基于气动控制三维打印蔗糖支架的工艺参数

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.25.020

摘要/Abstract

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文题释义：
三维打印：是快速成形技术的一种，是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
基于气动控制的三维打印：FDM工艺由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

摘要
背景：蔗糖材料是较为理想的辅助支撑和填充模具材料，很适合在3D打印医疗领域推广应用，目前国内外已有了很多将蔗糖作为打印材料的研究，但制备的支架在精度和孔隙率方面还存在一定的问题。
目的：通过3D打印技术研究蔗糖支架的工艺参数。
方法：从物理和化学性质出发，研究蔗糖黏度和热分解随温度的变化情况，基于气动控制的FDM技术，通过研究成型过程中的温度气压匹配、分层设定、速度气压匹配等工艺参数，得到良好成型的蔗糖支架，并对其进行显微镜观察标定，采用液体浸泡法(无水乙醇)测定支架的孔隙率。
结果与结论：蔗糖材料在温度达到180 ℃就会发生完全熔融，流动性最大，超过195 ℃就会发生焦糖反应；它的黏度随着温度的升高而变小。基于气动控制的三维打印机对蔗糖支架进行成型的最佳工艺参数为170 ℃-0.2 MPa-12 mm/s(温度-气压-打印速度)。对于良好成型的蔗糖支架，其线宽达到了700 μm，平均孔隙率达到了81.893%。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

ORCID: 0000-0001-8188-1329(赵小波)

关键词: 生物材料, 材料相容性, 蔗糖, 快速成型技术, 气压, 工艺参数, 孔隙率

Abstract:

BACKGROUND: The sucrose is an ideal material for auxiliary support and mold filling that is suitable for application in the medical field with three-dimensional (3D) printing. In China, there are many studies about the 3D printing with sucrose, but the accuracy and porosity of the stent are still unclear.
OBJECTIVE: To explore the technological parameters of the sucrose scaffold by 3D printing technology.
METHODS: From the perspective of physical and chemical properties, the sucrose viscosity and thermal decomposition with the change of temperature were analyzed. Based on the pneumatic controlled FDM technology, the mature sucrose scaffold was obtained by researching the match of temperature and pressure, layer setting, as well as the match of speed and pressure. Then the scaffold was demarcated with microscope, and the porosity was measured by immersion in absolute ethyl alcohol.
RESULTS AND CONCLUSION: The sucrose was completely melted at 180 oC, with the biggest liquidity. When the temperature was over 195 oC, the caramel reaction occurred. As the temperature increased, the sucrose viscosity decreased. The optimal molding parameters of the sucrose scaffold with pneumatic control-based 3D printing were 170 oC-0.2 MPa-12 mm/s (temperature-pressure-printing speed). The line width and mean porosity of the well-shaped sucrose scaffold were 700 μm and 81.893%, respectively.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Sucrose, Air Pressure, Stents, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

赵小波，孙开渝，刘翀. 基于气动控制三维打印蔗糖支架的工艺参数[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(25): 3778-3784.

Zhao Xiao-bo, Sun Kai-yu, Liu Chong . Three-dimensional printing of a sucrose scaffold based on pneumatic control: relevant technological parameters[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(25): 3778-3784.

图/表（结果） 7

2.1 蔗糖物理性质对成形质量的影响图6所示是通过差示扫描量热法得到的蔗糖的差示扫描量热曲线图，其中纵轴表示试样与参比物的功率差，即热流率；横轴表示加热时间和温度。

由于蔗糖内杂质的影响，它的差示扫描量热曲线内会出现一些小范围的波动，但是从曲线整体来分析，曲线大概有2个大的波谷，190 ℃和230 ℃附近。结合以前的研究，由图谱可以看出在190 ℃的波谷表示蔗糖的完全熔融阶段，蔗糖释放热量，由晶态转化为熔融态，此时蔗糖的流动性最大，从180 ℃开始，195 ℃结束；在230 ℃的波谷，蔗糖发生又一次释放热量，发生化学分解反应，即焦糖反应。由于杂质的存在，所以很难得到纯净的蔗糖黏流态，晶态蔗糖熔化后即发生焦糖反应，所以它的玻璃化转变温度tg很难确定。

在蔗糖的黏度测试实验中，最终得到蔗糖黏度随温度变化的曲线，见图7。可以看出蔗糖的黏度随着温度的升高而降低，黏度过高时，导致挤出非常困难；黏度过低，伴随着温度的升高，很容易发生焦糖反应，合理的蔗糖黏度配以一定压强是支架打印成功的关键。

