一种复合生物材料3D打印系统的制作方法

本实用新型涉及生物组织工程技术领域，更具体地，涉及一种复合生物材料3D打印系统。

背景技术：

组织工程是融合工程学、生命科学和材料科学等学科，通过模仿人体组织器官形成的过程在体外构建和培养具有生物活性的结构体。这其中，3D打印技术因为其可使用多种材料成型任何复杂的三维结构，成为组织工程领域最有力的研究手段。3D打印技术的原理就是分层制造，层层累积。传统的细胞打印喷头就是将细胞与生物材料混合后并挤出形成一条丝线状，在多次往复形成面，面的堆积继而形成相应的三维结构。这其中典型的喷头就是电机助推式喷头。

图1是传统的电机助推式喷头三维结构剖分示意图，直线步进电机固定在运动装置支架上，螺杆在直线步进电机的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴挤出，加热棒和隔热外套安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。

此种设计虽然简单可靠，但是也有以下不足之处：1)打印结构体的力学性能不佳，与细胞混合的一般是具有良好生物相容性的生物天然高分子材料，比如明胶、胶原和纤维蛋白原等，其力学性能较弱，在打印出来后在培养液中经过长时间的浸泡甚至不能拿出来检测；2)细胞活性不高，传统的打印喷头通过电机助推挤出，这种体积式的控制方法对细胞通过狭小喷嘴时产生极大的剪切力，造成细胞膜的破裂与死亡；3)为了使相关材料具有一定的成型性能，明胶等混合细胞的生物材料使用的浓度较高，在这种情况下，细胞在其中的迁徙和增殖造成困难。

技术实现要素：

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种复合生物材料3D打印系统，所述3D打印系统的结构简单，使用方便，可以实现多种材料和细胞的准确成型。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种复合生物材料3D打印系统，其中，包括第一料筒和第二料筒，所述第一料筒下方设有用于产生连续状态的增强纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置包括设在第一料筒底部的高电压喷嘴以及设在高电压喷嘴下方的接地环，这样高电压喷嘴和接地环之间就会形成电场，所述接地环下方设有混合喷嘴，所述第二料筒与所述混合喷嘴之间设有转接管，所述转接管一端连接所述第二料筒的底部，另一端连接所述混合喷嘴的上端，所述第一料筒中盛装用于生成连续状态静电纺丝纤维的生物合成高分子材料溶液，由于高电压喷嘴和接地环之间形成有电场，基于静电纺丝原理，生物合成高分子材料溶液通过高电压喷嘴形成微米级的射流，也就是最终的连续状态的静电纺丝纤维，然后经接地环进入混合喷嘴，生物合成高分子材料具有良好的力学性能，其生成的连续状态静电纺丝纤维在复合生物材料中起到骨架支撑作用；所述第二料筒中盛装用于生成生物活性材料的细胞和生物天然高分子材料混合液，包括细胞的生物天然高分子材料具有良好的生物相容性，能为细胞提供合适的生存微环境，该混合液经转接管进入混合喷嘴，包裹在从第一料筒中出来的静电纺丝纤维外围，最后两者一起从混合喷嘴中喷出。

进一步的，所述第一料筒和第二料筒外围分别设有第一温控装置和第二温控装置，第一温控装置和第二温控装置能够分别为第一料筒和第二料筒内部提供最合适的温度环境，以保证第一料筒和第二料筒中盛装的材料及细胞的最佳活性。

进一步的，所述第一温控装置包括设在所述第一料筒外壁上的第一加热环和包覆在所述第一加热环、第一料筒以及混合喷嘴外围的第一保温层。所述第二温控装置包括设在所述第二料筒外壁上的第二加热环和包覆在所述第二加热环以及第二料筒外围的第二保温层。这样，第一料筒和第二料筒均设有独立的加热环和保温层，因此，第一料筒和第二料筒内部的温度是独立控制的，也就是说，所述第一温控装置和第二温控装置是相互独立控制的。

进一步的，所述高电压喷嘴与所述接地环之间的距离为3-30mm。

进一步的，所述第一料筒和第二料筒中盛装的料液的推动方式为高压气体推动。

本实用新型还提供上述的复合生物材料3D打印系统的打印方法，其中，包括以下步骤：

S1. 选择合适的生物合成高分子材料制成溶液，装入第一料筒中备用，选择合适的细胞和生物天然高分子材料，按照合适的比例配比，制成细胞混合液，装入第二料筒中备用；

S2. 开启第一温控装置和第二温控装置，分别将第一料筒和第二料筒的温度设置在合适的档位；

S3. 启动控制程序，使3D打印系统开始工作，基于静电纺丝原理，第一料筒中的生物合成高分子材料溶液通过高电压喷嘴形成微米级的射流，然后经接地环进入混合喷嘴，同时，第二料筒中的细胞混合液经由转接管进入到混合喷嘴中，并包围在生物合成高分子材料溶液形成的微米级射流周围；

