医用组织补片熔体电纺三维打印虚拟仿真实验教学系统的构建与应用

阳范文， 章喜明， 谢国喜， 张智勇， 刘跃军， 杨崇岭

（1.广州医科大学基础医学院生物医学工程系，广州 511436；2.湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007；3.广东轻工职业技术学院轻化工技术学院，广州 510300）

0 引 言

熔体电纺三维打印是将熔体高压静电纺丝与三维打印相结合的一种新技术［1-2］，通过引入鞘气聚焦调控纤维取向结构，实现精确3D打印和纤维直写，可制备高性能组织工程支架［3-5］、医用组织补片［6-7］和高性能过滤材料［8-9］，在生物医学和工业等领域显现出良好的应用前景。与溶液高压静电纺丝相比，熔体电纺三维打印不使用溶剂，是一种绿色、安全和环保的制造技术［10-11］。因此，将医用组织补片的熔体电纺三维打印作为本科生的综合设计性实验，符合生物医学健康产业的未来发展趋势，有利于提高学生的研发能力和工程实践能力。

目前，采用静电纺丝技术制备医用组织补片实验存在设备成本高、医用原材料昂贵、实验耗时长及学生创新设计能力不足等问题［12-14］。为解决上述问题，教学团队将该实验项目改进为线上虚拟实仿真实验为主、线下实操实验为辅的混合式实验教学模式。为满足实验教学需要，采用3D虚拟仿真技术将熔体电纺三维打印机的工作原理和操作方法、医用组织补片微观结构设计和打印过程等进行实时模拟，开发出具有自主知识产权的虚拟仿真教学软件教学系统［15］，并在校内外相关专业开展实验教学应用。

1 虚拟仿真实验教学系统的构建

针对线上线下混合式教学的需要，本虚拟仿真实验教学系统开发技术包括：虚拟软件的器材场景采用MAYA建模，Arnold渲染器提供更逼真的效果；Animate CC提供更适应网页应用的音频、图片、视频、动画等创作支持，同时支持HTML5Canvas、WebGL，能支持包括SVG在内的几乎任何动画格式；项目管理平台采用JAVA语言开发，数据库采用SQL Server，在查询的过程中，使用优化隐藏器，提高系统的性能。

1.1 实验教学目标

本实验的教学目标：①掌握高压静电纺丝和熔体电纺三维打印的工作原理；②熟悉熔体电纺三维打印机的结构、组成和安全注意事项；③了解常用医学高分子材料的干燥工艺和打印工艺；④掌握熔体电纺三维打印机的操作方法和医用组织补片的微观结构设计和调控方法。

本实验的能力目标：①具备初步的产品研发设计、工程应用能力和医工结合能力；②具有较强的分析和解决问题能力、良好的沟通能力和团队合作能力；③具有自主学习、终身学习和自我提升的能力。

1.2 实验原理

（1）熔体电纺三维打印原理。熔体电纺三维打印是将熔体高压静电纺丝与三维打印相结合的一种新技术，将聚合物加热熔融后利用高压电场力对熔体进行拉伸，熔体在拉伸过程中冷却凝固从而形成微纳纤维［16］，通过引入鞘气聚焦实现纤维取向结构的调控，其工作原理见图1。聚合物熔体通常具有较高粘度、不导电，纺丝过程中鞭动小，电学性能稳定，可以实现精确3D打印和纤维直写［17］，可通过有序排列、逐层堆积的方式制备取向、无规／取向复合等微观结构的医用组织补片和组织工程支架，见图2。

图1 熔体电纺三维打印工作原理示意图

图2 组织工程支架的微观结构SEM照片

（2）实验实施模式。为促进学习者对熔体电纺三维打印的原理及其相关知识的掌握，本实验设计了基础知识学习、知识自测、线上实验操作、线上产品研发设计和线下实操验证5个环节，知识点涵盖原材料性能、实验原理、打印机操作方法、产品设计和打印实操等，见图3。

图3 熔体电纺三维打印实验的实施模式

利用3D虚拟仿真熔体电纺三维打印机这一技术平台，将原材料干燥、驱动气体选择、三维打印工艺参数、打印操作过程和仿真结果输出等实验过程以3D动画的形式直观地显现出来，辅以知识测试帮助学习者掌握相关知识点；改变原材料种类、打印工艺参数和组织补片结构设计等进行情景模拟和操作模拟，实现逼真直观的虚拟仿真实验教学效果。在完成上述学习后，以小组形式讨论医用组织补片产品的临床应用和生产制造要求，并开展医用组织补片的产品研发设计。学生提交产品设计方案后，经教师遴选优秀成熟的设计方案进行线下实操验证。

