CN104116578B - 一种4d打印成型人工血管支架的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：1)以形状记忆聚合物或形状记忆合金作为可变形材料单元，以聚合物材料或金属材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型；2)采用熔融直接成型方法将可变形材料单元和基体材料单元，打印成所需要的3D初始构型，或者选择激光选区熔化成型或微喷熔滴电磁约束成型中的一种，作为形状记忆合金打印成型方式制造血管支架；3)对步骤2)得到的3D初始构型或血管支架进行保温、缓冷处理；4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

Description

一种4D打印成型人工血管支架的方法

【技术领域】

本发明属于增材成型制造技术领域，具体涉及一种4D打印成型人工血管支架的方法。

【背景技术】

血管支架是指在管腔球囊扩张成形的基础上，在病变段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩及再塑形，保持管腔血流通畅的目的，部分内支架还具有预防再狭窄的作用。血管支架的制造是一项复杂精细工程，血管支架自身的尺度一般直径只有2mm～4mm，金属丝直径为0.15mm～0.20mm左右，微细血管要求金属丝直径为0.05～0.09mm甚至更细。人工血液支架因其网格薄壁和金属细丝螺旋结构的特点，加工制造困难，通常采用薄壁管材激光雕刻复杂的工艺方式制造，只能生产固定规格大小，植入后无法与血管直径完全适应，需采用球囊快速扩张实现支架与血管内壁贴合，容易造成血管壁的撕裂损伤而引起的后续免疫反应，以及平滑肌过度迁移增殖反应。支架在球囊作用下强迫变形拉大，材料的性能发生变化，长期留存体内容易造成支架再狭窄，引发血管血栓。

形状记忆材料由于具有多种特殊性能，如伪弹性、形状记忆效应、生物相容性、高的比强度、高耐蚀性、高耐磨性、良好的抗疲劳性能，成为不断发展的先进材料。因此，形状记忆合金被广泛应用于航空航天、医疗和汽车等方面。然而，由于严重的加工硬化和伪弹性，形状记忆合金的传统加工会造成严重的刀具磨损、费时以及低维畸变。传统的方法，如激光加工、水射流加工(WJM)和电化学加工(ECM)进行机械加工，但这些方法受限于该材料的复杂性和力学性能。电火花加工(EDM)和线切割(WEDM)能够加工具有复杂形状和精密尺寸的形状记忆合金，但对于微小尺寸的薄壁构件由于装夹困难，无法实现加工。

4D打印技术与3D打印相比特点在于可以实现自我组装，可变形材料会在指定时间之内变形为所需的形状。因此，采用4D打印技术加工心脏血管支架，成型后在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，使其在植入人体时无需球囊扩张或在较小扩张力作用下即可通过自我变形实现支架与血管内壁的紧密稳定贴合，降低球囊扩张过程对血管壁的强烈冲击、降低血管壁撕裂风险，减轻病患痛苦。同时，成型过程不受结构复杂性的限制，与传统制造方法相比，更容易满足力学性能和和医学性能的要求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种4D打印成型人工血管支架的方法，该方法使血管支架在植入人体时无需球囊扩张，即可通过外接刺激变形实现支架与血管内壁贴合渐进式自适应血管支架，并采用4D打印成型工艺制造，成型后在激励介质刺激下实现血管支架按照程序设定的模型和时间等参数完成自我时序变形，完成血管支架成型后在宏观尺度上的自变形成为预设三维空间构型。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：

1)以形状记忆聚合物作为可变形材料单元，以聚合物材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型，血管支架初始构型选用螺旋环形结构，其中，基体材料单元与可变形材料单元间隔设置，且血管支架初始构型的两端均为基体材料单元，基体材料单元与可变形材料单元的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)采用熔融直接成型方法间隔打印基体材料单元和可变形材料单元，打印成所需要的血管支架初始构型，其中，喷嘴直径0.08mm～0.4mm，扫描速度20～80mm/s，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内；

