嵌入式3D打印多孔硅胶义眼台及其表面修饰

参考文献:赵宏;王艺霖;汪艳芳;宫海环;殷俊飞扬;崔晓军;张剑凯;黄文华.嵌入式3D打印多孔硅胶义眼台及其表面修饰[J].南方医科大学学报,2023,43(05):783-792.

摘要：目的 制备个性化多孔硅胶义眼台并探讨表面修饰对硅胶义眼台性能的影响。方法 检测支撑介质的透明度、流动性及流变学性能，确定硅胶的最适打印参数。扫描电镜分析硅胶表面修饰前后的形貌变化；水接触角评估硅胶表面的亲疏水性；压缩试验测试多孔硅胶的压缩模量；将猪主动脉内皮细胞（PAOEC）与多孔硅胶支架共培养1、3、5 d后测试多孔硅胶的细胞相容性；大鼠皮下植入试验评估多孔硅胶的体内局部炎症反应。结果 确定多孔硅胶义眼台的最适打印参数为：支撑介质4 wt%、打印压力为1.0 bar，打印速度为6 mm/s；扫描电镜显示硅胶表面聚多巴胺、胶原蛋白修饰成功，修饰后的硅胶表面亲水性显著提升（P<0.05），且压缩模量无显著变化（P>0.05）；细胞毒性及增殖实验结果显示：修饰后的多孔硅胶无明显细胞毒性且能够促进PAOEC的黏附和增殖（P<0.05）；植入大鼠皮下后局部组织未见明显炎症反应。结论 嵌入式3D打印技术能够制备孔隙均匀的多孔硅胶义眼台，表面修饰后的硅胶亲水性增加、生物相容性良好，为3D打印个性化义眼台的性能研究与临床应用奠定基础。

眼部的重度创伤、严重感染、重度眼球萎缩、恶性肿瘤晚期等均可能造成眼球不可逆损伤，常需要将病变眼球摘除［1］。眼球摘除后不仅导致患者病变侧视力缺失，还会影响面容美观，给患者造成巨大的心理负担［2］。义眼台可代替眼窝体积、改善面部容貌，成为眼球缺失后整形修复的首选［3］。羟基磷灰石和高密度聚乙烯是义眼台的常用材料，但二者造价昂贵且力学强度明显高于眼周组织，植入术后常引发出血、感染、眼周组织坏死等并发症［3, 4］。硅胶是一种生物相容性良好且价格低廉的弹性材料，更接近人体眼周组织的力学强度（0.72~1.28Mpa），用于义眼台制备不仅降低了制造成本且可有效避免上述并发症［5-7］。但硅胶的疏水特性不利于植入后的细胞组织黏附，无孔硅胶义眼台植入术后常伴随极高的脱出风险［3］。明胶颗粒浸出、盐颗粒浸出等方法制备多孔硅胶义眼台的效率低下、孔径大小不一、孔隙率不均匀［6, 8, 9］。因此，如何提高硅胶义眼台的安全性及制备方法仍有待进一步研究近年来，3D打印技术已广泛应用于多领域多孔仿生支架的制备［10, 11］，但是传统的3D打印技术难以克服流体墨水受重力因素干扰的技术瓶颈，致使复杂三维结构的成型受限［12］。而嵌入式3D打印技术（EMB-3DP）能够使流体打印墨水克服重力因素干扰，实现复杂三维结构的高精度个性化定制，为更多水凝胶、硅橡胶等低粘度墨水的打印成型提供了可能［13, 14］。因此，本研究基于EMB-3DP技术成功制备了孔径均一、孔隙率可控的多孔硅胶义眼台。为进一步改善细胞、组织对硅胶义眼台的黏附，本研究还对义眼台进行了表面修饰以促进细胞及组织生长，为多孔弹性义眼台的制备提供了新的方案。

