面向聚合物血管支架制造的四轴联动3D打印技术研究

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生物可降解聚合物血管支架作为新一代冠状动脉血管支架,具有良好的生物相容性和适宜的降解速率,能有效解决现有血管支架植入病变血管后期安全性问题,是介入医疗器械领域研究的国际前沿。但现有的聚合物血管支架制造技术存在破坏材料生物活性、表面质量差、尺寸单一化或成本高等问题。近年来,3D打印技术凭借其“增材制造”的独特优势,在生物医疗器械个性化制造方面展示出巨大发展潜力。血管支架的结构设计和成型制造都直接决定了支架最后的使用性能。因此,本文以聚合物血管支架为研究对象,设计了新的支架结构并对其扩张性能进行了模拟分析,在此基础上研发了新型四轴联动3D打印技术,并研究了支架打印实验工艺,主要研究内容和结果如下:首先,设计了一种新型聚合物血管支架结构,其支撑单元部分由两条矩形截面正弦形筋顶点接触封闭组成,相邻支撑单元轴向错位分布,以保证在支架筋厚尺寸较小的情况下具有良好的径向支撑能力,Z型连接单元设计可有效提高支架的柔顺性。通过有限元方法,模拟球囊-支架膨胀扩张过程,探究了支架的支撑单元长度变化对其扩张性能的影响。结果表明:该支架结构具有良好的扩张性能,随着支撑单元宽度的增大,支架的径向弹性回缩率逐渐减小,但轴向缩短率逐渐增大,等效应力呈现一定程度的减小。其次,针对血管支架这类复杂网状薄壁管结构,基于熔融沉积成型原理提出了一种面向聚合物血管支架的新型四轴联动3D打印制造技术。阐述了四轴联动3D打印成型的基本原理,提出了四轴联动3D打印机装置的设计方案,即在笛卡尔型打印机主体上集成了一个具有温控功能的旋转方向可控的旋转轴装置,后分别对其机械结构、控制系统硬件和软件设计进行了详细阐述,并制造出打印机装置。再次,针对四轴联动3D打印技术的成型特点,对影响其制造精度的原理性误差因素和工艺性误差因素进行了系统分析。阐明了误差形成机理,并给出了提高打印机部件的制造和装配精度、减小模型格式转换的弦高值、合理选取打印工艺参数值等降低或消除误差的有效措施,为后续的打印工艺实验研究提供了理论依据。最后,开展了聚合物支架四轴联动3D打印实验,制品具有良好的成型质量,验证了四轴联动3D打印技术在聚合物血管支架制造方面的可行性。以血管支架试件的尺寸精度和径向支撑性能为目标,进一步选取了分层厚度、打印速度和打印温度三个工艺参数进行探讨。结果表明上述工艺参数对支架的周向尺寸和径向支撑性能有重要影响。
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