管支架是高鏤空率的圓柱或圓錐形網(wǎng)狀結構，如果采用常規(guī)的3D 打印方法，需要大量的支撐結構。 支撐結構對材料浪費巨大，且拆除支撐過程中留下的毛刺和帶來的結構破壞也嚴重影響了支架的力學性能。 本文提出了基于圓錐面的曲面打印技術，建立在一個圓柱坐標系中，在圓錐面上進行支架的打印，完全避免了使用支撐結構，示意見圖1。

2 冠脈支架打印系統(tǒng)設計

2.1 3D 打印系統(tǒng)

用于冠脈支架的3D 打印系統(tǒng)有兩個要求，一是運動精度要求高，二是噴嘴口徑要求小，擠出力需求大，一般的商業(yè)3D 打印機難以滿足這些要求。圖2 是本課題研發(fā)的高精度打印平臺并配備小噴嘴口徑的微螺桿噴頭， 最大程度滿足上述要求，打印平臺的冠脈支架的直徑一般為2～3.5 mm，支架支撐桿寬度一般約為200 μm。 為了保證支架的力學性能，打印平臺的運動精度應至少達到±5 μm。

運動平臺的特點是運動幅度小、 重復定位頻繁，進行高頻度的短程往復運動。 本試驗設計的打印運動平臺整體尺寸約400 mm×400 mm×400 mm，其中有效打印尺寸達到220 mm×220 mm×220 mm。傳動部分采用滾珠絲杠加支撐導軌的形式，滾珠絲杠的行程為2 mm； 驅(qū)動部分用步進電機和編碼器組合，編碼器線數(shù)為1000 線，理論上電機可以實現(xiàn)0.36°的旋轉(zhuǎn)分辨率；絲杠旋轉(zhuǎn)一周的最大游隙誤差為 4 μm，300 mm 行程游隙誤差不超過 6 μm；控制部分采用PMAC clipper 控制板卡，伺服周期可達微秒級別，可實現(xiàn)平臺五軸的聯(lián)動控制，確保在打印過程中的運動控制精度。

2.2 微螺桿噴頭研發(fā)

臨床上廣泛使用的金屬冠脈支架的支撐桿寬度一般在200 μm 左右。以此為標準，將噴嘴口徑也定在200 μm，噴嘴口長度0.5～1 mm，屬于典型的細長孔，應用參照流體在細長孔中的壓降公式[8]：

式中：ΔP 為噴嘴內(nèi)外壓差； q 為擠出的流量； μ 為流體的動力黏度； l 為小孔長度； d 為小孔直徑。 從公式中可以看出，噴頭的擠出壓力與噴嘴口徑的四次方呈線性關系，表示噴嘴口徑對于擠出壓力十分敏感。 常用的商業(yè)FDM 打印機的噴嘴口徑約為400 μm，若將口徑換為200 μm，所需壓力需提高約16 倍，這將導致摩擦輪打滑甚至絲材脆斷。此外，現(xiàn)有的商業(yè)打印機都只能用絲狀材料，這限制了材料的來源與形式。

仿照螺桿注塑機的結構，試驗設計了一種使用顆粒材料的微螺桿擠出噴頭， 可承受較大的擠出力，該噴頭采用三段式結構，分為加料段、壓縮段和計量段[9]。 加料段的作用是將加入的材料向內(nèi)部傳輸，在傳輸過程中材料的溫度從常溫逐漸升高至熔點，材料逐漸軟化，彈性模量急劇下降，表面變粘；壓縮段的作用是將變軟的材料的壓縮、攪拌，使材料從固體徹底轉(zhuǎn)變成熔融態(tài)，壓縮段溫度高于熔點20～30 ℃，材料逐漸受到擠壓攤開，分子間作用力被破壞，同時受熱面積增大，加速融化過程，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w。 計量段的作用是將材料摩擦、攪拌，此段材料大部分已融化為流體， 但仍有較大尺寸的分子團， 將大分子團攪碎后材料的均勻性明顯得到改善。 圖3 是三段式螺桿的示意圖，在加料段螺紋深度最大，向加料段逐漸變淺。 在計量段，由于材料劇烈摩擦會釋放大量熱量，為防止材料溫度過高而產(chǎn)生的分解，應采取措施將溫度逐漸從壓縮段下降到略高于熔點。

常規(guī)的螺桿注塑機螺桿直徑在20 mm 以上，噴嘴口徑約1 mm，螺桿長度超過500 mm，擠出需要的扭矩非常大，壓力波動幅度也較大。 而冠脈支架打印的特點是擠出量小， 對擠出均勻性要求較高，對擠出效率要求低，同時要求尺寸和扭矩都不能太大，所以必須根據(jù)冠脈支架的打印特點重新設計螺桿噴頭。

如果落桿直徑大于10 mm，螺桿內(nèi)貯存的材料較多，導致摩擦力大，需要的扭矩就超出了一般步進電機的扭矩范圍，同時螺桿中材料全部融化的時間也較長，導致噴頭整體尺寸都相當?shù)拇蟆?當螺桿直徑小于6 mm，螺桿加工時容易彎曲，螺桿的強度也不夠，因此設計中將螺桿直徑定為8 mm，螺距也定為8 mm，螺紋升角17.6°，螺紋牙厚2 mm。

