用新型熱固化擠出式打印機直接打印硅膠半月板植入物

供稿人：仝帥康 高琳 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

半月板是膝關節(jié)內(nèi)的一對纖維化軟骨墊，起承重墊、潤滑裝置和膝關節(jié)穩(wěn)定器的作用。半月板撕裂的治療方案包括直接修復、支架或植入物替換、半月板部分或全部切除(移除受損的半月板組織)。大多數(shù)植入物是通過間接成型技術生產(chǎn)的，即首先將模具3D打印或機械加工，然后將硅膠倒入模具中并進行固化。這種間接成型技術既耗時又昂貴，在定制不同幾何形狀的植入物或空心硅膠部件時也帶來了技術挑戰(zhàn)。

新加坡南洋理工大學引進了一種新型定制的熱固化擠出式硅膠3D打印機，使用生物相容性和植入性硅膠樹脂，能夠直接3D打印硅膠半月板植入物。首先，從硅樹脂的流變學表征中獲得最佳固化溫度和固化時間。接下來是噴嘴直徑、噴嘴溫度和床層溫度的參數(shù)優(yōu)化，使用一系列參數(shù)值，打印出標準的ASTM圓柱形塊、T型骨和最終半月板植入物。利用計算流體動力學模擬研究了硅膠樹脂通過加熱噴嘴的傳熱，利用Solidworks研究了硅膠半月板植入體的熱梯度分布，結果與實時3D打印非常相似。

圖1 基于熱固化擠壓的增材制造實驗裝置 圖例:(1)運動控制平臺，(2)擠出機，(3)靜態(tài)攪拌機，(4)打印頭，(5)加熱元件

一種新型的硅膠3D打印機成功地用于直接3D打印硅膠半月板植入物，該植入物具有傳統(tǒng)熱成型半月板的力學性能。新型的3D打印工藝為患者快速3D打印各種可定制的醫(yī)用硅膠植入物開辟了機遇，填補了目前增材制造行業(yè)的空白，因為目前的增材制造技術并未涉及醫(yī)用硅膠植入物的直接3D打印。

圖2 3D打印硅膠半月板在不同加熱溫度(T1=噴嘴溫度，T2=平臺溫度)和噴嘴內(nèi)徑下的俯視圖圖像

參考文獻：
1.Luis E, Pan HM, Sing SL, Bajpai R, Song J, Yeong WY. 3D Direct Printing of Silicone Meniscus Implant Using a Novel Heat-Cured Extrusion-Based Printer. Polymers. 2020; 12(5):1031.