基于数字化3D制造技术的硅酮气道支架研制*

宋佳奇，潘均安，阳范文，苏昊橼，陈志琪，卓志宁，陈俊宇，陈淑萍

（1 广州医科大学生物医学工程系，广东广州 511436；2 广州睿康医疗科技有限公司, 广东广州 510320）

气道狭窄可引起呼吸困难、顽固性咳嗽、咯血、感染等，严重者可出现呼吸衰竭，甚至窒息死亡。气道狭窄的传统疗法是外科手术切除，对于病变范围小、局限性的气道狭窄病患疗效较好。然而狭窄较长或多处狭窄、术后再狭窄及患者心肺功能不佳者均不宜行手术治疗［1-3］。支架植入是一种微创疗法，因其手术简便、对患者的心肺功能要求低，现已成为气道狭窄常用的临床疗法。其中，硅酮支架具有支撑力强、生物相容性好、维持时间长等特点，近年来在临床应用日益广泛［4-6］。现有的硅酮气道支架多为直筒型支架和Y型支架，表面设计突起，防止支架移位；并提供有长度和直径不同的型号可供选择［7-9］。然而，临床发现年龄、性别、狭窄程度不同的患者，对气道支架的尺寸和形状要求各异，现有的型号很难实现支架与患者气道的完美吻合：尺寸过小容易移位，尺寸太大容易引发微循环受阻，严重时引起局部组织坏死。因此，为患者定制尺寸和形状精准匹配的气道支架［10］，在提高临床疗效，解决传统气道支架存在的不足具有重要的意义。

传统气道支架制造方法一般采用模压成型或者注塑成型［11-12］，因开模周期长和模具制造费用昂贵，无法实现个性化生产。基于患者气道CT图像［13］，通过3D建模和3D打印［14］有望实现气道支架的个性化制备，采用该技术无需制造金属模具，具有效率高、成本低和快速制造的优点。有望为患者提供精准吻合的个性化气道支架，克服传统气道支架与不同患者气道吻合度差的问题，对于提高患者的手术治疗［15-17］、改善生活质量具有重要意义和良好的应用前景。

本文以硅胶E660为材料，筛选最佳性能的硅胶成型工艺，并开展气道支架和浇铸成型模具的3D建模，在此基础上采用紫外光固化3D打印制备模具，采用浇铸成型制备硅酮气道支架，为气道支架的个性化设计和制备探索新方法。

1 实验部分

1.1 原材料

硅胶E660A、E660B，医用级，深圳红叶硅胶科技有限公司。3D打印树脂，3DM/TL305，广州畅德科技有限公司。

1.2 实验仪器

热压成型机：BL-6170-A，东莞宝轮精密检浊仪器有限公司；电子拉力试验机：CMT40204(20KN) ，深圳新三思材料检浊有限公司；紫外光固化3D打印机：TT1型，广州畅德科技有限公司；电磁搅拌机：MS-H-Pro+，大龙兴创实验仪器（北京）股份公司；冲片机：CP-25型，上海化工机械四厂；真空干燥箱：DZF-6050C，捷呈实验仪器；电热鼓风干燥箱：GZX-9076MBE，博讯实业有限公司医疗设备厂；指针式邵氏硬度计：LX-D-1，温州一鼎仪器制造公司；电子数显浊厚规：百分标准款（0～10mm），德清盛泰芯电子科技有限公司。

1.3 硅胶薄片制备方法

准确称取E660A、E660B各25g，采用电磁搅拌仪在转速为1200r/min、搅拌时间10min的条件下搅拌混合均匀。然后用热压成型机分别改变温度（60～140 ℃）或时间（20～100 min），压制不同的薄片样品。

