基于數(shù)字化3D制造技術(shù)的硅酮?dú)獾乐Ъ苎兄?

宋佳奇，潘均安，陽范文，蘇昊櫞，陳志琪，卓志寧，陳俊宇，陳淑萍

（1 廣州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，廣東廣州 511436；2 廣州睿康醫(yī)療科技有限公司, 廣東廣州 510320）

氣道狹窄可引起呼吸困難、頑固性咳嗽、咯血、感染等，嚴(yán)重者可出現(xiàn)呼吸衰竭，甚至窒息死亡。氣道狹窄的傳統(tǒng)療法是外科手術(shù)切除，對于病變范圍小、局限性的氣道狹窄病患療效較好。然而狹窄較長或多處狹窄、術(shù)后再狹窄及患者心肺功能不佳者均不宜行手術(shù)治療［1-3］。支架植入是一種微創(chuàng)療法，因其手術(shù)簡便、對患者的心肺功能要求低，現(xiàn)已成為氣道狹窄常用的臨床療法。其中，硅酮支架具有支撐力強(qiáng)、生物相容性好、維持時間長等特點(diǎn)，近年來在臨床應(yīng)用日益廣泛［4-6］?，F(xiàn)有的硅酮?dú)獾乐Ъ芏酁橹蓖残椭Ъ芎蚘型支架，表面設(shè)計突起，防止支架移位；并提供有長度和直徑不同的型號可供選擇［7-9］。然而，臨床發(fā)現(xiàn)年齡、性別、狹窄程度不同的患者，對氣道支架的尺寸和形狀要求各異，現(xiàn)有的型號很難實(shí)現(xiàn)支架與患者氣道的完美吻合：尺寸過小容易移位，尺寸太大容易引發(fā)微循環(huán)受阻，嚴(yán)重時引起局部組織壞死。因此，為患者定制尺寸和形狀精準(zhǔn)匹配的氣道支架［10］，在提高臨床療效，解決傳統(tǒng)氣道支架存在的不足具有重要的意義。

傳統(tǒng)氣道支架制造方法一般采用模壓成型或者注塑成型［11-12］，因開模周期長和模具制造費(fèi)用昂貴，無法實(shí)現(xiàn)個性化生產(chǎn)?；诨颊邭獾繡T圖像［13］，通過3D建模和3D打印［14］有望實(shí)現(xiàn)氣道支架的個性化制備，采用該技術(shù)無需制造金屬模具，具有效率高、成本低和快速制造的優(yōu)點(diǎn)。有望為患者提供精準(zhǔn)吻合的個性化氣道支架，克服傳統(tǒng)氣道支架與不同患者氣道吻合度差的問題，對于提高患者的手術(shù)治療［15-17］、改善生活質(zhì)量具有重要意義和良好的應(yīng)用前景。

本文以硅膠E660為材料，篩選最佳性能的硅膠成型工藝，并開展氣道支架和澆鑄成型模具的3D建模，在此基礎(chǔ)上采用紫外光固化3D打印制備模具，采用澆鑄成型制備硅酮?dú)獾乐Ъ?，為氣道支架的個性化設(shè)計和制備探索新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

硅膠E660A、E660B，醫(yī)用級，深圳紅葉硅膠科技有限公司。3D打印樹脂，3DM/TL305，廣州暢德科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

熱壓成型機(jī)：BL-6170-A，東莞寶輪精密檢濁儀器有限公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)：CMT40204(20KN) ，深圳新三思材料檢濁有限公司；紫外光固化3D打印機(jī)：TT1型，廣州暢德科技有限公司；電磁攪拌機(jī)：MS-H-Pro+，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器（北京）股份公司；沖片機(jī)：CP-25型，上海化工機(jī)械四廠；真空干燥箱：DZF-6050C，捷呈實(shí)驗(yàn)儀器；電熱鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9076MBE，博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；指針式邵氏硬度計：LX-D-1，溫州一鼎儀器制造公司；電子數(shù)顯濁厚規(guī)：百分標(biāo)準(zhǔn)款（0～10mm），德清盛泰芯電子科技有限公司。

1.3 硅膠薄片制備方法

準(zhǔn)確稱取E660A、E660B各25g，采用電磁攪拌儀在轉(zhuǎn)速為1200r/min、攪拌時間10min的條件下攪拌混合均勻。然后用熱壓成型機(jī)分別改變溫度（60～140 ℃）或時間（20～100 min），壓制不同的薄片樣品。

1.4 硅膠氣道支架的制備方法

（1）氣道支架設(shè)計

以醫(yī)院提供某患者的氣道尺寸特征為依據(jù)，采用3Dmax軟件進(jìn)行硅酮?dú)獾乐Ъ艿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和3D建模。