由以上蔗糖的差示扫描量热曲线图和蔗糖黏度随温度变化图可以得出，蔗糖成型范围温度应该在150-180 ℃内，这个范围内，蔗糖既不会发生分解，也不会发生因为黏度太高导致的挤出困难。

2.2 打印机工艺参数对成形质量的影响在温度气压匹配实验中，不同的温度下，对能够良好出丝的样品，只成型支架的第一层，设置打印速度为10 mm/s，将成型支架的第一层，放在显微镜下拍照并标定线宽尺寸，作为数据的来源，得到如下的结果，可以看出在0.1 MPa的气压下，需要更高的温度，蔗糖才能良好的出丝，但是由于蔗糖在超过180 ℃后很容易出现焦糖反应，所以并不采用在0.1 MPa气压的条件。由图8可以看出，在150-170 ℃之间，不管是在0.2 MPa还是在0.3 MPa的条件下，蔗糖都能够良好的成型，基于实验得到的数据，最终选定温度气压匹配值为150-170 ℃，0.2-0.3 MPa。

在速度气压匹配实验中，基于以上实验得到的数据，分别在150 ℃-0.2 MPa、150 ℃-0.3MPa、160 ℃- 0.2 MPa、160 ℃-0.3 MPa、170 ℃-0.2 MPa、 170 ℃-0.3 MPa的条件下，设置打印速度分别为8，9，10，11，12，13，14 mm/s，对能够良好成型的支架在显微镜先观察并标定线宽尺寸，得到如下表1所示的数据，可以看出当打印速度低于10 mm/s时，只有在170 ℃以上才能够良好出丝，这是由于缓慢的打印速度容易造成丝材在喷嘴处堆积；当打印速度高于12 mm/s时，只有在170 ℃-0.2 MPa的气压下才能够良好成型，这是由于过快的打印速度会导致拉、断丝的状况。结合实验中温度气压匹配值，最终选定蔗糖材料成型的温度-气压-速度匹配值为170 ℃-0.2 MPa-12 mm/s。

2.3 显微镜标定结果和孔隙率分析基于实验的经验数据，设置打印速度为10 mm/s，温度170 ℃，气压 0.3 MPa，线间距0.6 mm，对蔗糖进行成型实验，得到良好的蔗糖支架，见图9所示，在4倍和10倍显微镜下观察并标定，结果如图10所示，线宽达到了700 μm，跟之前预期的值600 μm基本符合，由于蔗糖材料本身的热胀性质以及层与层之间堆叠挤压，实际测的值要比以上实验中单层支架的线宽略大。在支架的孔隙率测定实验中，最终得到的结果见表2所示，可以看出支架的平均孔隙率达到了81.893%，满足组织工程支架对孔隙率的要求。

参考文献

[1] 宋晓美.快速成形技术的特性分析及应用研究[J].机电工程技术,2015,44(9):58-60.

[2] 刘晓辉.快速成型技术发展综述[J].农业装备与车辆工程, 2008,46(2):10-13.

[3] 李秋爽.快速成型技术在医学领域的应用研究[D].山东大学,2008.

[4] 连芩,李涤尘,陈成,等.面向组织工程化软组织的制造技术及增材制造[J].中国组织工程研究, 2014,18(8):1263-1269.

[5] 黄霞,陈家昌,申长雨,等.骨组织工程支架材料研究进展[J].化工新型材料,2010,38(9):65-68.

[6] 郑欣,陈一心,邱旭升,等.快速成型技术在骨组织工程中的应用进展[J].中国矫形外科杂志, 2014,22(24):2244-2247.

[7] 杨久林,谢红国,于炜婷,等.组织工程用壳聚糖研究进展[J].功能材料,2013,44(11):1521-1525.

[8] 胡涛,徐铭恩,严明,等.不同比例聚乳酸羟基乙酸复合骨支架的低温沉积制造及性能[J].中国组织工程研究, 2015, 19(12):1805-1811.

[9] 索海瑞,岳秀艳,史廷春,等.高分子生物材料快速成形构建组织工程支架的研究[J].中国组织工程研究与临床康复, 2008,12(6):1101-1106.

[10] Billiet T,Gevaert E,De Schryver T,et al. The 3D pringting of gelatin methacrylamide cell- laden tissue-engineered constructs with high cell vialility. Biomaterials.2014;(35):49-62.