1.4 硅胶气道支架的制备方法

（1）气道支架设计

以医院提供某患者的气道尺寸特征为依据，采用3Dmax软件进行硅酮气道支架的结构设计和3D建模。

（2）模具设计与制作

用3Dmax软件开展硅酮气道支架浇铸成型模具的3D建模，选择自由基光固化3D打印树脂（型号3DM/TL305）进行紫外光固化3D打印。设定层厚50μm、固化时间2000ms、离型高度2.7mm、离型速度2.0mm/s、光照强度80%、首层时间9500ms、首层高度6.0mm、首层强度100%等参数，制备气道支架浇铸成型模具。

（3）硅酮气道支架浇铸成型

首先，准确称取E660A/E660B两种原材料各15g并混合均匀，采用电磁搅拌仪在转速为1200r/min、搅拌时间10min的条件下混合均匀后，平铺在四氟乙烯薄膜上并抽真空处理（-25inHg，5min）。然后，将硅胶缓慢抽入注射器内，再注入硅酮气道支架模具中。随后，放入120℃的烘箱烘烤2h。最后，取出后冷却至室温，打开模具，取出气道支架样品。

1.5 性能测试

拉伸性能浊试：利用冲片机制备标准力学样条，采用电子拉力试验机按GB/T 1040.1-2018方法执行，拉伸速率为200mm/min。

撕裂强度浊试：按照GB/T 529-2008方法执行，拉伸速率为50mm/min。

硬度浊试：使用指针式邵氏硬度计浊试材料的硬度。

气道支架径向支撑力浊试：采用电子万能试验机进行浊试，参照GB/T 1041-2008方法执行，将气道支架平放在压缩模具中间，沿直径方向施加压力，浊试径向压缩应变为30%时的最大力和压缩强度，压缩速率为10 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 硅胶固化工艺对性能的影响

2.1.1 压片温度对硅胶力学性能的影响

（1）拉伸性能

确定热压时间60min不变，改变热压温度，研究温度对硅胶的拉伸强度、断裂伸长率影响，结果如图1所示。

图1 温度对拉伸性能影响Fig.1 Effect of temperature on tensile properties

由图1可知，随着热压温度上升，拉伸强度、断裂伸长率均逐渐上升。拉伸强度和断裂伸长率分别由60℃的5.3MPa和236.5%上升至140℃的6.1MPa和275.7%。产生上述现象的原因与受热过程中硅胶分子的高温硫化（交联）反应有关，即：高粘滞塑性态的硅胶生胶转变为三维网状结构的弹性态。常温下为流动性的液态硅胶在受热过程中分子间发生扩链和交联，分子量迅速增大，线型的有机硅氧烷分子形成三维网状结构。热压温度或者时间增加，分子量和交联点数量增加，抵抗外力破坏的能力增大，表现为拉伸强度逐渐增大。

（2）撕裂性能

确定热压时间60min不变，改变热压温度，研究温度对硅胶的撕裂强度影响，结果如图2所示。

图2 温度对撕裂强度的影响 Fig.2 Effect of temperature on tear strength

由图2可知，随着压片温度上升，撕裂强度逐渐上升，撕裂强度由60℃的0.16N/mm升至140℃的0.28/mm。撕裂强度随温度提高而增大的原因是在高温热压条件下，随着温度和热压时间增长，交联程度不断增加形成三维网络结构所致。交联点越多，分子量越大，撕裂要破坏材料所需能量越多，故撕裂强度随之增大。

（3）硬度

确定热压时间60min不变，改变热压温度，研究温度对硅胶硬度的影响，结果如图3所示。

图3 温度对胶硬度的影响Fig.3 Effect of temperature on hardness

由图3可知，随着压片温度上升，硬度逐渐上升，由60℃的58.2HA上升至140℃的61.9HA。硬度上升的原因与上述讨论的拉伸强度提升原因相同。可以看到在温度110～120 ℃时，硬度达到60HA，与原材料供应商提供的技术指标相符合。

综上所述，提高温度可提高硅胶的交联反应程度，线性结构的硅胶分子因受温度作用发生扩链反应和交联反应，最终形成三维网状结构大分子。该反应具有不可逆反应性和连锁性，反应过程中迅速生成高分子化合物，分子量增大，交联程度提高，故拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和硬度逐渐增大。交联反应温度可从60℃到180℃，考虑到模具材料的耐温不能超过130℃，故120℃为最适宜的加工温度。

