神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化膳食營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑膠囊支架3D打印工藝

陳虹竹，張 良，姚 佳，胡小佳，劉倩楠，劉 偉，孫欽秀，胡宏海，劉書成※

（1. 廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省海洋生物制品工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省海洋食品工程技術(shù)研究中心，水產(chǎn)品深加工廣東普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湛江 524088；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3. 北京城市學(xué)院生物醫(yī)藥學(xué)部，北京 100083）

0 引 言1

食品精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)與個(gè)性化制造是中國(guó)食品科技發(fā)展的戰(zhàn)略方向，通過(guò)新技術(shù)開發(fā)個(gè)性化食品是未來(lái)食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。3D食物打印技術(shù)是適合柔性制造的食品加工技術(shù)，它可以采用多種營(yíng)養(yǎng)素混合復(fù)配，使微量元素、維生素或其他功能因子按照需求比例，采用分層制造、逐層疊加的增材原理，將固體、粉末或流體等原料打印成為特定形狀的新型食品，實(shí)現(xiàn)對(duì)人群或特殊人群個(gè)性化膳食補(bǔ)充需求，是推動(dòng)食品科技變革的顛覆性技術(shù)[2-6]。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）3D打印是最為常見的增材制造技術(shù)之一[7-9]。在醫(yī)藥領(lǐng)域，F(xiàn)DM通常與熱熔擠出（Hot-Melt Extrusion，HME）相結(jié)合，利用無(wú)毒且可生物降解的熱塑性聚合物與藥物活性成分混合擠出載藥線材。通過(guò)FDM打印具有各種特殊形狀，內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)的藥片或膠囊，還可以打印具有特定釋放曲線的劑型，即可以根據(jù)患者需求，聚焦個(gè)體差異（年齡、疾病情況、代謝等），實(shí)現(xiàn)藥物的個(gè)性化定制，在藥物遞送系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力[10-15]。Goyanes等[11]研究了不同形狀的3D藥物在胃腸道釋放的效果，立方體、金字塔、圓柱、球形和圓環(huán)形的藥物呈現(xiàn)不同的釋放曲線。藥物釋放效果不僅受藥物形狀影響，內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)藥物釋放效果的影響更大，如打印雙室嵌套膠囊，并向兩個(gè)小室中添加不同劑量的藥物，得到不同的釋放曲線[12]，還可以選擇不同的聚合物打印，添加不同的藥物，得到不同藥物成分在同一藥片中差異化釋放[13]。在食品領(lǐng)域，3D打印技術(shù)通常以巧克力粉、面粉、果蔬粉、凝膠等食物為原料打印各種形狀的產(chǎn)品，研究打印參數(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，以及發(fā)展具有可打印性的原料[16-20]，而在個(gè)性化膳食補(bǔ)充方面研究較少。

借鑒個(gè)性化醫(yī)藥的思路，3D打印技術(shù)在個(gè)性化膳食營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑或保健食品領(lǐng)域同樣具有潛在應(yīng)用價(jià)值。目前中國(guó)的膳食營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑或保健食品主要有硬膠囊、軟膠囊、口服液、粉劑、片劑（口服片、含片、咀嚼片等）和丸劑等[21]。針對(duì)不同人群，如老年人和兒童對(duì)微量元素的每日攝入量差異巨大，傳統(tǒng)的制劑技術(shù)（如壓片等）很難實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，會(huì)導(dǎo)致攝入量不足或過(guò)量的問(wèn)題[5-6]。同時(shí)，現(xiàn)有的制劑技術(shù)也很難實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)因子的控制釋放。因此，利用3D打印技術(shù)制備膠囊載體既可以實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)因子的個(gè)性化定制，又具備遞送控釋能力。目前，PLA（Polylactic Acid，聚乳酸）在口服藥物研究中應(yīng)用廣泛，是理想的3D打印膠囊材料之一[22-23]，它是由天然玉米淀粉或其他淀粉直接發(fā)酵成乳酸后催化聚合而成，無(wú)毒，具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性[24-25]。同樣，這種食源性淀粉降解產(chǎn)物也可作為食物3D打印膠囊的材料，通過(guò)設(shè)計(jì)膠囊精細(xì)的空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微量元素、維生素或功能因子含量定制和控制釋放[26-27]。從上述分析可以看出，膠囊的精細(xì)空間結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)因子個(gè)性化定制和控制釋放的關(guān)鍵。

