3D 打印个性化冠脉支架系统研发

王程锦，康双珠，张 磊，孙 伟

（ 清华大学机械工程系，北京市生物制造与快速成型重点实验室，北京 100084 ）

在临床上，冠脉支架介入治疗是应对冠状动脉硬化的主要手段[1]。 近年来越来越多的研究集中于可降解冠脉支架方向，可降解冠脉支架完成血管的支撑后，能在一定时间内降解，大大降低了血管再狭窄和支架内血栓的可能性，是国内外公认的冠脉支架的发展方向[2]。 在血管支架产业上，冠脉支架的加工方式主要是激光雕刻， 这种加工方式精度高、效率高，但是有明显的缺陷[3]。 首先，用激光将管材切割成镂空的网状结构， 大部分的材料被割弃，造成了巨大的材料浪费；其次，激光雕刻更适合加工圆柱形支架，而冠状动脉有一定锥度，圆柱形支架撑开以后会产生应力不平衡，一端的过度支撑容易造成血管损伤，会加重血管堵塞[4]；再者，激光雕刻的支架丝径截面是方形，这种方形截面对血液的流场有不利的影响[5]。

本试验设计研发了用于血管支架成型的3D 打印设备，采用3D 打印技术中的熔融挤出（FDM）技术将支架材料加热到熔融状态， 然后通过喷嘴挤出，在圆锥面上打印成冠脉支架的结构，理论上可解决激光雕刻加工的不良影响。 本文介绍了冠脉支架打印和常规3D 打印的不同之处， 并给出了适用于颗粒状材料的高精度冠脉支架3D 打印平台及微螺杆喷头的研发和冠脉支架打印的主要工艺参数，最后用两种可降解材料聚己内酯（PCL）和左旋聚乳酸（PLLA）对打印系统和工艺参数进行了验证打印。

1 3D 打印冠脉支架概述

1.1 3D 打印冠脉支架的材料

可降解冠脉支架的材料主要有铁基合金、镁基合金、锌基合金和可降解聚合物，其中金属合金支架大都处于研发阶段，缺陷都比较明显，不适于3D打印[6]。 用于冠脉支架材料的可降解聚合物种类不多，最常见的是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与水，对人体无危害及毒副作用，安全性和可靠性得到了充分的验证，被广泛用于医疗器械中[7]。 本试验用PCL 和PLLA 为打印材料， 其中PCL 熔点低、黏度小、成型温度范围广、成型容易，十分适合用于验证打印系统的成型性能，PCL 和PLLA 的材料参数见表1。

表 1 PCL 和 PLLA 主要性质

1.2 冠脉支架的成型方法

常规的3D 打印是基于笛卡尔坐标系， 在一个平面上打印，将材料层层堆积成为三维结构；而血管支架是高镂空率的圆柱或圆锥形网状结构，如果采用常规的3D 打印方法，需要大量的支撑结构。 支撑结构对材料浪费巨大，且拆除支撑过程中留下的毛刺和带来的结构破坏也严重影响了支架的力学性能。 本文提出了基于圆锥面的曲面打印技术，建立在一个圆柱坐标系中，在圆锥面上进行支架的打印，完全避免了使用支撑结构，示意见图1。

2 冠脉支架打印系统设计

2.1 3D 打印系统

用于冠脉支架的3D 打印系统有两个要求，一是运动精度要求高，二是喷嘴口径要求小，挤出力需求大，一般的商业3D 打印机难以满足这些要求。图2 是本课题研发的高精度打印平台并配备小喷嘴口径的微螺杆喷头， 最大程度满足上述要求，打印平台的冠脉支架的直径一般为2～3.5 mm，支架支撑杆宽度一般约为200 μm。 为了保证支架的力学性能，打印平台的运动精度应至少达到±5 μm。

