成型溫度對3D打印人工神經(jīng)導(dǎo)管工藝精度影響

段 營，烏日開西·艾依提，艾合買提江·玉素甫

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科中心顯微修復(fù)外科，新疆 烏魯木齊 830054）

1 引言

3D 打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing）是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用逐層打印的原理來制作模型的技術(shù)[1-2]。

目前3D打印已經(jīng)廣泛應(yīng)用在制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療業(yè)、建筑業(yè)、國防、高科技領(lǐng)域。3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中因能夠準(zhǔn)確控制微孔的分布、空間走向和相互連通性等結(jié)構(gòu)特征，被廣泛的應(yīng)用于支架的制備中[3-6]。

采用組織工程的原理和方法，制備具有生物活性的人工神經(jīng)導(dǎo)管，用以恢復(fù)、維持或改善神經(jīng)組織功能是一種有效的方法[7-10]。由于傳統(tǒng)的神經(jīng)修復(fù)方法主要依靠自體神經(jīng)移植，但自體神經(jīng)來源有限，且無法根據(jù)個人情況不同實(shí)現(xiàn)個性化定制，因此采用人工3D打印的方法制備神經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)行神經(jīng)方面修復(fù)成為了當(dāng)下研究的趨勢[11-14]。

這里實(shí)驗(yàn)采用的材料為聚己內(nèi)酯又稱PCL。對3D打印溫度進(jìn)行研究，得出溫度對3D打印神經(jīng)導(dǎo)管性能的影響。

由于溫度能控制3D打印材料的屬性，在適當(dāng)?shù)臏囟惹闆r下，會使聚合物呈現(xiàn)一種較為穩(wěn)定的粘度和流動性從而影響最終打印結(jié)果，因此針對3D打印過程中對溫度的研究和分析最終得出合適的溫控范圍，是非常必要的。

2 成型溫度對導(dǎo)管成型質(zhì)量影響

實(shí)驗(yàn)采用熔融擠壓技術(shù)的3D打印機(jī)，打印機(jī)運(yùn)動部分主要采用柱坐標(biāo)的3D打印的運(yùn)動方式，整個成型運(yùn)動包含的匹配關(guān)系有主軸的圓周運(yùn)動、Y方向向下的送料運(yùn)動和沿Z方向的直線運(yùn)動，三種運(yùn)動相互匹配形成繞轉(zhuǎn)軸的螺旋線運(yùn)動和噴頭的直線運(yùn)動。

也就是說運(yùn)用這種運(yùn)動方式實(shí)現(xiàn)在芯軸上打印無縫連接的“螺旋線”狀管子，管子外層包裹神經(jīng)導(dǎo)管通道，通道外層再打印“螺旋線”狀管子，以此類推，進(jìn)行逐層打印。

為了更好的實(shí)現(xiàn)各軸間的聯(lián)動，打印機(jī)運(yùn)動部分采用固高系列GTS-400-PV（G）運(yùn)動控制卡中的電子齒輪運(yùn)動模式。

電子齒輪模式是一種可以能實(shí)現(xiàn)擠出速度隨行走速度改變而時時變化的一種相互配合運(yùn)動。能夠?qū)奢S或多軸聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)精確的同步運(yùn)動，如圖1所示。

圖1 裝置原理圖Fig.1 Schematic Diagram of the Device

在3D打印神經(jīng)導(dǎo)管過程中，打印噴頭是3D打印過程中至關(guān)重要的部件，也是打印結(jié)果是否成功的決定因素，而在噴頭工作過程中，溫度對熱熔式噴頭十分重要，決定著3D打印機(jī)是否能夠出絲正常和管道質(zhì)量是否符合加工要求，因此噴頭的加熱溫度及絲材的溫度變化對神經(jīng)導(dǎo)管成型后的表面質(zhì)量和厚度有著重要的影響。

2.1 絲材擠出后溫度變化

實(shí)驗(yàn)具體操作是把溫度控制器調(diào)整為設(shè)定溫度，將加熱棒插入加熱孔內(nèi)進(jìn)行整個加熱塊的受熱，當(dāng)加熱塊達(dá)到PCL 的熔點(diǎn)時，針筒內(nèi)的PCL材料就會開始呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，直到管內(nèi)材料全部融化而溫度控制器也不再升溫，開始加工。