3)对步骤2)得到的血管支架初始构型进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架。

2、根据权利要求书1所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

本发明进一步改进在于，形状记忆聚合物选用聚氨酯、交联聚乙烯、聚降冰片烯、反式聚异戊二烯或苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种。

本发明进一步改进在于，聚合物材料选用聚氨酯弹性体树脂、SBS树脂、丙烯-丁烯共聚物、硬质橡胶或硅橡胶中的一种。

本发明进一步改进在于，步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。

一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：

1)以形状记忆合金作为可变形材料单元，以金属材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型，血管支架初始构型的基体材料单元为网状结构，其网格内填充有可变形材料单元，其中，基体材料单元与可变形材料单元的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)选择激光选区熔化成型或微喷熔滴电磁约束成型中的一种，作为形状记忆合金打印成型方式制造血管支架，其中，成型过程中粉末颗粒直径为20～45μm，熔滴直径为50～200μm，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内，并对成形状态进行实时监控；

3)对步骤2)得到的血管支架进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架。

本发明进一步改进在于，其特征在于，还包括以下步骤：

4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

本发明进一步改进在于，基体材料单元的网格选用菱形、三角形、矩形或正弦与余弦相结合结构中的一种。

本发明进一步改进在于，形状记忆合金选用Ni-Mn-Ga、Co-Ni-Al或Co-Ni-Ga合金中的一种；金属材料选用316L不锈钢、钛镍合金、钴基合金、钽金属或镁合金中的一种。

本发明进一步改进在于，步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、利用形状记忆材料作为可变形驱动材料，考虑成型构件的结构变形特征、设计参数、成型工艺、激励特性和最终结构目标等信息，设计初始构型，实现人工血管支架的快速制造，简化了成型制造装备，简化了产品设计、制造和装配工艺。

2、以形状记忆材料作为驱动执行单元，通过与医生充分交流，设计具有不同结构形式的适合个性需求的血管支架创新结构，成型过程不受结构复杂性的限制。

3、利用4D打印成型方法，成型后血管支架在外场激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，使其在植入人体时无需球囊扩张或在较小扩张力作用下即可通过自我变形实现支架与血管内壁的紧密稳定贴合，降低球囊扩张过程对血管壁的强烈冲击、降低血管壁撕裂风险。

4、克服血管支架传统激光加工装备复杂、工艺复杂、成型后需剔除毛刺和成型微血管支架困难等问题，铺展打印成型，三维变形成型，获得较高的加工精度。

【附图说明】

图1为螺旋环形结构血管支架成型原理图，其中，图1(a)为螺旋环形结构的血管支架初始构型结构示意图，图1(b)为对图1(a)成型后的血管支架结构示意图；

图2为网栅管状结构血管支架网格样式图，其中，图2(a)为菱形结构的血管支架初始构型结构示意图，图2(b)为三角形结构的血管支架初始构型结构示意图，图2(c)为正弦或余弦结构的血管支架初始构型结构示意图，图2(d)为矩形结构的血管支架初始构型结构示意图；

图3为网栅管状结构血管支架成型原理图，其中，图3(a)为菱形结构的血管支架初始构型结构示意图，图3(b)为对图3(a)成型后的血管支架结构示意图。

图中：1为基体材料单元，2为可变形材料单元，3为血管支架初始构型，4为血管支架。

【具体实施方式】

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

参见图1，本发明一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：

1)以形状记忆聚合物作为可变形材料单元2，以聚合物材料作为基体材料单元1，设计血管支架初始构型3，血管支架初始构型3选用螺旋环形结构，其中，基体材料单元1与可变形材料单元2间隔设置，且血管支架初始构型3的两端均为基体材料单元1，基体材料单元1与可变形材料单元2的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型3的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)采用熔融直接成型方法间隔打印基体材料单元1和可变形材料单元2，打印成所需要的血管支架初始构型3，其中，喷嘴直径0.08mm～0.4mm，扫描速度20～80mm/s，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内；