运动平台的特点是运动幅度小、 重复定位频繁，进行高频度的短程往复运动。 本试验设计的打印运动平台整体尺寸约400 mm×400 mm×400 mm，其中有效打印尺寸达到220 mm×220 mm×220 mm。传动部分采用滚珠丝杠加支撑导轨的形式，滚珠丝杠的行程为2 mm； 驱动部分用步进电机和编码器组合，编码器线数为1000 线，理论上电机可以实现0.36°的旋转分辨率；丝杠旋转一周的最大游隙误差为 4 μm，300 mm 行程游隙误差不超过 6 μm；控制部分采用PMAC clipper 控制板卡，伺服周期可达微秒级别，可实现平台五轴的联动控制，确保在打印过程中的运动控制精度。

2.2 微螺杆喷头研发

临床上广泛使用的金属冠脉支架的支撑杆宽度一般在200 μm 左右。以此为标准，将喷嘴口径也定在200 μm，喷嘴口长度0.5～1 mm，属于典型的细长孔，应用参照流体在细长孔中的压降公式[8]：

式中：ΔP 为喷嘴内外压差； q 为挤出的流量； μ 为流体的动力黏度； l 为小孔长度； d 为小孔直径。 从公式中可以看出，喷头的挤出压力与喷嘴口径的四次方呈线性关系，表示喷嘴口径对于挤出压力十分敏感。 常用的商业FDM 打印机的喷嘴口径约为400 μm，若将口径换为200 μm，所需压力需提高约16 倍，这将导致摩擦轮打滑甚至丝材脆断。此外，现有的商业打印机都只能用丝状材料，这限制了材料的来源与形式。

仿照螺杆注塑机的结构，试验设计了一种使用颗粒材料的微螺杆挤出喷头， 可承受较大的挤出力，该喷头采用三段式结构，分为加料段、压缩段和计量段[9]。 加料段的作用是将加入的材料向内部传输，在传输过程中材料的温度从常温逐渐升高至熔点，材料逐渐软化，弹性模量急剧下降，表面变粘；压缩段的作用是将变软的材料的压缩、搅拌，使材料从固体彻底转变成熔融态，压缩段温度高于熔点20～30 ℃，材料逐渐受到挤压摊开，分子间作用力被破坏，同时受热面积增大，加速融化过程，最后转变为流体。 计量段的作用是将材料摩擦、搅拌，此段材料大部分已融化为流体， 但仍有较大尺寸的分子团， 将大分子团搅碎后材料的均匀性明显得到改善。 图3 是三段式螺杆的示意图，在加料段螺纹深度最大，向加料段逐渐变浅。 在计量段，由于材料剧烈摩擦会释放大量热量，为防止材料温度过高而产生的分解，应采取措施将温度逐渐从压缩段下降到略高于熔点。

常规的螺杆注塑机螺杆直径在20 mm 以上，喷嘴口径约1 mm，螺杆长度超过500 mm，挤出需要的扭矩非常大，压力波动幅度也较大。 而冠脉支架打印的特点是挤出量小， 对挤出均匀性要求较高，对挤出效率要求低，同时要求尺寸和扭矩都不能太大，所以必须根据冠脉支架的打印特点重新设计螺杆喷头。

如果落杆直径大于10 mm，螺杆内贮存的材料较多，导致摩擦力大，需要的扭矩就超出了一般步进电机的扭矩范围，同时螺杆中材料全部融化的时间也较长，导致喷头整体尺寸都相当的大。 当螺杆直径小于6 mm，螺杆加工时容易弯曲，螺杆的强度也不够，因此设计中将螺杆直径定为8 mm，螺距也定为8 mm，螺纹升角17.6°，螺纹牙厚2 mm。

根据螺杆喷头设计的固体输送理论与一些经验设计公式，确定最终螺杆的设计参数：加料段长度36 mm，螺纹深度2mm；计量段长度28 mm，螺纹深度0.75 mm；压缩段长度24 mm，螺纹深度逐渐由加料段过渡到压缩段。 喷头的外侧套一个加热圈，用于给喷头加热，加热圈长度与压缩段相当，位置也与压缩段重合，功率为100 W。 螺杆喷头的设计与实物图见图4。