響應(yīng)面（Response Surface Methodology，RSM）分析法中的Box-Behnken（BBD）設(shè)計(jì)可用于開發(fā)、改進(jìn)和優(yōu)化復(fù)雜過(guò)程，可以減少試驗(yàn)運(yùn)行次數(shù)，提供統(tǒng)計(jì)學(xué)上可接受的結(jié)果[28]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）是一種出色的建模工具，具有確定建模系統(tǒng)輸入和輸出之間復(fù)雜的非線性關(guān)系的潛力，以及強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)觀察結(jié)果使用復(fù)雜非線性方法進(jìn)行合理化預(yù)測(cè)建模得出結(jié)論[29]。因此，將BBD與ANN結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)在盡可能少量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜影響因素的體系做出合理的預(yù)測(cè)。本研究設(shè)計(jì)9通道PLA膠囊支架結(jié)構(gòu)，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，以支架通道面積均方誤差（Mean-Square Error，MSE）作為響應(yīng)指標(biāo)，研究打印溫度、打印頭孔徑、打印速度對(duì)MSE的影響。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行模擬訓(xùn)練，優(yōu)化3D打印參數(shù)，獲得9通道PLA膠囊支架結(jié)構(gòu)，為膳食營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑或保健食品個(gè)性化制造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

聚乳酸線材（型號(hào)：6955530948411）購(gòu)于珠海天威飛馬打印耗材有限公司，醫(yī)藥級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

DC-013D打印機(jī)，湖北地創(chuàng)三維公司；尼康相機(jī)，G級(jí)鏡頭AF-P NIKKOR，鏡頭焦距18～55 mm，光圈范圍1：3.5～5.6；BGZ-240鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；S-507型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 膠囊支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用solidworks 2016軟件設(shè)計(jì)膠囊支架結(jié)構(gòu)（圖1）。膠囊尺寸為16.6 mm×6.61 mm×6.61 mm[30]，9個(gè)通道表面均是邊長(zhǎng)為1 mm的正方形，膠囊邊緣切割成圓弧。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合大量研究人員的結(jié)論與本研究所使用的打印機(jī)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，在能順利擠出PLA并打印膠囊支架結(jié)構(gòu)的情況下，決定優(yōu)化打印參數(shù)包括打印溫度（170～190 ℃）、打印頭孔徑（0.2～0.4 mm）和打印速度（20～40 mm/s）。采用BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化輸入的訓(xùn)練集及驗(yàn)證集數(shù)據(jù)，因素水平編碼表見表1。除3個(gè)主要打印參數(shù)外，其他參數(shù)均保持不變，如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of experiment

表2 打印過(guò)程中的固定參數(shù)Table 2 Fixed parameters during printing

MSE（見公式（1））是反映理論值與實(shí)際值之間差異程度的一種度量，能反映實(shí)際打印效果與理論效果之間的差異，故本研究中PLA膠囊支架打印效果以支架通道面積MSE作為優(yōu)化響應(yīng)指標(biāo)。

式中yi為通道真實(shí)面積（測(cè)量值），m2；i為通道預(yù)測(cè)面積（理論值），mm2；m為樣本總數(shù)。i取1 mm2，MSE以百分比結(jié)果表示。

1.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

對(duì)PLA膠囊支架通道表面進(jìn)行拍照，采用ImageJ軟件對(duì)照片進(jìn)行分析，首先將照片轉(zhuǎn)為8-bit格式，再調(diào)整閾值，覆蓋所有需要計(jì)算的區(qū)域，對(duì)每個(gè)膠囊的9個(gè)通道分別進(jìn)行面積計(jì)算，得到膠囊支架中每個(gè)通道的面積[31-32]，每組打印條件共統(tǒng)計(jì)27個(gè)通道面積，按照公式（1）統(tǒng)計(jì)每個(gè)膠囊支架的MSE值。

1.3.4 膠囊支架微觀結(jié)構(gòu)觀察

對(duì)打印好的膠囊支架干燥（40 ℃下干燥24 h[33]）、切片，離子濺射噴金儀噴涂處理后利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）進(jìn)行觀察，加速電壓5 kV，放大50倍后拍照。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)平行測(cè)定3次，得到的結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用JMP14.0（SAS）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

采用Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3所示。

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其作為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，運(yùn)用JMP14.0（SAS）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，選擇“K折疊”交叉驗(yàn)證的方法擬合響應(yīng)目標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[34]。“K折疊”交叉驗(yàn)證法的優(yōu)點(diǎn)在于，將樣本隨機(jī)不重復(fù)抽樣分為K份（K折），1份用于驗(yàn)證，（K-1）份用于訓(xùn)練，每個(gè)樣本都被用作訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Experimental design results

