CN112432852A

CN112432852A - 一种3d打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法

Info

Publication number: CN112432852A
Application number: CN202011300847.3A
Authority: CN
Inventors: 李学敏; 王艺蒙; 王自强; 张逸芸; 段瑞平; 杜博; 刘玲蓉
Original assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Current assignee: Institute of Biomedical Engineering of CAMS and PUMC
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: CN112432852B

Abstract

本发明涉及一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法。该测试方法是，通过3D打印技术获取耳廓软骨不同解剖分区中用于力学性能测试的样品，进一步通过应力松弛试验测定试样的力学性能。通过该方法可以使测试样品与组织工程耳廓软骨及支架的对应区域具有相同的组成、结构和打印路径，保证力学性能测试结果可更为真实的反映相应解剖区域的力学性能。该测试方法适用于通过3D打印（包括生物3D打印）构建的组织工程耳廓软骨及用于组织工程耳廓软骨构建的支架的力学性能的测试，用于其力学性能的评估，更好的满足组织工程耳廓软骨构建和应用的需求。

Description

一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法，属于组织工程人工器官的技术领域。

背景技术

由先天畸形、外伤、感染、肿瘤和手术等导致的耳廓软骨缺损是临床常见疾病，但其目前治疗手段难以获得令人满意的治疗效果。组织工程为耳廓软骨的修复和重建提供了极有前景的途径。近年来，随着3D打印（增材制造）技术的发展，组织工程与3D打印技术相结合受到了广泛的关注和研究，在组织工程人工器官的构建领域取得了极大的进步，为个性化、外观结构复杂且精细的组织工程耳廓软骨的构建与临床转化提供了新的途径。

通过3D打印技术，多种合成和天然高分子被用于耳廓软骨组织工程构建，显示了明确的应用前景。但是，一个不能忽略的问题是，组织工程耳廓软骨组织的精细结构形成和维持受到其力学性能的影响。理想的软骨支架应具有与天然耳软骨相似的力学性能，并能给予种子细胞适宜的生物力学信号，而且在组织工程耳软骨构建过程中可以有效对抗种子细胞生长、扩增产生的作用力，并能适应在体移植后周围组织的压力，维持其形状和结构的完整性。值得注意的是，由于耳软骨结构复杂、且不同区域力学性能存在差异，如Griffin等(Ann Biomed Eng. 2016, 44(12):3460-3467)将按照耳廓解剖分区测定其力学性能，结果发现存在着5个力学不同的区域，分别为耳屏、对耳屏、耳轮、对耳轮和耳甲。显然，如何测定组织工程耳廓软骨及支架的力学性能，是3D打印构建组织工程耳廓软骨亟需解决的重要问题。

力学性能的测试一直是耳廓软骨组织工程构建中备受关注的问题，然而已有的研究中，组织工程耳廓软骨及支架的力学性能主要以规整的结构或支架的力学性能为参照，不能准确反映结构复杂的组织工程耳廓软骨及支架的真实的力学性能，也难以确定耳廓软骨解剖结构分区相应工程化软骨及支架的力学性能。同时，3D打印组织工程耳廓软骨及支架时，由于耳廓结构的复杂性，各解剖分区会存在打印路径的差异性，此时以规整结构的力学性能为参照也明显存在问题。虽然可以参考Griffin等的方法进行试样的取材和力学性能测试，但是其过程复杂并且测试取样难以精确，并存在材料浪费等问题。3D打印技术可以精确制造复杂结构和模型，可以为3D打印构建的组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试提供新的方法。

发明内容

本发明的目的旨在建立一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法。本发明所述的力学性能的测试方法，首先是通过3D打印技术更准确、可重复获取力学性能测试需求的试样，然后进一步进行力学性能测试。该方法充分考虑了天然耳廓软骨各解剖分区力学性能的差异，以及由于3D打印路径的不同而造成的组织工程耳廓软骨及支架内各分区的力学性能的差异，极大地发挥3D打印技术的优势，可以保证试样取材的准确性和可重复性，方法简便易行，不仅可用于3D打印组织工程耳廓软骨力学性能的测试，也可以用于3D打印耳廓软骨组织工程支架的力学性能的测试，测得的力学性能数据能更精确地反映3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能，为个性化、外观结构复杂且精细的组织工程耳廓软骨的构建和临床转化提供参考。