（2）模具設(shè)計與制作

用3Dmax軟件開展硅酮?dú)獾乐Ъ軡茶T成型模具的3D建模，選擇自由基光固化3D打印樹脂（型號3DM/TL305）進(jìn)行紫外光固化3D打印。設(shè)定層厚50μm、固化時間2000ms、離型高度2.7mm、離型速度2.0mm/s、光照強(qiáng)度80%、首層時間9500ms、首層高度6.0mm、首層強(qiáng)度100%等參數(shù)，制備氣道支架澆鑄成型模具。

（3）硅酮?dú)獾乐Ъ軡茶T成型

首先，準(zhǔn)確稱取E660A/E660B兩種原材料各15g并混合均勻，采用電磁攪拌儀在轉(zhuǎn)速為1200r/min、攪拌時間10min的條件下混合均勻后，平鋪在四氟乙烯薄膜上并抽真空處理（-25inHg，5min）。然后，將硅膠緩慢抽入注射器內(nèi)，再注入硅酮?dú)獾乐Ъ苣＞咧?。隨后，放入120℃的烘箱烘烤2h。最后，取出后冷卻至室溫，打開模具，取出氣道支架樣品。

1.5 性能測試

拉伸性能濁試：利用沖片機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)樣條，采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)按GB/T 1040.1-2018方法執(zhí)行，拉伸速率為200mm/min。

撕裂強(qiáng)度濁試：按照GB/T 529-2008方法執(zhí)行，拉伸速率為50mm/min。

硬度濁試：使用指針式邵氏硬度計濁試材料的硬度。

氣道支架徑向支撐力濁試：采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行濁試，參照GB/T 1041-2008方法執(zhí)行，將氣道支架平放在壓縮模具中間，沿直徑方向施加壓力，濁試徑向壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時的最大力和壓縮強(qiáng)度，壓縮速率為10 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅膠固化工藝對性能的影響

2.1.1 壓片溫度對硅膠力學(xué)性能的影響

（1）拉伸性能

確定熱壓時間60min不變，改變熱壓溫度，研究溫度對硅膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 溫度對拉伸性能影響Fig.1 Effect of temperature on tensile properties

由圖1可知，隨著熱壓溫度上升，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均逐漸上升。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別由60℃的5.3MPa和236.5%上升至140℃的6.1MPa和275.7%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因與受熱過程中硅膠分子的高溫硫化（交聯(lián)）反應(yīng)有關(guān)，即：高粘滯塑性態(tài)的硅膠生膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性態(tài)。常溫下為流動性的液態(tài)硅膠在受熱過程中分子間發(fā)生擴(kuò)鏈和交聯(lián)，分子量迅速增大，線型的有機(jī)硅氧烷分子形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。熱壓溫度或者時間增加，分子量和交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增加，抵抗外力破壞的能力增大，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度逐漸增大。

（2）撕裂性能

確定熱壓時間60min不變，改變熱壓溫度，研究溫度對硅膠的撕裂強(qiáng)度影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對撕裂強(qiáng)度的影響 Fig.2 Effect of temperature on tear strength

由圖2可知，隨著壓片溫度上升，撕裂強(qiáng)度逐漸上升，撕裂強(qiáng)度由60℃的0.16N/mm升至140℃的0.28/mm。撕裂強(qiáng)度隨溫度提高而增大的原因是在高溫?zé)釅簵l件下，隨著溫度和熱壓時間增長，交聯(lián)程度不斷增加形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。交聯(lián)點(diǎn)越多，分子量越大，撕裂要破壞材料所需能量越多，故撕裂強(qiáng)度隨之增大。

（3）硬度

確定熱壓時間60min不變，改變熱壓溫度，研究溫度對硅膠硬度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對膠硬度的影響Fig.3 Effect of temperature on hardness

由圖3可知，隨著壓片溫度上升，硬度逐漸上升，由60℃的58.2HA上升至140℃的61.9HA。硬度上升的原因與上述討論的拉伸強(qiáng)度提升原因相同。可以看到在溫度110～120 ℃時，硬度達(dá)到60HA，與原材料供應(yīng)商提供的技術(shù)指標(biāo)相符合。

綜上所述，提高溫度可提高硅膠的交聯(lián)反應(yīng)程度，線性結(jié)構(gòu)的硅膠分子因受溫度作用發(fā)生擴(kuò)鏈反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)，最終形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子。該反應(yīng)具有不可逆反應(yīng)性和連鎖性，反應(yīng)過程中迅速生成高分子化合物，分子量增大，交聯(lián)程度提高，故拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、撕裂強(qiáng)度和硬度逐漸增大。交聯(lián)反應(yīng)溫度可從60℃到180℃，考慮到模具材料的耐溫不能超過130℃，故120℃為最適宜的加工溫度。