在經(jīng)過(guò)多次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練之后，確定采用3×4×1結(jié)構(gòu)的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即3個(gè)輸入神經(jīng)元，分別代表打印溫度（X1）、打印頭孔徑（X2）、打印速度（X3）；4個(gè)隱藏層神經(jīng)元；1個(gè)輸出神經(jīng)元，代表網(wǎng)格面積均方誤差（MSE）。設(shè)置各參數(shù)值，隱藏節(jié)點(diǎn)數(shù)4，驗(yàn)證方法為“K折疊”交叉驗(yàn)證，折數(shù)5，再現(xiàn)性隨機(jī)種子10；激活函數(shù)選擇S形TanH函數(shù)，提升學(xué)習(xí)率為0.1，模型為5，擬合選項(xiàng)為變換協(xié)變量，懲罰方法為平方，歷程數(shù)5。執(zhí)行此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擬合過(guò)程，得到擬合決定系數(shù)訓(xùn)練集R2值為0.998，驗(yàn)證集R2值為0.995。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化與分析

利用JMP14.0中的曲面刻畫器做三維曲面圖，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出（圖 2a），當(dāng)打印溫度為180 ℃時(shí)，隨著打印頭孔徑的增大，MSE先減小再增大；孔徑為0.2 mm或0.4 mm時(shí)，MSE均高于10%；隨著打印速度的增大，MSE變化趨勢(shì)不明顯。從圖2b可以看出，當(dāng)打印頭孔徑為0.3 mm時(shí)，隨著打印溫度和打印速度的增大，MSE變化不大，膠囊通道面積誤差均低于10%。從圖2c可以看出，當(dāng)打印速度為30 mm/s時(shí)，隨著打印溫度的升高，MSE逐漸減小，說(shuō)明打印效果越好。從上述結(jié)果可以看出，打印頭孔徑對(duì)膠囊支架的精度影響最大，而打印溫度與打印速度對(duì)MSE的影響較小。Abeykoon等[35]認(rèn)為PLA是熱的不良導(dǎo)體，因此打印層之間的粘附性差，設(shè)置的打印溫度和打印速度應(yīng)兼容，以避免PLA熔化不穩(wěn)定性。本研究中醫(yī)藥級(jí)PLA線材推薦打印溫度在190～210 ℃之間，而Saini等[24]報(bào)道PLA的熔化溫度（Tm）一般為145～186 ℃之間，從節(jié)省能耗的角度，本研究選取170～190 ℃的打印溫度，且均能打印成型。

固定打印頭孔徑為0.3 mm時(shí)，利用JMP14.0中的預(yù)測(cè)刻畫器對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)結(jié)果見圖3所示。為了優(yōu)化較好的3D打印參數(shù)，確定MSE值低于2%時(shí)，此時(shí)膠囊支架打印精度較高。從圖3a可知，當(dāng)打印溫度為176 ℃、打印速度為25 mm/s時(shí)，MSE能達(dá)到最小值1%，即為較好打印條件。當(dāng)打印溫度為180 ℃、打印速度為30 mm/s時(shí)，以及當(dāng)打印溫度為173 ℃、打印速度為30 mm/s、打印頭孔徑為0.3 mm時(shí)，MSE均達(dá)到2%（圖 3b、圖3c），因此，在溫度較低，速度較快的情況下，均能得到較好的膠囊支架打印效果。綜上，當(dāng)打印頭孔徑為0.3 mm，打印速度為25～30 mm/s，打印溫度在173～180 ℃范圍內(nèi)時(shí)，在保證打印精度的情況下，打印速度較快，縮短了打印時(shí)間，打印的效率得到了保證，同時(shí)打印溫度較低，減少了能耗，即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果。上述結(jié)果都是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模得出，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，并從微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行佐證。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的測(cè)試

為了測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選取5組新的因素水平組合（見表4）進(jìn)行試驗(yàn)。以5組打印條件作為測(cè)試集數(shù)據(jù)輸入，利用建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以檢驗(yàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，結(jié)果見表4。從表4可知，5組打印條件相對(duì)誤差范圍為0.10%～0.91%，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差較小，說(shuō)明建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，能較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)MSE，因此該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以對(duì)膠囊支架的通道面積MSE進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

表4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的測(cè)試值與試驗(yàn)值的比較Tabel 4 Comparison of predicted values and experimental values of artificial neural network