根據(jù)螺桿噴頭設計的固體輸送理論與一些經(jīng)驗設計公式，確定最終螺桿的設計參數(shù)：加料段長度36 mm，螺紋深度2mm；計量段長度28 mm，螺紋深度0.75 mm；壓縮段長度24 mm，螺紋深度逐漸由加料段過渡到壓縮段。 噴頭的外側套一個加熱圈，用于給噴頭加熱，加熱圈長度與壓縮段相當，位置也與壓縮段重合，功率為100 W。 螺桿噴頭的設計與實物圖見圖4。

3 冠脈支架3D 打印工藝

3.1 PCL 材料的 3D 打印

PCL 材料的熔點低，固體顆粒的硬度小、韌性高，融化后黏度小，擠出過程中不需要過大的扭矩，且擠出穩(wěn)定性好，因此首先用更易成型的PCL 對打印系統(tǒng)的可行性進行了驗證。 PCL 的熔點約60 ℃，設置壓縮段溫度90 ℃，實測噴嘴處溫度83 ℃，用試錯法摸索出一個比較合適的打印速度和噴頭轉(zhuǎn)速后，進行了血管支架的打印，打印效果見圖5。

通過上述試驗，驗證了PCL 材料可通過微螺桿噴頭用于高分子打印中， 擠出的絲材表面光滑、直徑均勻， 未出現(xiàn)材料堆積或絲材斷裂的情況。 用PCL 材料打印的支架雖然效果較好，但由于PCL 材料本身材質(zhì)較軟，難以作為血管支架材料，隨后對PLLA 材料的一系列打印工藝進行研究，并用PLLA材料進行了支架的打印， 整個實驗的壓縮段溫度200 ℃、噴嘴處溫度 182 ℃。

3.2 PLLA 材料的 3D 打印

3.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出速度的影響

打印過程中，最重要的是噴頭的擠出速度與運動速度的匹配，如果擠出速度比運動速度快會導致成形的支架線徑變粗，如果擠出速度比運動速度慢則會導致打印脫落、斷絲等問題。 因在支架打印過程中， 僅可直接控制螺桿轉(zhuǎn)速而非噴頭的擠出速度， 所以必須建立螺桿轉(zhuǎn)速與擠出速度的關系，進行相應的匹配打印。 經(jīng)試驗，在低轉(zhuǎn)速下噴頭擠出的材料不是絲狀、而是液滴，可以正常擠出絲材的最低轉(zhuǎn)速約為1.7 r/min， 試驗測定了螺桿轉(zhuǎn)速從1.7～8.5 r/min 對噴頭擠出速度的影響， 測定結果見圖6。可看出，螺桿轉(zhuǎn)速與噴頭的擠出速度呈非線性關系，隨著轉(zhuǎn)速的提高，擠出速度迅速增加。 但當擠出速度很高時， 相應的運動平臺運動速度也要加快， 絲材沒有足夠時間粘附在圓錐結構模具上，容易導致擠出的絲材偏移預期位置甚至脫落。

3.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對絲材直徑的影響

在噴頭螺桿不同的轉(zhuǎn)速下，噴頭內(nèi)部熔體的壓力也不相同， 高分子熔體是一種彈性非常高的流體，從噴嘴擠出后會有比較明顯的膨脹效果。 為獲得最佳打印速度，試驗分別采用250 μm 和100 μm的噴嘴研究了螺桿轉(zhuǎn)速對擠出絲材直徑的影響，測得結果見圖7。 可看出，對試驗的兩種口徑噴嘴，轉(zhuǎn)速越高，絲材的膨脹越明顯，且二者在測試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基本呈線性關系；同時發(fā)現(xiàn)，250 μm 口徑的噴嘴材料膨脹幅度明顯大于100 μm。 為得到低直徑的絲材，螺桿轉(zhuǎn)速越小越好，但在試驗中轉(zhuǎn)速過慢會出現(xiàn)電機振動和脈沖運動的現(xiàn)象，從而影響打印精度。綜合各方面因素，采用100 μm 口徑的噴嘴在3.75 r/min 的螺桿轉(zhuǎn)速進行PLLA 的支架打印試驗，打印效果見圖8。

在打印過程中，PLLA 和PCL 的支架線徑都比相同條件下的單絲擠出直徑大一些，存在兩個可能的原因：①運動的速度和基礎速度仍有失調(diào)，并不匹配得十分理想；②打印支架時，擠出的絲落在模具上，在重力作用下變成橢圓，導致測量起來比單絲更粗。

4 結束語

針對激光雕刻加工的不良影響，提出了在圓錐面上用3D 打印的方式制造可降解血管支架的方案，研發(fā)了高精度的運動平臺和微螺桿噴頭，研究了螺桿轉(zhuǎn)速對于噴頭擠出速度和絲材直徑的影響，并采用PCL 和PLLA 為材料進行了冠脈支架的打印試驗。 通過實驗證明，用微螺桿噴頭進行血管支架的3D 打印是可行的， 這為冠脈支架的進一步研究奠定了基礎。