3)对步骤2)得到的血管支架初始构型3进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架4；

4)对成型后的血管支架4进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架4满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

上述步骤1)中，形状记忆聚合物选用聚氨酯、交联聚乙烯、聚降冰片烯、反式聚异戊二烯或苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种；聚合物材料选用聚氨酯弹性体树脂、SBS树脂、丙烯-丁烯共聚物、硬质橡胶或硅橡胶中的一种。

上述步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。

参见图2和图3，本发明一种4D打印成型人工血管支架的方法，包括以下步骤：

1)以形状记忆合金作为可变形材料单元2，以金属材料作为基体材料单元1，设计血管支架初始构型，血管支架初始构型的基体材料单元1为网状结构，其网格内填充有可变形材料单元2，基体材料单元1的网格选用菱形、三角形、矩形或正弦与余弦相结合结构中的一种，其中，基体材料单元1与可变形材料单元2的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)选择激光选区熔化成型或微喷熔滴电磁约束成型中的一种，作为形状记忆合金打印成型方式制造血管支架，其中，成型过程中粉末颗粒直径为20～45μm，熔滴直径为50～200μm，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内，并对成形状态进行实时监控；

3)对步骤2)得到的血管支架进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架4；

4)对成型后的血管支架4进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

上述步骤1)中，形状记忆合金选用Ni-Mn-Ga、Co-Ni-Al或Co-Ni-Ga合金中的一种；金属材料选用316L不锈钢、钛镍合金、钴基合金、钽金属或镁合金中的一种。

上述步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。

为了对本发明进一步了解，现对其做进一步说明。

本发明涉及到的人工血管支架，是以基体材料单元为基础，以可变形材料单元作为驱动执行单元，设计人工血管初始构型，初始构型设计包含4D打印设计、制造、装配的一体化信息。利用可变形材料单元的可变形特性，考虑其物性参数、铺放位置、空间取向、结构特征和搭接方式等构型参数，以及成型方法、工艺参数、成型控制等参数，以及激励响应特性和驱动变形行为等自变形参数，将设计、成型、组装和最终结构目标等信息设计到初始构型中。同时初始构型设计需要考虑变形材料在外场激励下通过弯曲、扭曲、膨胀的时序逻辑关系。综合考虑人工血管支架的结构、变形特征与成型工艺特点，选择适当的成型制造方式，成型方式的选择需要考虑可变形材料特性、供给方式、能量输入、工艺参数、环境特性以及成型温度等工艺参数对成型效率、成型精度和成型件力学性能的影响。利用3D工艺采用4D打印技术原理实现人工血管支架的2D降维制造，初始构型特征与成型后三维空间结构特征通过可变形材料建立逻辑关系，三维空间构型的获得是通过初始构型在外场激励下照程序预设模型参数进行弯曲、扭曲、膨胀等宏观变形获得，最终完成三维实体模型的自我组装成型。遵循能量最低原理的法则，结合可变形材料单元的变形特性，从理论上分析初始构型在外场驱动作用下的弯曲、扭曲、膨胀等变形行为，预测变形特征是发生面内微屈曲还是面外微屈曲的变形模式，分析可变形材料单元破坏时的临界弯曲曲率，确保可变形材料在外场激励作用下发生变形是在有限范围内进行。利用材料变形模拟软件，模拟初始构型的驱动变形过程，为其设计优化提供可视化的动态仿真过程，从而实现人工血管支架的设计、制造和装配为一体4D增材成型方法。

人工血管支架的成型方式选自熔融层积成型(FDM)、选区激光烧结(SLS)、紫外线成型(UV)、选激光成型(DLP)和微喷熔滴电磁约束成型，形状记忆高分子聚合物的成型方式优选熔融层积成型(FDM)和选区激光烧结(SLS)，形状记忆合金的成型方式优选激光成型(DLP)和微喷熔滴电磁约束成型。熔融层积成型(FDM)是将丝状的形状记忆聚合物材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，逐层成型血管支架实体造型。选区激光烧结(SLS)是通过预先在工作台上铺设形状记忆聚合物粉末，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，逐层堆积成型血管支架实体造型。激光成型(DLP)是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，逐层堆积成型血管支架实体造型。微喷熔滴电磁约束成型是在脉冲电磁场的约束下，通过脉冲挤压喷射微小金属熔滴在基板上逐层成型血管支架实体造型

