浙江大学尹俊等 | 双极温控熔融沉积（FDM）打印的数值模拟和可打印性分析

来源：生物设计与制造

本研究论文聚焦于双极温控熔融沉积打印的数值模拟和可打印性分析。理想的组织工程支架应具有相互连接的孔结构和高孔隙率以确保细胞的渗透、营养物质的充分扩散以及代谢废物的排出。支架的孔隙必须足够大以允许细胞迁移到结构中；同时，孔隙又必须足够小以获得尽可能大的比表面积，促进细胞与支架之间的粘附。因此精确调控支架孔隙率及孔隙结构对于制备理想的组织工程支架具有重要的意义。传统的FDM打印的聚己内酯（PCL）支架的丝径一般在200 μm以上，比细胞尺寸（10 μm）要大得多。因此，如何提高分辨率和形状保真度是制备组织工程支架过程中亟待解决的难题。

鉴于此，浙江大学机械工程学院尹俊研究员和美国佛罗里达大学机械与航空航天工程系Yong Huang教授提出了一种双极温控工艺，通过在料筒处施加较高的加热温度提高熔体流动性，同时在针头处施加较低的温度提高挤出材料的成形性，从而制备高精度（约50 μm）和高形状保真度的支架结构，极大地拓展了熔融沉积打印在组织工程中的应用前景。相关成果以“Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual-temperature control”为题发表于Bio-Design and Manufacturing上，浙江大学机械工程学院霍小丹博士生与张斌研究员为共同第一作者，浙江大学机械工程学院流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位。

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2023-3-27 17:07 上传

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双极温控FDM工艺
传统的单级温控FDM中只加热料筒，待熔体温度达到预设温度后再进行挤出打印。由于熔体在流动到针头处时会存在一个降温的过程，因此针头处的温度会低于预设温度。当针头处温度太低，会造成挤出不顺畅甚至喷头堵塞等问题；当针头处温度太高，会造成成形精度低等问题。为保持理想的熔体粘度，本研究提出双级温控FMD工艺。通过同时在料筒和针头加热的方式，既保证了材料的流动性也改善了纤维沉积的精度（图1）。由于PCL的粘度由打印温度以及挤出过程中的剪切速率两个变量共同决定，本研究根据Cross-WLF 模型，确立了 PCL 的本构模型，可以很好地描述熔体在打印过程中粘度的变化，从而研究单极温控和双极温控这两种温度控制方式对熔体粘度的影响。

图1 双极温控FDM工艺

可打印性评价及机理探究
本研究通过单丝打印、拐角填充测试、纤维融合和纤维坍塌等实验定量分析了双极温控和单极温控下PCL的可打印性（图2），结合数值模拟揭示了两种温控方式下不同可打印性的物理机理（图3）。研究团队提出的双级温控工艺，能获得更小的丝径；同时，在进行的各种可打印性探究实验中，双极温控FDM出口处温度、粘度、速度和剪切速率等物理量分布更均匀，形成支架形状保真度更高，表现出更好的打印性和成形性。

图2 可打印性评价。(a) 单丝打印实验，比例尺=100 μm；(b) 截面形貌，比例尺=100 μm；(c) 拐角填充实验，比例尺=200 μm；(d) 纤维融合测试，比例尺=300 μm；(e) 纤维坍塌测试，比例尺=600 μm

图3 可打印性机理。(a) 出口处物理量分布：(a1) 温度，(a2) 粘度，(a3) z方向速度，(a4) 剪切速率；(b) 拐角填充实验中速度分布：(b1) 当t = 1 s时，x方向的速度，(b2) 当t = 2.8 s时，y方向的速度；(c) 纤维融合示意图；(d) 当t =3 s和t =3.5 s时的粘度分布

双级温控FDM打印结构
本研究利用双极温控工艺成功打印了包括锯齿线、折线和方孔在内的典型的三维结构和不规则的复杂模型（图4），为FDM在组织工程中的应用提供了可靠依据。

图4 双极温控FDM打印的三维复杂结构

小结
利用热塑性材料的粘温特性，本研究提出了一种双级温控工艺，提高了FDM的分辨率和形状保真度，为精确打印三维空间排列结构提供了全新的思路和途径，极大地促进了FDM打印在组织工程中的应用。该研究得到了国家自然科学基金（Grant Nos. 52250006，52075482）和浙江大学上海高等研究院繁星科学基金（Grant No. SN-ZJU-SIAS-004）的支持。