在操作过程中，学习者将得到系统的操作评估结果反馈，有利于其对基础理论知识的掌握和设备操作水平的提高，促进基础理论知识与工程实践的结合，有利于提高学生的产品研发设计能力、工程应用能力和医工结合能力。同时，设计方案、实验报告的提交和讨论功能组件实现师生之间和学习者之间的信息反馈和互动，有望提升知识综合应用能力。

（3）核心要素仿真设计。软件采用虚拟仿真技术对熔体电纺三维打印机进行结构和功能仿真，采用3D技术展示设备外观、喷头温度控制系统、熔体流量控制系统、高压电源控制系统、XYZ三维运动控制系统、监控显示系统（包括SMOS相机和LED光源）、环境温度控制系统等，让操作者生动形象地感受和了解设备的结构和组成。

本实验以3D动画等形式虚拟熔体电纺三维打印机的所有功能：驱动气体种类和流量选择、打印工艺参数设定、扫描方式设定、电纺三维打印过程、组织补片的微观结构设计和仿真结果输出等，将实验操作和设备功能等相关知识巧妙融入虚拟仿真过程，见图4。采用第一人称角色，让学生作为操作者使用虚拟设备开展线上实验，通过人机互动，学生可以选择6种不同原材料、改变不同工艺参数、设计不同结构的医用组织补片，模拟和体验线下实验的全部操作过程，以自然、生动、清晰的3D图形和动画展示实验场景。让学生轻松掌握设备的操作方法、医用组织补片的产品研发设计和三维打印制备等过程，实现快乐学习和高效率学习。

图4 熔体电纺三维打印的过程

1.3 虚拟仿真实验教学软件系统框架和功能

熔体电纺三维打印实验包括基础知识学习、线上虚拟仿真操作、线上产品研发设计和线下实验验证4个模块，见图5。基础知识学习模块涵盖实验目的、实验原理、设备简介等内容，学生通过该模块学习熔体电纺三维打印机的工作原理、操作方法和安全注意事项，为后续的线上线下操作奠定基础。线上虚拟仿真操作模块是学生在线上虚拟操作仿真三维打印过程，从原材料的选择、干燥工艺确定、驱动气体选择、电纺工艺参数设定等全方面模拟，体验线下实体实验的全部内容。线上产品研发设计模块可实现分组产品研发设计，师生开展线上交流讨论。线下实验验证模块为线上虚拟仿真实验的延伸和拓展。

图5 实验系统的框架和功能示意图

虚拟仿真软件系统的交互式操作体现在3个方面：①操作者可开展6种医学高分子材料的熔体电纺三维打印实验，完成其中1种所有操作步骤且操作完全正确得20分，在步骤规定时间内完成其中5种且操作正确无误得100分，错误或者超出参数设定范围按规则适当扣分，操作超时按该步骤所得分数的80%计分；②分组讨论交流，小组从临床常见的人工脑膜、疝气修补膜、腹部修补膜、子宫防粘连膜这4种产品中任选1种，讨论其临床应用需求和应用场景，对生产制造要求发表自己的看法，组员在讨论区留言，组长总结讨论结果并提交讨论报告；③产品研发设计，小组开展所选产品进行研发设计，实行组长负责制，完成研发方案后通过系统提交给教师评阅。景阅读以及交互式虚拟实验操作（含熔体电纺三维打印原理、常见医用高分子材料的干燥条件和熔融温度等知识的虚拟仿真学习及考核，熔体电纺温度、电压、气压、间隙等工艺参数的设置和调节方法，医用组织补片的微观形态结构调节方法等虚拟操作）。以6种常用的医学高分子材料和3种典型的微观结构组织补片为例，结合仿真度极高的3D动画呈现对应的仿真结果，激发学生的学习兴趣。

（2）线上讨论（1学时）。教师在线上引导学生开展医用组织补片产品生产制造和临床应用的需求分析，引导其将所学理论知识应用于医疗器械的产品研发设计。针对医用组织补片的临床应用要求和产品制造过程，组建研发小组（每组3～5人）开展线上讨论。

（3）线上产品研发设计（2学时）。教师针对每个小组的线上讨论结果，引导学生开展产品研发设计。学生根据自己的兴趣和爱好，可以针对不同产品的临床应用场景——人工脑膜、疝气修补膜、腹部修补膜、子宫防粘连膜（四选一）进行研发设计，培养学生的研发设计和医工结合能力，提升知识综合应用能力。

（4）课余时间开展线下实验验证。遴选设计方案较为成熟的小组（约40%，未入围的小组成员加入入围小组），选择课余时间进行线下实验，验证研发设计方案是否正确合理，通过线上线下混合式教学培养学生的工程实践能力。

本实验的教学方法围绕医用组织补片的熔体电纺三维打印虚拟仿真实验这一中心，充分发挥线上实验不受时空限制的优势，拓展实验的广度和深度，以组织补片的结构和功能设计为目标，通过学习评价、平台交流讨论、产品研发设计、线下实操验证和撰写实验报告等活动实现全方位、多角度培养学生的医工结合能力和产品研发能力，启迪创新思维，培养科学素养（见图6）。