[11] 覃泽林,孔令孜,李小红,等.广西蔗糖产业发展竞争力分析[J].南方农业学报,2015,46(4):722-728.

[12] 王立升,郭鑫,刘力恒,等.医药级蔗糖制备工艺研究[J].食品科技,2008,33(7):148-150.

[13] 吴其晔,巫静安.高分子材料流变学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[14] 郭健.浅析差示扫描量热法测定材料的比热容[J].太原科技,2007,165(10):19-20.

[15] 尹应梅.基于DMA法的沥青混合料动态粘弹特性及剪切模量预估方法研究[D].华南理工大学,2011.

[16] 黄友如,华欲飞,裘爱泳.差示扫描量热技术及其在大豆蛋白分析中的应用[J].粮食加工,2004,29(2):58-61.

[17] 许鑫,马永强,姚姗姗,等.SEM DSC和RVA在豆类淀粉研究中应用[J].农产品加工•学刊, 2010,9(9):44-47.

[18] 卓蓉晖,胡言,陈文怡.用不同方法测定材料的玻璃化转变温度[J].现代仪器,2004, 10(4):25-26.

[19] 陈中中,早热木,李涤尘,等.利用快速成型技术制造人工生物活性骨[J].西安交通大学学报,2003,37(3):273-276.

[20] DongNN.Study of carbohydrate compounds at different temperatures by pyrolysis-gas chrometography-mass spectrometry.J Chin Mass Spec Soc. 2004;25(1):24-28.

[21] Xiong Z,Yan Y,Wang S,et al.Fabricationofporous scaffolds for bone tissue engineering via low temperature deposition.Scripta Materialia. 2002;46(11): 771-776.

[22] 索海瑞,岳秀艳,史廷春,等.组织工程支架的低温沉积制造工艺参数研究[J].机电工程,2009,26(3):57-60.

[23] 屈晨光,张师军,高达利,等.环境温度对3D打印成型精度的影响[J].塑料工业,2015, 43(8):53-55.

[24] 梁宪涛.3D打印喷头的温度分析及控制策略研究[J].黑龙江科技信息,2015,17(32):195.

[25] 罗楠,王泉,刘红霞.一种快速3D打印分层方向确定算法[J].西安交通大学学报,2015, 49(5):140-146.

[26] 赵辰.3D打印机分层软件的设计与实现[D].东南大学, 2009.

引言

快速成型技术是基于材料堆积法的一种高新制造技术，其基本原理是：通过计算机三维建模软件建立模型的三维结构，由分层软件对模型进行切片分层处理，根据打印材料的特性，输入不同的加工参数，打印机根据分层软件生成的数控代码对材料进行分层叠加，最终形成一个三维实体^[1-3]。

打印生物支架是快速成型在医疗领域的一个重要应用^[4-7]，但在打印支架的过程中还存在一些问题需要解决，如在聚乳酸-羟基乙酸共聚物/珍珠粉成型人工骨支架时，对于图1A所示的规则模型，传统的方法是通过控制聚乳酸-羟基乙酸共聚物和珍珠粉的比例，采用低温沉积制造技术即可制备出不同强度的人工骨支架^[8-10]；但对于图1B具有复杂结构的骨支架，通过对支架内部容易发生坍塌的地方添加支撑，在打印完成后，待支架固化，然后予以分离，传统的方法是用打印材料本身作为辅助支撑，但会导致后续的分离工作很难进行或分离工作会破坏支架本身。对于此类问题，一是可采用双喷头打印机，一个喷头用来打印目标材料，另外一个喷头用易分解、分离的材料来打印辅助支撑，这样后续的分离工作会很容易进行；或是采用逆向思维，即对目标模型内部的轮廓信息进行提取和三维重建，采用易分解、分离的辅助材料进行打印，然后用目标材料对打印模型的孔道和外部轮廓进行填充，最后通过对辅助材料的分解从而制备出具有不同孔道和轮廓结构的目标支架。因此要解决复杂支架的打印问题，首先需要解决辅助支撑或者填充模具材料的选择及特性研究问题。