材料和方法

1.1 主要材料及设备

本实验主要材料包括：SE 1700硅胶（深圳市研放科技有限公司）、Sylgard 184硅胶（深圳市研放科技有限公司）、气相二氧化硅（北京天童华艺景观科技有限公司）、硅油稀释剂（北京天童华艺景观科技有限公司）、盐酸多巴胺（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）、三羟甲基氨基甲烷（Tris-HCL）（上海麦克林生化科技有限公

司）、0.01 mmol盐酸溶液（广州一骏生物制品有限公司）；鼠尾I型胶原蛋白（COL）溶液（广州新代生物科技有限公司）、Live/Dead染色试剂盒（北京瑞茂宏达科技有限公司）、Alamar Blue染色试剂盒（亚太恒信生物科技（北京）有限公司）、细胞培养用液等。本实验主要设备包括：流变学分析仪（赛默飞世尔科技有限公司）、生物3D打印机（Envision TEC）、水接触角检测仪（科诺工业有限公司）、扫描电子显微镜（日立公司）、能谱分析仪（AMETEK公司）、万能测试仪（英斯特朗）、倒置显微镜（奥林巴斯株式会社）、真空泵（上海德英真空照明设备有限公司）、电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）等。

1.2 打印墨水与支撑介质的制备

室温下，将SE 1700硅胶和Sylgard 184硅胶分别与各自固化剂按质量比10∶1混合，充分搅拌，得到两种硅胶的预聚物。将上述两种硅胶预聚物按质量比7∶3均匀混合（SE 1700∶Sylgard 184），得到本研究中的打印墨水（PDMS）。分别称量气相二氧化硅和硅油稀释剂，制备成3 wt%、4 wt%、5 wt%的均匀混合物，得到本研究中的支撑介质。最后通过真空负压法去除上述打印墨水和支撑介质中的气泡。

1.3 支撑介质的性能检测

1.3.1 透明度检测 称取等量的3 wt%、

4 wt%、5 wt%的支撑介质，分别装入透明培养皿中，依次放置在印有字母的纸上，俯视培养皿，透过支撑介质观察字母的清晰程度，比较3种支撑介质的透明度差异。

1.3.2 流动性测试 分别取 10 mL 的 3 wt%、

4 wt%、5wt%的支撑介质装入样品瓶中，将所有样品瓶倾斜相同角度，观察液面的倾斜角度以判断3种支撑介质的流动性强弱。

1.3.3 流变学性能检测 使用转子直径为20 mm的平行板流变学分析仪检测支撑介质的流变学性能。检测时平行板和转子间距离恒定为1 mm。设定振幅模式检测，频率恒定 1 Hz，应变范围：1%~100%，检测温度为25 ℃，测定支撑介质的储存模量（Storage Modulus，G'）和损耗模量（Loss Modulus，G''），确定三种支撑介质的线性粘弾区。旋转测试获得支撑介质的粘度曲线，设定应变在支撑介质的线性粘弾区范围内，剪切速率设定为0.01 s-1~1000 s-1，检测温度为25 ℃。旋转模式完成3ITT阶梯测试：设定第1阶段与第3阶段的剪切速率为0.1 s-1，第2阶段的剪切速率为100 S-1，检测温度为25 ℃。设定应变在支撑介质线性粘弾区范围内，分析2种支撑介质的温度依赖性，温度范围为20 ℃~100 ℃，升温速度为1 ℃/min。

1.3.4 PDMS 在 支 撑 介 质 内 的 时 间 稳 定 性 测 试Autodesk Fusion 360软件设计尺寸为（1×1×1）cm的正方体，以“stl.”格式导入计算机。Perfactory软件对模型进行分层，切片厚度为600 μm，将模型以“bpl.”格式另存并通过Visual machines软件打开模型。设定生物3D打印机参数：恒定打印丝间距为1.3 cm，打印压力为1.0bar，打印速度为1.0 mm/s。本研究中所有打印喷嘴规格均为长3.81 cm、内径18 G，打印温度均为25 ℃。在3种支撑介质内完成正方体结构的打印后，保持样品在支撑介质中分别静置0、0.5、6、12、24 h后，放入80 ℃的电热鼓风干燥箱中热固化2 h。移除支撑介质，分别测算样品体积。