图6 教学方法设计示意图

2 实验教学方案设计

2.1 教学方法设计

本项目采用课前线上学习、在线虚拟仿真实验、在线产品研发设计与线下实操验证相结合的多维度、混合式教学模式，旨在全面培养学生的自主学习能力、创新性思维能力、产品研发能力、工程应用能力和医工结合能力等。

（1）课前线上学习，完成测试和设备虚拟仿真操作。由学生在课前完成实验目的、实验原理和应用场

课后学生完成思考题及实验报告提交，并可利用互动平台继续开展师生讨论交流等活动，并组织学生加入教师相关科研项目开展进一步的研究，最终实现“教学促进科研、科研反哺教学”的科教融合新局面。

2.2 形成性考核与评价设计

采用形成性评价考核方法，采用百分制计分，包括6个方面：①操作虚拟仿真教学系统的有效时间，占5%；②线上学习和操作考核中，系统根据学生操作情况及正确率评分，占20%；③线上讨论情况和线上产品设计方案，占30%；④线下熔体电纺三维打印实操表现，占20%；⑤课后讨论、思考题和师生互动情况评分，占15%；⑥实验报告，占10%。

总之，整个实验过程体现“虚拟”与“实操”的紧密结合，“基础理论知识”和“产品研发设计、工程应用”的有机融合，实现线上弥补线下、线下验证线上的混合式实验教学效果，激发学生的兴趣，启迪创新思维，培养学生的工程应用能力、医工结合能力和产品研发能力。

3 实施效果

本系统2020年度和2021年度用于我系生物医学工程专业2018级和2019级本科生的生物医学材料学的专业实验教学，2021年2～6月份在湖南工业大学和广东轻工职业技术学院的高分子材料专业进行应用。通过课堂观察发现，学生对本虚拟软件的第一感觉便是简洁明了、直观生动、3D画面逼真、操作方便，学生的学习兴趣和主动性明显增强，对相关基础理论知识的掌握程度也明显提高，线下实验操作水平显著改善。线上虚拟仿真实验采用视频和3D动画形式展现的知识点，促进了学生的形象记忆力，有利于提高线下操作技能和实验水平。学习过程中通过知识点的测试，加深了学生对基础理论知识、原材料性能、设备操作方法和安全注意事项的理解和掌握。

问卷调查结果显示，90.4%的学生赞成线上线下互补、虚实结合的混合式实验教学模式，92.2%的学生认为创新能力得以提高，91.5%的学生认为医工结合能力得以提高，94.6%的学生认为获得了初步的研发设计能力，92.2%的学生认为工程应用能力有所提高。

本项目创新实验教学模式，将线上虚实仿真和线下实操有机融合，实现了设备操作学习、产品临床需求分析、产品研发设计和样品制备的全过程体验，获得了校内外师生一致好评。

4 虚拟仿真实验教学系统的特色

本实验系统是将现代信息技术与新型医疗器械的研发设计、制造应用等知识有机融合的综合设计性实验，其特色体现在：

（1）拓宽实验的深度和广度。利用3D虚拟仿真技术将熔体电纺三维打印机的工作原理和操作方法、医用组织补片三维打印和微观结构设计等进行实时模拟，开发具有自主知识产权的虚拟仿真教学软件，低成本、高效率、宽广度地完成多种医用级原材料的熔体电纺三维打印虚拟仿真实验。

（2）创新实验教学模式。开展混合式实验教学，将线上虚拟仿真操作、产品研发设计和线下实操验证进行有机融合，实现了设备操作学习、产品临床需求分析、产品研发设计和产品制造的全过程体验和历练，激发了学生的学习主动性，提高了学生对医用组织补片临床应用、产品研发设计和生产制造的认识和理解，多方位、全过程培养学生的创新能力、研发设计能力、工程应用能力和医工结合能力。

（3）革新考核方式。采用多元评价、全过程评价方式综合考核学生各方面表现和学习效果，如系统记录学生虚拟仿真操作步骤和自测成绩过程评价、线上讨论、产品研发设计、线下实操和实验报告等形成性评价，提高了学生的综合应用能力。

5 结 语

基于熔体电纺三维打印虚拟仿真实验教学系统的线上线下混合式实验教学，实现了设备虚拟操作学习、线上讨论、产品研发设计和线下实践的有机融合，调动了学生的学习主动性，激发了学生的创新思维，培养了学生的创新能力，提高了学生的工程应用能力、研发设计能力和医工结合能力。同时，降低了实验成本，提高了线下实验效率，解决了设备不足、原材料昂贵和课时数不足的难题，具有良好的推广应用价值。