蔗糖材料，由于极易溶于水且廉价易得、环保无污染，很早就被应用于3D打印领域^[11]，是较为理想的辅助支撑和填充模具材料，很适合在3D打印医疗领域推广应用^[2-13]。目前国内外已有了很多将蔗糖作为打印材料的研究，如：西安交通大学的Chen等利用FDM技术，以蔗糖为原料，制备出了人工骨支架；美国麻省理工学院的研究人员利用蔗糖实现了对肝脏的快速成型。但上述研究只是利用蔗糖材料重建了规则的单元模型，而且由于技术和条件的限制，其制备的支架在精度和孔隙率方面还存在一定的问题。

实验以蔗糖为打印材料，通过对蔗糖物化性质和基于气动控制的FDM技术打印过程中工艺参数的分析，构建了蔗糖支架三维模型，并对成型的支架模型进行了显微镜观察标定和孔隙率(液体浸泡法)分析，最终找到了能够保证蔗糖支架良好成型的工艺参数。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计探究验证实验。

1.2 时间及地点实验于2014年10月至2015年7月在杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院完成。

1.3 材料分析纯蔗糖蔗糖，纯度>99%(天津博迪化工股份有限公司)；分析纯无水乙醇，纯度>99%(杭州高晶精细化工有限公司)；差示扫描量热仪(TA仪器，Q20)；高剪切椎板粘度计(CAP2000+，Brookfield)；生物3D打印机(杭州捷诺飞生物科技有限公司，Regenovo)；倒置显微镜(Nikon Eclipse Ti)；电子天平(Mettler Toledo，PL403)；恒温磁力搅拌器(上海梅颖浦，X85-2S)。

1.4 实验方法

1.4.1 蔗糖物理性质实验

蔗糖的差示扫描量热分析实验：蔗糖的熔点是蔗糖打印成型的一个重要参数，温度过低，蔗糖没有完全熔化，导致打印层之间不能完全黏结或颗粒状样品会直接堵塞喷头；温度过高，则会导致蔗糖发生分解，出现焦糖反应。此外，蔗糖的玻璃化转变温度Tg可通过对黏弹性的影响，进而影响蔗糖支架成型质量的优劣，实验通过差示扫描量热法来分析蔗糖的熔点及热反应^[14-19]，最终找到蔗糖能够良好成型的温度范围，进一步通过差示扫描量热法图谱分析法定性分析蔗糖的玻璃化转变温度。

采用美国TA仪器的Q20差示扫描量热仪对蔗糖进行差示扫描量热法图谱分析实验^[20-21]，取蔗糖样品质量2.564 mg，设置升温速率20 ℃/min，实验结果通过测量蔗糖热流随温度和时间的变化及变化速率来分析蔗糖的热稳定性及熔解温度，并且进一步探索与材料相关的物理和化学性质。

蔗糖黏度测试实验：蔗糖黏度决定着成型质量的好坏，而黏度的高低则取决于加热温度：加热温度超过某一范围时，黏度会过低，造成严重的流涎现象或打印样品局部的坍塌；加热温度低于某一范围时，黏度会过高，则会引起喷嘴堵塞影响出丝或者打印样品层与层之间的黏结性能降低。实验通过高剪切椎板黏度计来测定蔗糖黏度随温度的变化情况。

取200 g蔗糖，置于烧杯中，放在恒温磁力加热搅拌器上加热，并搅拌均匀，待材料完全熔化后，将黏度测定仪的转子置于烧杯中，设定转子转速分别为12 r/min，加热温度范围为140-180 ℃，测定蔗糖黏度随加热温度变化的趋势。

1.4.2 蔗糖成形支架结构设计实验中采用的杭州捷诺飞生物科技有限公司自行研发的3D Bio-printer生物三维打印软件，其自带的分层软件可设置模型的填充路径、层厚等参数，用户只需在Solidworks中设计好打印支架的外部整体结构，然后将模型导入3D Bio-printer，再通过对软件自身参数的修改即可生成不同填充方案及孔隙率的支架模型。实验中，设计的模型尺寸为长方体15 mm×15 mm×5 mm，圆柱体半径10 mm、高 10 mm，正方形填充，线间距0.6 mm。图2为模型分层路径示意图。

1.4.3 3D打印蔗糖实验影响蔗糖成型质量的工艺参数主要有：喷头温度、喷嘴形状、喷嘴直径、室温、打印速度、气压大小、浆料黏度、层厚、线宽等。每一个参数对成型质量的影响都不是独立存在的，一个参数改变，其他的也要做出相应变化，例如，气压和打印速度会同时影响喷头的出丝状况；温度对浆料黏度和出丝速度同时起作用等^[22-24]。实验从影响打印质量的工艺参数出发，将这些参数分为温度-气压匹配影响、分层设置、速度-气压匹配3个方面，分别进行讨论和总结。

