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1、3D打印复合工艺制备生物再生骨支架3D打印复合工艺制备生物再生骨支架姓名：瞿晓丹学号：141200008关键参考文献：刘媛媛, 张付华，陈伟华，严飞飞，郑璐璐，胡庆夕.面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及实验研究C.上海大学快速制造工程中心上海 200444.(机械工程学报2014年8月第50卷15期).摘要：3D打印，快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印技术是一种新兴的快速成型技术，近一段时间以来受到了社会的广泛关注，尤其是在医学方面的优势更是不可估量。3D打印复合成形工艺将3D打印技术与
2、静电纺丝技术相结合，在构建具有多尺度多梯度结构特征的，生物硬组织修复用再生支架方面表现出独特优势。本文应用3D打印复合成形工艺的生物CADCAM 系统构建方法，实现生物再生骨架支架的制备。关键词：3D打印、CAD/CAM系统、STL模型、生物再生骨支架1 3D打印技术简介3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造(AM，AdditiveManufacturing)。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打
3、印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。电纺丝技术是利用强电场的作用使聚合物溶液或熔体形成射流(Eg纺丝)来进行加工成形的方法，可以喷射出亚微米级甚至纳米级纤维，构成的三维结构更接近细胞外基质环境，能有效促进结构对生物大分子，蛋白质以及细胞的黏附，但利用电纺丝技术很难实现制备结构的外形的精确控制，制备的结构力学性能不足。在此背景下，国内外学者在近期先后提出将生物增量挤出成形方法与电纺丝技术复合来构建组织工程支架的想法。
4、针对上述现状，面向生物3D打印复合成形工艺，从解决相应的成形装备中的关键技术及系统的角度出发，在首先给出生物3D打印复合成形工艺的具体执行流程基础上，应用生物CADCAM系统的实现方法，制备再生骨支架。2 生物3D打印复合成形工艺生物3D打印复合成形工艺流程为：接收平台处于工位彳位置，在压强P的作用下，3D打印成形喷头与接受平台共同作用，成形支架的一层宏观结构；然后接收平台移动到工位B位置，在压力F和静电场力的共同作用下，电纺丝喷头喷射出微纳米级的纤维，在接收平台上的支架结构上形成一层纤维网。接收平台在两个工位之间如此往复运动，最终构建出三维贯通结构；最后对支架进行交联及后处理即可获得生物支架
5、，具体如图1所示。需要说明，根据制备需求，多款供料装置可以被按需组装在A工位，并能在A工位进行多喷头的集成，以此来实现多材料梯度结构的制备需求。为了实现多种材料的有效成形，上述工艺过程执行时，需要一个能够进行温度场调节的成形环境，即成形室。3 生物3D打印复合成形系统组成为了实现上述生物3D打印复合成形工艺，构建的复合成形系统包含了运动平台子系统、多温度场控制子系统、高压电场控制子系统、泰勒锥监测子系统和供料子系统，如图2所示。4 生物CADCAM系统及方法基于上述给出的生物3D打印复合成形系统，实现生物CADCAM功能，需要建立复合成形系统的智能监控系统。该系统一方面实现成形过程的自动监控，
6、保证多工艺的柔性复合，另一方面实现从建立的或CT扫描获得的真实组织修复部位的STL模型，到生成加工路径信息，以及最后经过后置处理直接生成包含加工信息的驱动文件的自动化处理流程。自动监控系统设计架构如图3所示。为了实现生物CADCAM，成形过程的自动监控系统软件组成包括模型信息处理和加工工艺过程管理两大子系统，涉及三维重建模块、补缺模块、STL文件前置处理模块、STL文件后置处理模块、变量管理模块和工艺推荐模块，具体如图4所示。模型信息处理模块的作用是通过CADCAM技术将骨支架的模型文件按照成形工艺的要求处理成可以驱动可编程多轴运动控制暑(Programmable multi-axis con
7、troller,PMAC)运动控制卡的驱动文件，实现生物骨支架的自动化加工，具体流程如图5所示。5 物再生骨支架制备图6是生物CADCAM系统构建方法建立3D打印复合成形试验平台。利用该平台，进行再生骨支架制备试验，具体制备三种结构特征的支架：均匀结构支架，即利用3D打印喷头成形支架结构，成形的宏观孔结构均匀一致；梯度结构支架，即利用3D打印喷头成形支架结构，成形的宏观孔的孑L径呈梯度变化；复合支架，即利用3D打印喷头形支架的宏观结构，利用静电纺丝喷头成形支架的微观结构，二者交替往复形成的三维复合结构。选用的材料如下：制备再生骨支架宏观结构时，3D打印挤出成形喷头所用的材料为明胶壳聚糖混合溶液
8、(明胶，美国Sigma公司；壳聚糖，青岛药物研究所；乙酸，上海吕氏化工有限公司)，其中明胶在60溶于去离子水中配制20明胶水溶液；壳聚糖溶于1乙酸溶液，制成5壳聚糖溶液。制备再生骨支架微观结构时，静电纺丝所用的材料为PVA一壳聚糖混合溶液(PVA，牌号JP233，聚合度3 500，醇解112x105，脱乙酰度825)，其中PVA溶于去离子水中制成7PVA溶液，壳聚糖溶于1乙酸溶液制成3壳聚糖溶液。参数设置：为了成形均匀结构支架，通过生物3D打印复合成形系统的前置处理模块设定成形支架的特征参数：层高h，扫描线间距即成形支架的纤维间距A，前置处理模块根据设定的特定参数生成支架的加工路径文件。在得到
9、加工路径文件的基础上，为了保证系统按照加工路径制备出合格骨支架，通过生物3D打印复合成形系统的后置处理模块将系统的供料速度设定为04 mLmin，平台的运动速度设定为12 mms。为了成形梯度结构支架，在生物3D打印复合成形系统的前置处理阶段设定成形支架的特征参数：成形层l层层高h1，扫描线间距Al，成形层三2层层高h2，扫描线间距A2，前置处理生成相应的成形支架的加工路径文件后，后置处理系统将供料速度参数设为04 mLmin，平台的运动速度设为12mms。为了成形复合支架，宏观结构制备时材料及工艺参数选择与设置同上，微观结构成形时，为了制备高质量电纺丝，通过PC上位机将喷嘴距接收板的距离设定
10、为150 mm，高压直流电源的电压设定为155 kV。在复合支架上接种的细胞是上海市组织工程与研究中心提供的脂肪干细胞。在复合骨支架进行接种细胞前需要对复合骨支架进行无菌处理(75医用乙醇浸泡1 h)，然后用磷酸盐缓冲液冲洗3次，最后将脂肪干细胞以悬浮液的形式接种在骨支架上。接种完细胞后的三维多孔支架放入六孔板中。在37、5C02培养箱内培养，隔日换液。七天后，骨支架长成。这样再生骨架便制备完毕。参考文献1：刘媛媛, 张付华，陈伟华，严飞飞，郑璐璐，胡庆夕.面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及实验研究C.(上海大学快速制造工程中心上海200444).2 胡迪利普森，梅尔芭库曼3D打印
11、：从想象到现实M北京：中信出版社，20133 HE Chaoliang，TANG Zhaohui，TIAN HuayuProgress inthedevelopmentof biomedical polymer materials fabricated by 3DprintingJActa Polymerica Sinica，2013(6)：722-7324 LI Xiang，LI Dichen，WANG Lin，et a1The analysis of the biological characteristics and structure of the bone tissue engine
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