實(shí)驗(yàn)臺原理圖，如圖1所示。

（1）實(shí)驗(yàn)方案

在室溫條件下，實(shí)驗(yàn)采用紅外熱成像儀（設(shè)定量程為（-40～500）℃，型號為Thermovision A40。

將紅外熱成像儀對焦在針頭位置，當(dāng)針頭正常出絲時，獲取距針頭不同位置處擠出絲材的溫度，將溫控器加熱溫度分別設(shè)為（120～220）℃間隔為20℃，每種溫度做兩組實(shí)驗(yàn)。

溫度采集過程中固定參數(shù)，如表1 所示。

在室溫條件下，將紅外熱成像儀對焦在針頭位置，獲取打印過程中擠出材料在芯軸上的溫度，隨時間延長經(jīng)歷的變化，如圖2所示。

圖2 溫度采集過程Fig.2 Temperature Collection Process

將溫控器加熱溫度分別設(shè)為（120～220）℃之間間隔20℃，每種溫度做兩組實(shí)驗(yàn)。溫度采集過程中固定參數(shù)，如表1 所示。

表1 溫度采集過程中的固定參數(shù)Tab.1 Fixed Parameters in Temperature Collection Process

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

材料從針頭擠出后，溫度迅速下降，由于當(dāng)針頭與芯軸之間距離小于0.5mm時，在該距離內(nèi)材料溫度下降在（8～26）℃之內(nèi)，由此可以通過溫度控制器對實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，得到實(shí)驗(yàn)所需溫度，如圖3所示。

圖3 擠出絲材距離針頭不同位置時發(fā)生的溫度變化Fig.3 Temperature Changes of the Extruded Wire at Different Positions from the Needle

溫控器加熱溫度應(yīng)根據(jù)PCL的性質(zhì)控制在合理范圍內(nèi)，以保證材料在芯軸上打印時不發(fā)生變形，如圖4所示。

圖4 擠出材料在芯軸上的溫度變化Fig.4 Temperature Variation of Extruded Material on the Mandrel

當(dāng)溫度設(shè)定為（120～160）℃擠出材料在芯軸上冷卻到PCL熔點(diǎn)的時間在（0.6～0.8）s之間，材料粘度會隨時間延長增大，不易流動，因此絲狀材料的成形精度更加易于控制。

當(dāng)溫度大于160℃時，冷卻到PCL 熔點(diǎn)的時間延長到（1.2～2.3）s之間。由于材料熔點(diǎn)較低，溫度過高會造成前一層打印材料被新擠出的材料融化。

因此，加熱溫度應(yīng)在小于160℃溫度范圍內(nèi)，材料打印在芯軸上后溫度迅速下降，下降后的溫度低于材料熔點(diǎn)，不容易產(chǎn)生流動和變形。

3 溫度對神經(jīng)導(dǎo)管表面質(zhì)量及管壁厚度影響

溫度的變化使得材料流動性和粘結(jié)性呈現(xiàn)很大差異，溫度越高，材料的流動性升高，粘度下降。所以導(dǎo)致在不同溫度下噴頭的出絲直徑不同，與此同時表面質(zhì)量也受到影響。

3.1 成型參數(shù)及運(yùn)動方式

打印一層螺旋管測量管壁厚度，在區(qū)間（130～210）℃中，間隔為10℃，每種溫度做三組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比打印固定參數(shù)，如表2所示。

表2 固定工藝參數(shù)Tab.2 Fixed Process Parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同溫度打印得到的神經(jīng)導(dǎo)管分別用顯微鏡觀察并進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，微米級測量所打印出的單層神經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)徑、外徑和壁厚。

8組實(shí)驗(yàn)神經(jīng)導(dǎo)管顯微鏡放大圖，如圖5所示。

圖5 神經(jīng)導(dǎo)管顯微觀測實(shí)例Fig.5 Examples of Microscopic Observations of Nerve Ducts

（130～160）℃區(qū)間內(nèi)打印的神經(jīng)導(dǎo)管橫截面和表面完好，從圖中可清晰觀察出導(dǎo)管壁的成型質(zhì)量，表面螺旋線緊湊平整，無明顯縫隙，截面觀測神經(jīng)導(dǎo)管呈現(xiàn)形狀較好，且無邊角殘留，厚度也更加均勻。