温度气压匹配：在成型过程中，温度气压匹配的影响主要表现在(图3)：料筒温度过高，材料的流动性变大，黏度降低，喷头会出现非常严重的流涎现象，如果此时气压过高的话更会加剧这种情况；料筒温度过低，材料黏度变大，很难被挤出，会造成造成非常严重的断丝现象，而此时较高的气压反而会弥补由于温度降低带来的缺陷；同样，平台温度会对材料出丝的堆积性能产生较大影响，因此，合适的温度、气压匹配值是蔗糖支架打印成功的关键因素。实验基于蔗糖的差示扫描量热法和黏度实验，取上下限温度140-190 ℃作为研究范围，每10 ℃为一个阶梯，对应的气压值分别为0.1，0.2，0.3 MPa，对能够流畅出丝的样品，只成型支架的第一层，测量其出丝线宽，以期找到合理的温度气压匹配值。

分层设定：实验中采用的3D生物打印机是由杭州捷诺飞生物科技有限公司的自行研发的Regenovo，可针对用户的不同需求，自定义打印速度、打印层厚、表面实心层、填充间距、线宽等参数，同时为了满足组织工程支架的复杂结构，打印软件还提供了多种填充方式。分层设定中的几个重要参数：打印层厚(Δh)、填充间距(d)、线宽(w)^[24-26]，见图4。

打印层厚Δh指的是每打一层对应喷头的抬高距离，实验中采用的喷头是直径0.5 mm的黄铜头，由于高温蔗糖在打印过程中会出现挤出胀大效应^[7]，所以得到的线宽会略大于喷头的直径。在实验过程中：如果Δh设置过大，则挤出丝在未与上层支架接触便已降温冷却下来，导致层与层之间的黏结性能降低，并且容易造成挤出丝在喷嘴处的堆积；如果Δh设置过小，则喷嘴会直接撞到上一层已经成形好的支架，严重则直接毁掉已经打印好的部分。合适的Δh会使喷嘴挤出的丝刚好叠加在已经成形的样品上，且上层不与喷嘴发生碰撞。由于蔗糖挤出的动力来自于气压，气压的大小又会影响到挤出的丝宽，实验得到的不同气压对应的Δh经验值。

填充间距d指喷头在打印每一层的时候，丝与丝之间的间距，实验时：如果d过小，造成两条丝堆叠，并且会导致孔隙率降低；如果d过大，则会导致在换向扫描的时候不能很好地连接，容易出现断丝，并且使成型支架的机械性能降低。线宽w是和填充间距d相匹配，基于实验得到的填充间距的经验值一般为线宽的2-2.5倍。

速度气压匹配：喷头的挤出速度应该与打印速度相匹配，同时喷头的挤出速度又与喷头的挤出动力-气压值有关：气压过大，导致挤出速度过快，出丝的厚度增加，并且会使材料大量在喷嘴处堆积；气压过小，会使挤出速度过慢，而过快的打印速度则会导致挤出不足，出现如图5所示的断丝情况，因此合理的速度气压匹配值对打印成形质量有很重要的影响。实验中对能够流畅出丝的样品，基于之前实验中得到的温度气压匹配值以及分层设定，在8，9，10，11，12，13，14 mm/s的打印速度下，对得到的样品在显微镜下进行标定和比较，以期找到合理的速度气压匹配值。

1.4.4 成型支架分析

显微镜观察标定：实验采用Nikon Eclipse Ti系列倒置显微镜，可以对成型的支架进行高分辨率的成像，得到的图像可用于高精确性数据处理和图像分析。以上实验中单层支架及支架整体的线宽、层厚、线间距的标定。都是在显微镜4倍和10倍物镜下进行标定的。

成形支架孔隙率分析：孔隙率是衡量支架成型好坏的重要标准。由于蔗糖材料不溶于无水乙醇的特性，故采用液体(无水乙醇)浸泡法来测量支架的孔隙率，首先用游标卡尺测量支架的体积，在空气中采用数显电子秤称重为，然后将打印好的支架浸入无水乙醇2个小时，确认完全浸泡之后取出支架，用滤纸轻微吸干，测量其重量为，支架的孔隙率计算公式为：

，

ρ为无水乙醇的的密度，实验中用到的样品ρ=0.99 g/mL。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程