2.4 膠囊支架微觀結(jié)構(gòu)及實(shí)際打印效果

PLA膠囊支架微觀結(jié)構(gòu)及實(shí)際打印圖見圖4、圖5所示，組1打印條件的MSE達(dá)到最小值1%，為優(yōu)化打印參數(shù)組。實(shí)際打印的膠囊支架與模型在形狀與尺寸上差異不大。從圖4中1a、2a、3a圖可以看出，組1、組3的通道均勻，組3的通道形狀更接近正方形；組1未出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象（圖5）；圖4組2打印條件下，膠囊支架內(nèi)部存在斷層、粘合不牢固的情況。從圖4中1b、2b、3b圖中可以看到，組1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，打印層之間粘合致密；組2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，打印層之間分離、粘合不牢固。這可能有兩個(gè)原因：一是打印頭孔徑較小，PLA在打印過(guò)程中冷卻收縮，打印頭孔徑直徑越小對(duì)應(yīng)的切片層數(shù)越多，冷卻和加熱循環(huán)的次數(shù)也增加，逐層累積可能會(huì)使其收縮加劇，導(dǎo)致打印層之間分離；二是打印溫度過(guò)低，無(wú)法充分融化PLA，而在較高的溫度下各擠出層之間的熔合更好，層與層之間附著力更大[36-37]。圖4中2b圖及圖5組2中還出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，可能是因?yàn)閿D出時(shí)PLA黏度過(guò)大，即打印溫度不足以充分融化PLA，使打印過(guò)程中線材回退受阻。Abeykoonde等[35]的研究結(jié)果也表明，如果設(shè)定的打印溫度在慢速打印下過(guò)高，PLA熔體的粘度就會(huì)降低，從而會(huì)影響打印產(chǎn)物的尺寸穩(wěn)定性和所需的冷卻時(shí)間；同樣，如果設(shè)定的打印溫度在高速打印下過(guò)低，PLA可能沒有足夠的時(shí)間融化（因?yàn)椴牧峡梢钥ㄔ诖蛴☆^內(nèi)），熔體將非常粘稠。當(dāng)打印溫度和打印速度兼容時(shí)可以減少打印產(chǎn)物的收縮，如果設(shè)定的溫度過(guò)高（即粘性熔體較少），PLA可能會(huì)溢出，因此也很難保持打印產(chǎn)物的尺寸穩(wěn)定性。組3（圖4、圖5）同樣出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象，可能是因?yàn)?.4 mm打印頭孔徑過(guò)大，PLA在180 ℃條件下時(shí)充分融化，流動(dòng)性增大，出現(xiàn)溢料情況，且打印過(guò)程中線材回退不及時(shí)造成。Valerga等[38]認(rèn)為較高的打印溫度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

在本研究中，180 ℃時(shí)，打印層之間完全看不到層與層之間的接觸痕跡（圖4（3b））。可能是因?yàn)樵?80 ℃打印溫度下，打印頭孔徑越大會(huì)導(dǎo)致溢料越多，在打印效果上表現(xiàn)為通道較模型1 mm的正方形偏小，反而較低的打印溫度及較低的打印速度能提高打印精度。從上述分析可知，組1條件同時(shí)具有最小精度誤差值和精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，保真度也很高。綜上所述，從微觀結(jié)構(gòu)看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最佳打印條件下打印的膠囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，拉絲現(xiàn)象少，層與層之間粘合充分，在宏觀上的表現(xiàn)為MSE值較低。

3 結(jié) 論

本研究利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立9通道PLA（Polylactic Acid，聚乳酸）膠囊支架結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，以支架通道面積MSE（Mean-Square Error，均方誤差）為響應(yīng)指標(biāo)，采用JMP14.0（SAS）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立了3×4×1結(jié)構(gòu)的3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，優(yōu)化PLA膠囊支架打印參數(shù)，預(yù)測(cè)不同打印條件下的膠囊支架MSE。

當(dāng)打印溫度較高時(shí)，打印頭孔徑越大會(huì)導(dǎo)致溢料越多，導(dǎo)致通道偏??；打印頭孔徑越小對(duì)應(yīng)的切片層數(shù)越多，逐層累積會(huì)使PLA收縮加劇，層與層之間附著力不夠，導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)松散。打印溫度過(guò)高容易出現(xiàn)拉絲或擠出溢料的情況，不高于180 ℃時(shí)既能保證打印效果，也能減少能耗；打印速度過(guò)高過(guò)低都會(huì)影響打印效果。綜合考慮打印效率、能耗以及支架通道MSE，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后打印條件為：當(dāng)打印頭孔徑為0.3 mm時(shí)，打印速度為25～30 mm/s時(shí)，打印溫度介于173～180 ℃之間，MSE為1%～2%，膠囊支架打印精度和保真度較好。