外场激励驱动方式优选热激励驱动、电激励驱动、磁激励驱动、光激励驱动和溶液激励驱动。

本发明采用4D打印成型原理，血管支架的初始构型不受制造工艺的限制，按照病理需求，通过与医生充分交流，设计具有不同结构形式的适合个性需求的血管支架创新结构，优选的人工血管支架为螺旋环形结构和网栅管状结构。如图1所示，螺旋环形结构的血管支架初始构型3为一条直线，成型后在外场激励下螺旋变形成为类弹簧结构的血管支架4，该结构由多个螺旋环绕组成，具有较好的柔性，植入过程径向扩张力小，易于植入。如图2和图3所示，网栅管状结构的网格形式优选菱形、三角形、正(余)弦和矩形结构，血管支架初始构型3为平面栅格形状，成型后在外界激励下卷曲变形圆筒状的血管支架4，该结构具有径向支撑刚性好和金属覆盖率适中的优点，特别适合用于弹性张力要求高的病变区植入。

Claims (10)

1.一种4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以形状记忆聚合物作为可变形材料单元，以聚合物材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型，血管支架初始构型选用螺旋环形结构，其中，基体材料单元与可变形材料单元间隔设置，且血管支架初始构型的两端均为基体材料单元，基体材料单元与可变形材料单元的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)采用熔融直接成型方法间隔打印基体材料单元和可变形材料单元，打印成所需要的血管支架初始构型，其中，喷嘴直径0.08mm～0.4mm，扫描速度20～80mm/s，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内；

3)对步骤2)得到的血管支架初始构型进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架。

2.根据权利要求1所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

3.根据权利要求1所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，形状记忆聚合物选用聚氨酯、交联聚乙烯、聚降冰片烯、反式聚异戊二烯或苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种。

4.根据权利要求1所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，聚合物材料选用聚氨酯弹性体树脂、SBS树脂、丙烯-丁烯共聚物、硬质橡胶或硅橡胶中的一种。

5.根据权利要求1所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。

6.一种4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以形状记忆合金作为可变形材料单元，以金属材料作为基体材料单元，设计血管支架初始构型，血管支架初始构型的基体材料单元为网状结构，其网格内填充有可变形材料单元，其中，基体材料单元与可变形材料单元的体积为1:(3～5)，设计的血管支架初始构型的直径为2mm～6mm，壁厚为0.09mm～0.4mm；

2)选择激光选区熔化成型或微喷熔滴电磁约束成型中的一种，作为形状记忆合金打印成型方式制造血管支架，其中，成型过程中粉末颗粒直径为20～45μm，熔滴直径为50～200μm，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内，并对成形状态进行实时监控；

3)对步骤2)得到的血管支架进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～250℃，达到室温后通过外场刺激进行形状记忆功能训练，得到成型后的血管支架。

7.根据权利要求6所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

4)对成型后的血管支架进行性能测试，包括力学性能测试、激励变形测试、医学性能测试，使血管支架满足使用要求，至此，完成人工血管支架的4D打印成型。

8.根据权利要求6所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，基体材料单元的网格选用菱形、三角形、矩形或正弦与余弦相结合结构中的一种。

9.根据权利要求6所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，形状记忆合金选用Ni-Mn-Ga、Co-Ni-Al或Co-Ni-Ga合金中的一种；金属材料选用316L不锈钢、钛镍合金、钴基合金、钽金属或镁合金中的一种。

10.根据权利要求6所述的4D打印成型人工血管支架的方法，其特征在于，步骤3)中，外场刺激采用热激励、电激励、磁激励、光激励或溶液激励中的一种。