2.1.2 壓片時間對硅膠力學(xué)性的能影響

（1）拉伸性能

確定熱壓溫度120℃不變，改變熱壓時間，研究熱壓時間對硅膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 時間對拉伸性能影響Fig. 4 Effect of time on tensile properties

由圖4可知，隨著熱壓時間的延長，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均逐漸上升，熱壓時間在60min時出現(xiàn)拐點(diǎn)，即從20min延長到60min時，拉伸強(qiáng)度上升幅度較大，從5.1MPa上升5.9MPa；超過60min后，增長變緩，從80min增加到100min，拉伸強(qiáng)度從6.2MPa增加到6.3MPa。斷裂伸長率由20min的245.1%上升80min的280.9%，超過80min后，增長緩慢，說明交聯(lián)反應(yīng)在120℃的條件下反應(yīng)80min比較完善了。這也與交聯(lián)反應(yīng)另一特點(diǎn)有關(guān)：反應(yīng)程度隨時間延長而增加，受熱時間增加，交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增多，產(chǎn)物的分子量不變。通過對延長受熱時間的研究可知，在制備硅膠工藝中，可以通過延長時間達(dá)到與提升溫度相同的結(jié)果，如在載藥實(shí)驗(yàn)中，若藥物不能耐高溫，可以選用適當(dāng)溫度延長受熱時間。

（2）撕裂強(qiáng)度

確定熱壓溫度120℃不變，改變熱壓時間，研究熱壓時間對撕裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著壓片時間的延長，撕裂強(qiáng)度逐漸上升，撕裂強(qiáng)度由20min的0.194N/mm升至100min的0.362N/mm，這與反應(yīng)時間增加時分子量增大和交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增多有關(guān)。

圖5 時間對撕裂強(qiáng)度的影響Fig. 5 Effect of time on tear strength

（3）硬度

確定熱壓溫度120℃不變，改變熱壓時間，研究熱壓時間對硬度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度對硅膠硬度的影響Fig. 6 Effect of temperature on hardness

由圖6可知，硬度隨熱壓時間的增加持續(xù)增大，從20min的59.1HA上升至80min的61HA，從60min到80min時硬度變化最為明顯；80min后出現(xiàn)拐點(diǎn)，從80min到100min，硬度只增加0.5HA，增長緩慢。原因在于反應(yīng)時間達(dá)到80min后，分子量不再增加，交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增長緩慢。熱壓60min時硬度達(dá)到60HA，與原材料供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相一致。

綜上所述，該硅膠在溫度120℃、時間60～80 min的條件下加工比較理想。

2.2 硅酮?dú)獾乐Ъ艿闹苽溲芯?/h3>

2.2.1 氣道支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用3Dmax 2020軟件進(jìn)行硅酮?dú)獾乐Ъ苣＞叩脑O(shè)計，分為直筒型模具、Y 型模具兩種。直筒型硅酮?dú)獾乐Ъ苡糜谥行臍獾廓M窄、Y型硅酮?dú)獾乐饕弥行臍獾老露伺c左右支氣管部位的臨床治療。為了預(yù)防治療過程中發(fā)生移位，在支架表面設(shè)計釘齒，增大摩擦力，釘齒結(jié)構(gòu)為凸起圓錐和頂部凸起的半球體，均為4排6列。直筒型表面釘齒直徑3.5mm、高度2mm，Y型表面釘齒直徑2mm、高度2mm。其3D模型如圖7所示。

圖7 硅酮?dú)獾乐Ъ?D模型Fig. 7 Silicone airway stent 3D model

2.2.2 氣道支架澆鑄成型模具的3D建模

為了實(shí)現(xiàn)澆鑄成型制備上述產(chǎn)品，需在澆鑄成型模具中構(gòu)建出上述產(chǎn)品的空腔。因此設(shè)計時在模具內(nèi)壁設(shè)置等大小的凹陷，凹陷由兩部分組成，由大的圓錐和頂端的半球構(gòu)成。左側(cè)頂部、底部的凹陷與右側(cè)頂部、底部凸起相匹配，中間的圓柱形成封閉的空腔。

兩種氣道支架澆鑄成型模具的3D模型如圖8所示。直筒型氣道支架的模具高60mm、直徑20mm、壁厚3mm、內(nèi)壁處凹陷直徑為3.5mm、最深處為2mm，中間的圓柱直徑14mm、高70mm。Y型硅酮?dú)獾乐Ъ艿哪＞咴O(shè)計時在頂部另外制作兩個圓筒形外壁，分開分交為70°。并設(shè)計了大小兩款模具，供大人和小孩使用。模具總體高70mm、直徑15mm、壁厚3mm、底部部分長40mm、內(nèi)壁處凹陷直徑為2mm、最深處為2mm。兩分叉部分角度為70°、長30mm、壁厚3mm，內(nèi)壁平滑。中間的圓柱直徑12mm、底部部分長43mm。兩分叉部分角度為70°、長33mm。