本发明所述的3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法具体步骤如下：

1）将获取的耳廓软骨扫描图像文件转化为数字模型文件，并在XY、YZ、XZ 三个平面上旋转、调整耳廓软骨模型至其与水平面接触面积最大。根据所选择的适用于组织工程耳廓软骨及支架的材料的性能，通过通用的3D打印软件设置合适的打印参数。

2）设计形状规整的模型，如正方体、圆柱体等模型，进一步通过3D打印相关软件设置合适的打印参数，使得打印参数与上述组织工程耳廓软骨及支架模型的打印参数相同，选择适用于组织工程耳廓软骨及支架的材料，根据相应设定的打印参数打印模型结构，测量打印获得模型的三维实际尺寸数值，并根据原始模型的尺寸数据，分别计算3D打印模型在X、Y和Z三轴上的收缩率。

3）将上述步骤1）中的耳廓软骨模型按解剖形貌结构分割为耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个分区。然后以各个分区中可取到的、表面平整的圆柱形区域的最大面积为参照，设定各个分区中用于力学性能测试的样品的选定区。进一步根据步骤2）测得的3D打印时在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行缩放调整，进一步按照步骤1）中的耳廓软骨打印条件和参数设置并3D打印获得用于力学性能测试的圆柱形试样，以保证选定用于力学性能测试的样品的打印路径与全耳廓打印时相对应区域的打印路径相一致。

4）使用万能材料试验机，连接合适的力传感器，连接通用力学测试软件后标定传感器并调零，测量步骤4）中通过3D打印获得的用于力学性能测试的圆柱形试样的截面积，将其记录于测试软件中，用于测试方法设定的试样尺寸。

5）将获得的用于力学性能测试的圆柱形试样置于万能材料试验机的载物台上，选择适宜的压头及载物台，使其面积大于测试样的截面积，启动压头向下运动，当压头运动至刚接触于3D打印测试样的上表面时停止，使圆柱形试样的上、下表面与压头和载物台接触面积均达到最大且试样不发生形变，此时测量试样的高度，并记录于测试软件中用于测试方法设定的试样尺寸。

6）调整压缩载荷为0，位移为0，然后开始进行测试样的应力松弛试验，设定适宜的压头压缩速度及压缩载荷，然后设定在达到压缩载荷值时保持试样的形变不变，进一步设定试样松弛时间进行应力松弛试验或进行压缩形变测试，完成试样的力学性能的测试（例如，弹性模量等）。

本发明提供的一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法，其突出的特点在于：

1.本发明所述的力学性能测试方法，是在已有的天然耳廓软骨的力学测试方法和结果的基础上，针对3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学测定方法，其测定结果可用于与天然耳廓软骨的力学性能相对比。

2.本发明所述的力学性能测试方法，适用于通过3D打印（包括生物3D打印）构建的组织工程耳廓软骨及用于组织工程耳廓软骨构建的支架的力学性能的测试。

3.本发明力学测试方法，用于力学性能测试的样品是通过3D打印技术获得，用于力学性能测试的样品的3D打印条件及打印参数与组织工程耳廓软骨及支架的3D打印构建过程相同，保证测试样品与组织工程耳廓软骨及支架的对应区域具有相同的组成和结构，试样的结构、尺寸更准确且可重复获取。

4.本发明力学测试方法中，用于力学性能测试的样品分别对应于天然耳廓软骨对应的耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟这6个解剖分区。

5.本发明力学测试方法中，用于力学性能测试样品的打印路径与相同区域在组织工程耳廓软骨及支架整体打印时的打印路径相同，可以保证其力学性能测试结果可更为真实的反映相应解剖区域的力学性能。

6.本发明力学测试方法中，充分考虑了材料在3D打印过程中的收缩情况，据此对耳廓软骨模型数据进行调整，进而通过3D打印获得接近1：1还原的组织工程耳廓软骨、支架以及力学性能测试样品，减少打印误差，可以保证个性化组织工程耳廓软骨及支架的力学性能测试结果的准确性。

