扫描/打印复合原位打印系统及成形工艺研究

【作者】 李晓； 连芩； 周李念； 顾恒； 何晓宁； 李涤尘； 贾书海；

【机构】 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室； 西安电子科技大学宽带隙半导体技术国家重点学科实验室；

【摘要】 原位打印是一种直接在缺损部位打印进行缺损修复的3D打印技术。在生物3D打印领域,原位打印是一种快速简便的修复方案的设想,利用3D生物打印机在伤口处直接进行生物材料打印,可以实现损伤的快速修复,简化手术过程,减少病人痛苦,提高损伤恢复速度。目前,原位打印还处于研究初期,主要难题包括:(1)没有完善的原位打印设备和方案;(2)缺损形貌获取后如何与打印设备进行对接。本研究开发并搭建了一套扫描/打印复合原位打印系统,包括扫描系统、打印系统和总控。扫描系统由投影仪和工业相机组成。投影仪作为光源,在物体表面投射光刀,利用激光三角原理得到被测表面的轮廓信息并以点云格式导出至总控。打印系统由机械臂和双光源喷墨式喷头组成,通过单片机实现机械臂运动和喷头开关的协同控制。光固化材料通过喷墨式喷头逐滴喷出,经紫外光照射后固化累积形成三维结构。为了实现扫描系统与打印系统的对接,本研究通过工业相机获取喷头和缺损的相对位置,从而控制喷头自动运动至缺损处,并将扫描系统输出的点云数据按照一定的路径间距、精度、边界缩进转换为打印路径,加入打印速度、喷头开关信息,最终生成控打印系统的指令完成打印,解决了喷头自动对准及系统间数据交互的问题。以光敏生物材料聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为打印材料,加入光引发剂2959,研究光固化水凝胶喷墨打印的成形工艺。测量实验显示单个液滴直径为1.31±0.05mm,液滴重合对液滴尺寸影响很小。本文研究了水凝胶浓度与打印参数的相关性定量关系。实验结果显示固化速度与光照强度及材料浓度有关,光照强度越强、材料浓度越大,固化时间越短。大鼠皮肤原位打印实验测试了缺损形貌特征获取、缺损转换为打印路径、自动打印等功能,结果满足原位打印修复皮肤缺损的要求。动物实验中发现,材料填补缺损时,因组织环境,特别是组织液渗出造成水凝胶固化不及时将会影响修复效果。但实验结果显示,浓度为20%(w/v)的PEGDA在156 mW/cm~2的光照强度下2.5s可以完全固化,大鼠背部20 mm×15 mm的全皮层皮肤缺损可以被准确地填补。更多还原