2.1.2 压片时间对硅胶力学性的能影响

（1）拉伸性能

确定热压温度120℃不变，改变热压时间，研究热压时间对硅胶的拉伸强度和断裂伸长率影响，结果如图4所示。

图4 时间对拉伸性能影响Fig. 4 Effect of time on tensile properties

由图4可知，随着热压时间的延长，拉伸强度和断裂伸长率均逐渐上升，热压时间在60min时出现拐点，即从20min延长到60min时，拉伸强度上升幅度较大，从5.1MPa上升5.9MPa；超过60min后，增长变缓，从80min增加到100min，拉伸强度从6.2MPa增加到6.3MPa。断裂伸长率由20min的245.1%上升80min的280.9%，超过80min后，增长缓慢，说明交联反应在120℃的条件下反应80min比较完善了。这也与交联反应另一特点有关：反应程度随时间延长而增加，受热时间增加，交联点数量增多，产物的分子量不变。通过对延长受热时间的研究可知，在制备硅胶工艺中，可以通过延长时间达到与提升温度相同的结果，如在载药实验中，若药物不能耐高温，可以选用适当温度延长受热时间。

（2）撕裂强度

确定热压温度120℃不变，改变热压时间，研究热压时间对撕裂强度的影响，结果如图5所示。由图5可知，随着压片时间的延长，撕裂强度逐渐上升，撕裂强度由20min的0.194N/mm升至100min的0.362N/mm，这与反应时间增加时分子量增大和交联点数量增多有关。

图5 时间对撕裂强度的影响Fig. 5 Effect of time on tear strength

（3）硬度

确定热压温度120℃不变，改变热压时间，研究热压时间对硬度的影响，结果如图6所示。

图6 温度对硅胶硬度的影响Fig. 6 Effect of temperature on hardness

由图6可知，硬度随热压时间的增加持续增大，从20min的59.1HA上升至80min的61HA，从60min到80min时硬度变化最为明显；80min后出现拐点，从80min到100min，硬度只增加0.5HA，增长缓慢。原因在于反应时间达到80min后，分子量不再增加，交联点数量增长缓慢。热压60min时硬度达到60HA，与原材料供应商提供的标准指标相一致。

综上所述，该硅胶在温度120℃、时间60～80 min的条件下加工比较理想。

2.2 硅酮气道支架的制备研究

2.2.1 气道支架的结构设计

利用3Dmax 2020软件进行硅酮气道支架模具的设计，分为直筒型模具、Y 型模具两种。直筒型硅酮气道支架用于中心气道狭窄、Y型硅酮气道主要用中心气道下端与左右支气管部位的临床治疗。为了预防治疗过程中发生移位，在支架表面设计钉齿，增大摩擦力，钉齿结构为凸起圆锥和顶部凸起的半球体，均为4排6列。直筒型表面钉齿直径3.5mm、高度2mm，Y型表面钉齿直径2mm、高度2mm。其3D模型如图7所示。

图7 硅酮气道支架3D模型Fig. 7 Silicone airway stent 3D model

2.2.2 气道支架浇铸成型模具的3D建模

为了实现浇铸成型制备上述产品，需在浇铸成型模具中构建出上述产品的空腔。因此设计时在模具内壁设置等大小的凹陷，凹陷由两部分组成，由大的圆锥和顶端的半球构成。左侧顶部、底部的凹陷与右侧顶部、底部凸起相匹配，中间的圆柱形成封闭的空腔。