附图说明

图1为耳廓软骨模型、调整至与水平面接触面积最大时的模型姿态、打印路径及模型分区示意图。

图2为耳廓软骨数字模型按解剖结构分区中选定力学性能测试的试样位置示意图及试样打印路径图。

图3为3D打印的用于力学性能测试的组织工程耳廓软骨支架的不同解剖分区试样。试样采用CN201910139657.9中公开的可3D打印聚-L-丙交酯-己内酯（PLCL）与聚己内酯（PCL）生物可降解复合材料（PLCL-PCL）打印而成，PLCL与PCL的质量比例为80：20，试样是在调整收缩率后，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s、打印填充率为60%条件下通过熔融沉积3D打印而成。

图4为3D打印的用于力学性能测试的组织工程耳廓软骨支架的不同解剖分区试样在应力松弛试验中的弹性模量。支架试样原材料比例为80：20的PLCL-PCL复合材料，试样是在调整收缩率后，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s、打印填充率为60%条件下通过熔融沉积3D打印而成。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。在下列实施例中，主要为多个3D打印的耳廓软骨支架进行同样方法的力学测试，也参照本申请人的同日申请的描述，名称：一种3D打印的力学仿生耳廓软骨组织工程支架及其制造方法。

实施例1:

1.用123D Design 2.2.14设计出8mm×8mm×3mm的正方体模型，选择比例为:80：20的PLCL-PCL共混物为原材料，通过熔融挤出沉积（FDM）打印方式，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s、60%填充条件下打印，获得多孔无边框结构的正方体模型，测量打印获得模型的三维实际尺寸数值，并根据原始模型的尺寸数据，分别计算3D打印中在X、Y和Z三轴上的收缩率，结果分别为：长（X轴），6.75%±0.51%；宽（Y轴），10.82%±0.43%；高（Z轴），2.35%±0.73%。

2.用Materialise Magics 24.0将获取的耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件，并在XY、YZ和XZ 三个平面上旋转、调整，使模型与水平面接触面积最大。进一步对耳廓软骨模型按耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个解剖结构分区进行分割（图1）。然后各分区中均能取到的、表面平整的圆柱形区域的最大面积为参照，设定各分区中相应的用于力学性能测试的试样区域（图2）。

实施例2:

1.依据实施例1步骤2中设定的各分区中相应的用于力学性能测试的试样区域，选定耳屏分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为耳屏-试样（图2），进一步根据实施例1步骤1中PLCL-PCL复合材料在3D打印时在X、Y和Z三轴上的收缩率，对耳屏-试样数字模型进行缩放调整，输出为STL文件，按照上述过程和条件3D打印无边框、圆柱形、多孔耳屏-取样支架（图3）。

2.启动Instron 3345万能材料试验机，连接10N的传感器，连接力学测试软件后标定传感器并调零，测量实施例1步骤2中获得的耳屏-试样的横截面直径，测量得其直径为6.92mm±0.03mm，进一步记录并设定的试样尺寸。

3.将耳屏-试样的置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，启动压头向下运动，当压头运动至刚与耳屏-试样的上表面相接触时停止，使耳屏-试样的上、下表面与压头和载物台表面的接触面均达到最大、且试样未发生形变，测量试样的高度为2.37mm±0.23mm，进一步记录并设定的试样尺寸。

4.调整此时的压缩载荷为0，位移为0，然后开始进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，试样松弛15min，完成测试，测得耳屏-试样的弹性模量为0.81±0.08Mpa（图4）。

实施例3：

1.按照实施例1中步骤2的分区及试样设定过程，选定耳轮分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为耳轮-试样（图2），按实施例2步骤1调整耳轮-试样模型文件，然后在相同设置条件下打印耳轮-试样（图3）。按照实施例2的步骤，测量耳轮-试样的尺寸，结果为6.85mm±0.01mm，记录并设定的试样尺寸。

2.将耳轮-试样置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，按实施例2中步骤2的方法测量试样高度，结果为1.94mm±0.04mm，记录并设定的试样尺寸。

3.按实施例2中步骤3，调整压缩载荷、位移，然后进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，让试样松弛15min，完成测试，测得耳轮-试样的弹性模量为0.98±0.14Mpa（图4）。