圖8 兩種氣道支架澆鑄成型模具的3D模型Fig. 8 3D models of two kinds of airway stent casting molds

2.2.3 氣道支架模具3D打印

將3D模型導(dǎo)入TrenEasy LP1.0軟件，調(diào)整大小與位置，并進(jìn)行切片。

設(shè)定紫外光固化3D打印機(jī)參數(shù)后， 將自由基光敏樹脂加入打印機(jī)的打印槽，制備硅酮?dú)獾乐Ъ艿臐茶T成型模具，結(jié)果如圖8所示。

圖9 3D打印兩種氣道支架澆鑄成型模具照片F(xiàn)ig. 9 3D printing photos of two kinds of airway stent casting molds

上述3D打印模具耗時2～3 h、成本100元，而且可以根據(jù)患者的氣道解剖結(jié)構(gòu)改變尺寸和形狀進(jìn)行個性化設(shè)計，只需設(shè)計上多花費(fèi)0.5～1 h，制造成本不會增加。如果采用金屬模具制造，模具加工周期需要8～10 天、成本6000元，制造周期長、生產(chǎn)成本高是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)氣道支架個性化制造的主要原因之一，基于數(shù)字化技術(shù)的光固化3D打印技術(shù)為個性化氣道支架制造提供了一種新的解決方案。

2.2.4 氣道支架的澆鑄成型

準(zhǔn)確稱取E660A/B兩種原材料各20g，用電磁攪拌儀攪拌材料，混合均勻后將硅膠平鋪在四氟乙烯薄膜上，進(jìn)行抽真空處理（-25inHg，5～8 min）。

將氣道支架澆鑄成型模具裝配并固定，用注射器注入氣道支架模具中，注入過程中小心操作避免產(chǎn)生氣泡。注膠完成后放入烘箱在120℃下加熱120min固化成型。

2.3 硅酮?dú)獾乐Ъ艿男阅?/h3>

2.3.1 尺寸和外觀

采用上述方法制備的兩種氣道支架產(chǎn)品如圖10所示，支架結(jié)構(gòu)完整，釘齒飽滿，內(nèi)外表面光滑，無氣孔或者針孔。直筒型硅酮?dú)獾乐Ъ芡鈴?8mm、壁厚2mm、內(nèi)徑14mm、高度52mm，表面釘齒直徑3.5mm、高2mm。Y型硅酮?dú)獾乐Ъ芡鈴?5mm、壁厚1.5mm、內(nèi)徑12mm、高度67mm，表面釘齒直徑2mm、高2mm，兩分叉部分角度為70°，與設(shè)計的尺寸、形狀一致。

圖10 硅酮?dú)獾乐Ъ墚a(chǎn)品Fig. 10 Silicone airway stent products

2.3.2 力學(xué)性能

按GB/T 1041-2008方法沿直徑方向施加壓力，濁試直徑壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時的最大力和壓縮強(qiáng)度，結(jié)果見表1。

表1 不同支架的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of different stents

從表1可知，直筒型硅酮支架和Y型硅酮支架的徑向支撐力分別為14.37N和7.01N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦合金網(wǎng)孔支架。壓縮強(qiáng)度數(shù)值偏小，主要是由于材料的硬度偏低所致，后續(xù)采用硬度更高的硅膠原材料，有望進(jìn)一步提高徑向支撐力和壓縮強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1) 隨著熱壓溫度或熱壓時間增加，硅膠的力學(xué)性能逐步增大，最佳的固化工藝條件為溫度120℃、時間60～80 min，材料的拉伸強(qiáng)度為6.2MPa、斷裂伸長率為280.9%、撕裂強(qiáng)度為0.323N/mm、硬度為61HA。

(2) 采用3D建模設(shè)計氣道支架和澆鑄成型模具，利用紫外光固化 3D 打印方法制備模具，采用澆鑄成型制得表面有釘齒的兩種硅酮?dú)獾乐Ъ埽Ъ艿慕Y(jié)構(gòu)完整、釘齒飽滿、內(nèi)外表面光滑、無氣孔或者針孔，實(shí)現(xiàn)了高精度、個性化氣道支架的快速制造。

(3) 采用硅膠制備的兩種硅酮?dú)獾乐Ъ埽?dāng)徑向壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時，直筒型硅酮支架和Y型硅酮支架的徑向支撐力分別達(dá)14N和7N，大于鈦合金網(wǎng)孔支架。