而（160～210）℃區(qū)間內(nèi)打印的神經(jīng)導(dǎo)管截面觀測呈微橢圓形，且管壁薄厚明顯不一，開始形成材料堆積，厚度缺陷加重，表面螺旋線消失，這是由于溫度過高時材料出絲過快，不容易控制，形成了短暫堆積，隨著溫度不斷升高堆積越加嚴(yán)重。

這樣不僅形貌不夠完好，而且還會影響下面的多層導(dǎo)管疊加。

因此得出（130～160）℃的區(qū)間打印，神經(jīng)導(dǎo)管表面質(zhì)量最好。

三組不同溫度下打印的單層神經(jīng)導(dǎo)管外表面形態(tài)差值的平均值，溫度設(shè)定范圍為（130～210）℃區(qū)間，不同溫度打印出的神經(jīng)導(dǎo)管取2.5mm長度觀測神經(jīng)導(dǎo)管單側(cè)外表面，去對比最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，當(dāng)溫度小于160℃時最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值小于60μm表面質(zhì)量無明顯波動，當(dāng)溫度大于160℃時最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值大于60μm外表面產(chǎn)生明顯波動嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，如圖6、表3所示。

表3 不同溫度單側(cè)表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)平均值差值Tab.3 Average Difference Between the Highest and Lowest Points of Unilateral Surface at Different Temperatures

圖6 單側(cè)外表面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)差值Fig.6 The Difference Between the Highest and Lowest Points on the Unilateral Outer Surface

說明（130～160）℃區(qū)間內(nèi)打印的神經(jīng)導(dǎo)管，外表分布均勻，具有完好的表面質(zhì)量。所以選定（130～160）℃區(qū)間內(nèi)打印為打印溫度范圍。

綜合每個溫度三次實(shí)驗(yàn)得出的平均數(shù)據(jù)得出：在130℃時溫度會出現(xiàn)出絲延遲，導(dǎo)致導(dǎo)管不連續(xù)，如圖7所示。

圖7 溫度與管壁厚度平均值變化Fig.7 Change of Average Value of Temperature and Tube Wall Thickness

因此要預(yù)先擠出一定量的材料，來保證實(shí)驗(yàn)臺出絲的連續(xù)性。

但由于溫度低，材料流動性較差同樣的擠壓力控制下溫度在130℃時螺線管壁厚數(shù)值較小些，在（140～160）℃區(qū)間內(nèi)，螺線管厚度處于一個相對平緩的趨勢，且加工具有一定的穩(wěn)定性。

當(dāng)處于（170～200）℃區(qū)間內(nèi)時管壁厚度呈上升趨勢，這是由于溫度過高而材料粘度迅速降低，不容易控制成型精度所以會導(dǎo)致出絲厚度明顯增加，形成不均勻堆積，溫度區(qū)間定為（130～160）℃時為最適溫度區(qū)間，實(shí)驗(yàn)一般設(shè)置為145℃。

4 結(jié)論

對比絲材擠出后的溫度變化和其對神經(jīng)導(dǎo)管表面質(zhì)量及管壁厚度影響兩方面，得出對于擠出絲線直徑大小影響最大的是噴頭的加熱溫度。溫度參數(shù)的確定，為實(shí)際打印過程提供了理論參考。

（1）噴頭出口距芯管距離小于0.5mm時，材料溫度下降最小，易于控制。

（2）小于180℃時材料沉積在芯軸上的溫度低于材料本身的熔點(diǎn)，可以保證材料在心軸上不會發(fā)生過度融化流淌。

（3）實(shí)驗(yàn)所得在（130～160）℃區(qū)間時打印的神經(jīng)導(dǎo)管壁厚平均值更小且趨勢更加平滑穩(wěn)定，單層神經(jīng)導(dǎo)管橫截面呈顯圓滑外輪廓，相鄰圈間的無縫融合，此溫度范圍對厚度影響的變化率小且表面螺旋線更加均勻，符合之后多通道多層數(shù)神經(jīng)導(dǎo)管的實(shí)驗(yàn)要求。