实施例4：

1.按照实施例1中步骤2的分区及试样设定过程，选定对耳屏分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为对耳屏-试样（图2），按实施例2步骤1调整对耳屏-试样模型文件，然后在相同设置条件下打印对耳屏-试样（图3）。按实施例2的步骤测量对耳屏-试样的直径，其直径为6.54mm±0.05mm，记录并设定的试样尺寸。

2.将对耳屏-试样置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，按实施例2中步骤2的方法测量试样高度，结果为2.01mm±0.02mm，记录并设定的试样尺寸。

3. 按实施例2中步骤3，调整压缩载荷、位移，然后进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，让试样松弛15min，完成测试，测得对耳屏-试样的弹性模量为1.06±0.21Mpa（图4）。

实施例5：

1.按照实施例1中步骤2的分区及试样设定过程，选定对耳轮分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为对耳轮-试样（图2），按实施例2步骤1调整对耳轮-试样模型文件，然后在相同设置条件下打印对耳轮-试样（图3）。按实施例2的步骤测量对耳轮-试样的直径，其直径为6.74mm±0.04mm，记录并设定的试样尺寸。

2.将对耳轮-试样置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，按实施例2中步骤2的方法测量试样高度，结果为2.24mm±0.16mm，记录并设定试样的尺寸。

3.按实施例2中步骤3，调整压缩载荷、位移，然后进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，让试样松弛15min，完成测试，测得对耳轮-取样试样的弹性模量为0.94±0.11Mpa（图4）。

实施例6：

1.按照实施例1中步骤2的分区及试样设定过程，选定耳甲分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为耳甲-试样（图2），按实施例2步骤1调整耳甲-试样模型文件，然后在相同设置条件下打印耳甲-试样（图3）。按实施例2的步骤测量耳甲-试样的直径，其直径为7.25mm±0.03mm，记录并设定的试样尺寸。

2. 将耳甲-试样置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，按实施例2中步骤2的方法测量试样高度，结果为2.30mm±0.13mm，记录并设定试样尺寸。

3.按实施例2中步骤3，调整压缩载荷、位移，然后进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，让试样松弛15min，完成测试，测得耳甲-试样的弹性模量为0.88±0.06Mpa（图4）。

实施例7：

1.按照实施例1中步骤2的分区及试样设定过程，选定耳舟分区中的用于力学性能测试的试样区域，定义为耳舟-试样（图2），按实施例2步骤1调整耳舟-试样模型文件，然后在相同设置条件下打印耳舟-试样（图3）。按实施例2的步骤测量耳舟-试样的直径，其直径为7.04mm±0.01mm，记录并设定的试样尺寸。

2.将耳舟-试样置于Instron 3345万能材料试验机的载物台上，按实施例2中步骤2的方法测量试样高度，结果为1.56mm±0.12mm，记录并设定试样尺寸。

3. 按实施例2中步骤3，调整压缩载荷、位移，然后进行应力松弛试验，压头压缩速度为1mm/min，压缩至载荷为3N时保持试样的形变不变，让试样松弛15min，完成测试，测得耳舟-试样的弹性模量为0.52±0.03Mpa（图4）。

图3为3D打印的用于力学性能测试的组织工程耳廓软骨支架的不同解剖分区试样。试样采用CN201910139657.9中公开的可3D打印聚-L-丙交酯-己内酯（PLCL）与聚己内酯（PCL）生物可降解复合材料（PLCL-PCL）打印而成，PLCL与PCL的比例为80：20，试样是在调整收缩率后，利用桌面3D打印机在170℃、打印速度2mm/s、打印填充率为60%条件下通过熔融沉积3D打印而成。

本发明提供了一种可行的3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法，提出通过3D打印技术获取耳廓软骨不同解剖分区中用于力学性能测试的样品，使测试样品与组织工程耳廓软骨及支架的对应区域具有相同的组成、结构和打印路径，保证其力学性能测试结果可更为真实的反映相应解剖区域的力学性能。测试方法适用于通过3D打印（包括生物3D打印）构建的组织工程耳廓软骨及用于组织工程耳廓软骨构建的支架的力学性能的测试，以评估其力学性能，更好的满足组织工程耳廓软骨构建和应用的需求。