3 冠脉支架3D 打印工艺

3.1 PCL 材料的 3D 打印

PCL 材料的熔点低，固体颗粒的硬度小、韧性高，融化后黏度小，挤出过程中不需要过大的扭矩，且挤出稳定性好，因此首先用更易成型的PCL 对打印系统的可行性进行了验证。 PCL 的熔点约60 ℃，设置压缩段温度90 ℃，实测喷嘴处温度83 ℃，用试错法摸索出一个比较合适的打印速度和喷头转速后，进行了血管支架的打印，打印效果见图5。

通过上述试验，验证了PCL 材料可通过微螺杆喷头用于高分子打印中， 挤出的丝材表面光滑、直径均匀， 未出现材料堆积或丝材断裂的情况。 用PCL 材料打印的支架虽然效果较好，但由于PCL 材料本身材质较软，难以作为血管支架材料，随后对PLLA 材料的一系列打印工艺进行研究，并用PLLA材料进行了支架的打印， 整个实验的压缩段温度200 ℃、喷嘴处温度 182 ℃。

3.2 PLLA 材料的 3D 打印

3.2.1 螺杆转速对挤出速度的影响

打印过程中，最重要的是喷头的挤出速度与运动速度的匹配，如果挤出速度比运动速度快会导致成形的支架线径变粗，如果挤出速度比运动速度慢则会导致打印脱落、断丝等问题。 因在支架打印过程中， 仅可直接控制螺杆转速而非喷头的挤出速度， 所以必须建立螺杆转速与挤出速度的关系，进行相应的匹配打印。 经试验，在低转速下喷头挤出的材料不是丝状、而是液滴，可以正常挤出丝材的最低转速约为1.7 r/min， 试验测定了螺杆转速从1.7～8.5 r/min 对喷头挤出速度的影响， 测定结果见图6。可看出，螺杆转速与喷头的挤出速度呈非线性关系，随着转速的提高，挤出速度迅速增加。 但当挤出速度很高时， 相应的运动平台运动速度也要加快， 丝材没有足够时间粘附在圆锥结构模具上，容易导致挤出的丝材偏移预期位置甚至脱落。

3.2.2 螺杆转速对丝材直径的影响

在喷头螺杆不同的转速下，喷头内部熔体的压力也不相同， 高分子熔体是一种弹性非常高的流体，从喷嘴挤出后会有比较明显的膨胀效果。 为获得最佳打印速度，试验分别采用250 μm 和100 μm的喷嘴研究了螺杆转速对挤出丝材直径的影响，测得结果见图7。 可看出，对试验的两种口径喷嘴，转速越高，丝材的膨胀越明显，且二者在测试转速范围内基本呈线性关系；同时发现，250 μm 口径的喷嘴材料膨胀幅度明显大于100 μm。 为得到低直径的丝材，螺杆转速越小越好，但在试验中转速过慢会出现电机振动和脉冲运动的现象，从而影响打印精度。综合各方面因素，采用100 μm 口径的喷嘴在3.75 r/min 的螺杆转速进行PLLA 的支架打印试验，打印效果见图8。

在打印过程中，PLLA 和PCL 的支架线径都比相同条件下的单丝挤出直径大一些，存在两个可能的原因：①运动的速度和基础速度仍有失调，并不匹配得十分理想；②打印支架时，挤出的丝落在模具上，在重力作用下变成椭圆，导致测量起来比单丝更粗。

4 结束语

针对激光雕刻加工的不良影响，提出了在圆锥面上用3D 打印的方式制造可降解血管支架的方案，研发了高精度的运动平台和微螺杆喷头，研究了螺杆转速对于喷头挤出速度和丝材直径的影响，并采用PCL 和PLLA 为材料进行了冠脉支架的打印试验。 通过实验证明，用微螺杆喷头进行血管支架的3D 打印是可行的， 这为冠脉支架的进一步研究奠定了基础。