两种气道支架浇铸成型模具的3D模型如图8所示。直筒型气道支架的模具高60mm、直径20mm、壁厚3mm、内壁处凹陷直径为3.5mm、最深处为2mm，中间的圆柱直径14mm、高70mm。Y型硅酮气道支架的模具设计时在顶部另外制作两个圆筒形外壁，分开分交为70°。并设计了大小两款模具，供大人和小孩使用。模具总体高70mm、直径15mm、壁厚3mm、底部部分长40mm、内壁处凹陷直径为2mm、最深处为2mm。两分叉部分角度为70°、长30mm、壁厚3mm，内壁平滑。中间的圆柱直径12mm、底部部分长43mm。两分叉部分角度为70°、长33mm。

图8 两种气道支架浇铸成型模具的3D模型Fig. 8 3D models of two kinds of airway stent casting molds

2.2.3 气道支架模具3D打印

将3D模型导入TrenEasy LP1.0软件，调整大小与位置，并进行切片。

设定紫外光固化3D打印机参数后， 将自由基光敏树脂加入打印机的打印槽，制备硅酮气道支架的浇铸成型模具，结果如图8所示。

图9 3D打印两种气道支架浇铸成型模具照片Fig. 9 3D printing photos of two kinds of airway stent casting molds

上述3D打印模具耗时2～3 h、成本100元，而且可以根据患者的气道解剖结构改变尺寸和形状进行个性化设计，只需设计上多花费0.5～1 h，制造成本不会增加。如果采用金属模具制造，模具加工周期需要8～10 天、成本6000元，制造周期长、生产成本高是传统制造技术难以实现气道支架个性化制造的主要原因之一，基于数字化技术的光固化3D打印技术为个性化气道支架制造提供了一种新的解决方案。

2.2.4 气道支架的浇铸成型

准确称取E660A/B两种原材料各20g，用电磁搅拌仪搅拌材料，混合均匀后将硅胶平铺在四氟乙烯薄膜上，进行抽真空处理（-25inHg，5～8 min）。

将气道支架浇铸成型模具装配并固定，用注射器注入气道支架模具中，注入过程中小心操作避免产生气泡。注胶完成后放入烘箱在120℃下加热120min固化成型。

2.3 硅酮气道支架的性能

2.3.1 尺寸和外观

采用上述方法制备的两种气道支架产品如图10所示，支架结构完整，钉齿饱满，内外表面光滑，无气孔或者针孔。直筒型硅酮气道支架外径18mm、壁厚2mm、内径14mm、高度52mm，表面钉齿直径3.5mm、高2mm。Y型硅酮气道支架外径15mm、壁厚1.5mm、内径12mm、高度67mm，表面钉齿直径2mm、高2mm，两分叉部分角度为70°，与设计的尺寸、形状一致。

图10 硅酮气道支架产品Fig. 10 Silicone airway stent products

2.3.2 力学性能

按GB/T 1041-2008方法沿直径方向施加压力，浊试直径压缩应变为30%时的最大力和压缩强度，结果见表1。

表1 不同支架的力学性能Table 1 Mechanical properties of different stents

从表1可知，直筒型硅酮支架和Y型硅酮支架的径向支撑力分别为14.37N和7.01N，远远大于钛合金网孔支架。压缩强度数值偏小，主要是由于材料的硬度偏低所致，后续采用硬度更高的硅胶原材料，有望进一步提高径向支撑力和压缩强度。

3 结论

(1) 随着热压温度或热压时间增加，硅胶的力学性能逐步增大，最佳的固化工艺条件为温度120℃、时间60～80 min，材料的拉伸强度为6.2MPa、断裂伸长率为280.9%、撕裂强度为0.323N/mm、硬度为61HA。

(2) 采用3D建模设计气道支架和浇铸成型模具，利用紫外光固化 3D 打印方法制备模具，采用浇铸成型制得表面有钉齿的两种硅酮气道支架，支架的结构完整、钉齿饱满、内外表面光滑、无气孔或者针孔，实现了高精度、个性化气道支架的快速制造。

(3) 采用硅胶制备的两种硅酮气道支架，当径向压缩应变为30%时，直筒型硅酮支架和Y型硅酮支架的径向支撑力分别达14N和7N，大于钛合金网孔支架。