以上述本发明的实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员可在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法，其特征在于包括的步骤：

1）根据个体的耳廓软骨模型，在对耳廓软骨模型进行解剖形貌分区基础上设定力学性能测试用的试样区，并通过3D打印方式制备各分区力学性能测试用试样；

2）对耳廓软骨扫描文件转化为数字模型文件，然后调整该模型使其与水平面接触面积最大；

3）调整耳廓软骨模型使其与水平面接触面积最大后，参照天然耳廓软骨解剖形貌和力学性能对耳廓软骨模型进行了分区，具体分为：耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个分区；

4）在耳廓软骨模型进行6个分区的基础上，以各分区均可取到的、表面平整的圆柱形区域的最大面积为参照，设定各分区中相应的用于力学性能测试的圆柱形试样区域；

5）在设定耳廓软骨模型各分区中相应的用于力学性能测试的试样区域后，通过3D打印方式制备圆柱形试样，用于其力学性能测试。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于在通过3D打印方式获得力学测试用试样后，用压缩形变或应力松弛试验进行试样的力学性能测试。

3.一种3D打印组织工程耳廓软骨及支架的力学性能的测试方法，其特征在于经过以下具体步骤：

1）将获取的耳廓软骨扫描图像文件转化为数字模型文件，并在XY、YZ、XZ 三个平面上旋转、调整耳廓软骨模型至其与水平面接触面积最大；根据所选择的适用于组织工程耳廓软骨及支架的材料的性能，通过3D打印相关软件设置合适的打印参数；

2）设计形状规整的模型，如正方体、圆柱体模型，进一步通过3D打印相关软件设置合适的打印参数，使得打印参数与上述组织工程耳廓软骨及支架模型的打印参数相同，选择适用于组织工程耳廓软骨及支架的材料，根据相应设定的打印参数打印模型结构，测量打印获得模型的三维实际尺寸数值，并根据原始模型的尺寸数据，分别计算3D打印模型在X、Y和Z三轴上的收缩率；

3）将上述步骤1）中的耳廓软骨模型按解剖形貌结构分割为耳屏、耳轮、对耳屏、对耳轮、耳甲和耳舟6个分区；然后以各个分区中可取到的、表面平整的圆柱形区域的最大面积为参照，设定各个分区中用于力学性能测试的样品的选定区；进一步根据步骤2）测得的3D打印时在X、Y和Z三轴上的收缩率结果，对耳廓软骨数字模型进行缩放调整，进一步按照步骤1）中的耳廓软骨打印条件和参数设置并3D打印获得用于力学性能测试的圆柱形试样，以保证选定用于力学性能测试的样品的打印路径与全耳廓打印时相对应区域的打印路径相一致；

4）使用万能材料试验机，连接合适的力传感器，连接力学测试软件后标定传感器并调零，测量步骤4中通过3D打印获得的用于力学性能测试的圆柱形试样的截面积，将其记录于测试软件中用于测试方法设定的试样尺寸；

5）将获得的用于力学性能测试的圆柱形试样置于万能材料试验机的载物台上，选择适宜的压头及载物台，使其面积大于测试样的截面积，启动压头向下运动，当压头运动至刚接触于3D打印测试样的上表面时停止，使圆柱形试样的上、下表面与压头和载物台接触面积均达到最大且试样不发生形变，此时测量试样的高度，并记录于测试软件中用于测试方法设定的试样尺寸；

6）调整压缩载荷为0，位移为0，然后开始进行测试样的应力松弛试验，设定适宜的压头压缩速度及压缩载荷，然后设定在达到压缩载荷值时保持试样的形变不变，进一步设定试样松弛时间进行应力松弛试验或进行压缩形变测试，完成试样的力学性能的测试。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，用于力学测试的试样是在充分考虑所选材料在3D打印过程中的收缩情况下，采用了与组织工程耳廓软骨及支架相同的打印材料、打印参数进行3D打印制备而得。

5.权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于该方法适用于通过3D打印（包括生物3D打印）构建的组织工程耳廓软骨及用于组织工程耳廓软骨构建的支架的力学性能的测试。