1.4 最佳打印参数的测定将PDMS装入打印机的墨水仓中，设定打印参数：打印丝间距为2.0 mm，打印压力为1.0、1.5、2.0 bar，分别以1、2、3…10 mm/s的打印速度依次在支撑介质中打印单层片状结构。打印完成后按1.3.4的方法固化PDMS后去除支撑介质。光学显微镜下观测所有打印样品。打印丝均匀且直径最接近喷嘴内径时对应的打印参数即为PDMS在3种支撑介质中成型的最适打印参数。

1.5多孔硅胶修饰前后的力学性能检测压缩试件的制备：按 1.3.4 中的方法完成直径为1.0 cm、高为1.0 cm的压缩试件建模与切片。设定生物3D打印机参数：打印丝间距为1.5 cm，使用1.4中获得的最佳参数在最佳配比的支撑介质中打印内部结构为横纵交错的压缩试件。并按照1.6中的方法对压缩试件进行表面修饰。力学性能检测：设置应变至50%时停止压缩，压缩速度为20 mm/min，使用万能试验机对四组试件进行检测，得到应力-应变曲线并分别计算其杨氏模量和50%应变时的压力。

2 结果

2.1 支撑介质的性能

2.1.1 透明度与流动性分析 装有3 wt%支撑介质培养皿下方的文字最清晰，透明度最佳，样品瓶倾斜时，其液面倾斜角度最大，流动性也最强；5 wt%培养皿下方的文字最模糊，透明度最差，样品瓶倾斜时，其液面倾斜角度最小，流动性也最弱；同时，样品瓶倾斜时，4 wt%和5wt%的液面倾斜角度差异不明显（图1）。可见，3种不同配比的支撑介质，透明度与流动性均随气相二氧化硅添加剂量的增加而减弱，4 wt%和5 wt%的流动性差异不明显。

2.1.2 流变学性能分析 振幅扫描结果显示3种支撑介质的线性粘弹区均在 0.1%~1% 的剪切应变范围内（图 2A）；在任一剪切速率下，3 wt%组的粘度始终低于其它两组，4 wt%组与5 wt%组之间的粘度差异不明显（图2B）。在3ITT阶梯测试中，当剪切速率从0.1 S-1骤增至100 S-1，3种支撑介质的粘度会迅速降低，剪切速率一旦恢复，3组支撑介质的粘度也迅速增加且与初始粘度基本一致，均展现了良好的触变性（图2C）。温度依赖性结果显示随温度增加，3种支撑介质的粘度随均有降低但并不显著（图2D），表明受温度的影响较小。

2.2 最适打印参数的探索

PDMS在3种支撑介质中打印，其结构不会随留置时间的延长发生明显改变（P>0.05，图3）。在3种支撑介质中以不同参数打印PDMS时，可以发现打印压力越大、打印速度越慢，在1.5 bar和2.0 bar的压力下即以10 mm/s的速度打印PDMS，打印丝的直径也远大于针头内径840 μm；当压力为1.0 bar时，在3 wt%、4 wt%、5 wt%支撑介质中打印，打印丝可分别在9、6、5 mm/s的速度下获得接近840 μm的直径；此外，在3种支撑介质中以相同的压力、速度挤出的PDMS，打印丝直径随支撑介质浓度的增加而减小（图4）。

2.3 多孔硅胶义眼台的制备效果在3 wt%支撑介质中成型的义眼台结构底部出现了明显形变，而另外两组的义眼台结构精准度均较好（图5）。结合支撑介质的透明度，为便于观察打印过程，本研究设定4 wt%组为最适支撑介质。

3.工作室相关多孔结构设计

随着3d打印技术发展，多孔器械应用越来越广泛（图7工作室器械案例），在人体相关应用于假体植入（义眼）、佩戴康复装置（手腕支架），工业用于材料轻量化提升振动特性，如刹车踏板、鞋类中底。本工作室长期承接医疗器械、装置结构优化研究，如有需要请后台联系。

图7.结构轻量化应用

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