S4. 生物合成高分子材料溶液和细胞混合液经由混合喷嘴喷出，形成含静电纺丝纤维的生物复合材料。

进一步的，步骤S1中，所述生物合成高分子材料为聚氨酯、聚乳酸、聚乙醇酯和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等中的任意一种或两种以上。所述细胞为脂肪干细胞、骨髓充间质干细胞、心肌细胞、雪旺细胞、肝细胞和癌细胞等中的任意一种；所述生物天然高分子材料为纤维蛋白原、胶原、明胶、丝素、藻酸盐、透明质酸和壳聚糖等中的任意一种或两种以上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的3D打印系统设置了第一料筒和第二料筒，并在第一料筒底部设置了高电压喷嘴和接地环，第一料筒中具有良好力学性能的生物合成高分子材料溶液，第二料筒中盛装细胞和生物天然高分子材料的混合液，基于静电纺丝技术和高压气动技术的结合，可实现多种材料和细胞的准确成形，进一步提高成型结构的力学性能，使得生物合成高分子材料良好的力学性能与生物天然高分子材料良好的生物相容性得到结合，提高打印结构体的力学性能和细胞活性，并且可有力促进细胞的附着、迁徙和增殖。

本实用新型的3D打印系统使用高压气体推动细胞混合液挤出，是压力式控制，能将影响细胞活性的剪切力减弱至最小，大大提高细胞的成型后的活性，并且气动喷涂的精度高和响应速度快。

附图说明

图1是传统电机助推式喷头三维结构剖分示意图。

图2是本实用新型含静电纺丝纤维的生物复合材料的效果图。

图3是本实用新型含静电纺丝纤维的生物复合材料的横截面示意图。

图4是本实用新型3D打印喷头的整体结构示意图。

图中：201—螺杆；202—直线步进电机；203—加热棒；204—隔热外套；205—喷嘴；601—生物天然高分子材料；602—细胞；603—生物合成高分子材料；1—第一料筒；2—第二料筒；3—高电压喷嘴；4—接地环；5—混合喷嘴；6—转接管；7—第一加热环；8—第一保温层；9—第二加热环；10—第二保温层。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图4所示，一种复合生物材料3D打印系统，其中，包括第一料筒1和第二料筒2，所述第一料筒1下方设有用于产生连续状态的增强纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置包括设在第一料筒1底部的高电压喷嘴3以及设在高电压喷嘴3下方的接地环4，这样高电压喷嘴3和接地环4之间会形成电场，所述接地环4下方设有混合喷嘴5，所述第二料筒2与所述混合喷嘴5之间设有转接管6，所述转接管6一端连接所述第二料筒2的底部，另一端连接所述混合喷嘴5的上端，所述第一料筒1中盛装用于生成连续状态静电纺丝纤维的生物合成高分子材料603溶液，由于高电压喷嘴3和接地环4之间形成有电场，基于静电纺丝原理，生物合成高分子材料603溶液通过高电压喷嘴3形成微米级的射流，也就是最终的连续状态的静电纺丝纤维，然后经接地环4进入混合喷嘴5，生物合成高分子材料603具有良好的力学性能，其生成的连续状态静电纺丝纤维在复合生物材料中起到骨架支撑作用；所述第二料筒2中盛装用于生成生物活性材料的细胞602和生物天然高分子材料601混合液，包括细胞602的生物天然高分子材料601具有良好的生物相容性，能为细胞602提供合适的生存微环境，该混合液经转接管6进入混合喷嘴5，包裹在从第一料筒1中出来的静电纺丝纤维外围，最后两者一起从混合喷嘴5中喷出。

如图4所示，所述第一料筒1和第二料筒2外围分别设有第一温控装置和第二温控装置，第一温控装置和第二温控装置能够分别为第一料筒1和第二料筒2内部提供最合适的温度环境，以保证第一料筒1和第二料筒2中盛装的材料及细胞的最佳活性。

如图4所示，所述第一温控装置包括设在所述第一料筒1外壁上的第一加热环7和包覆在所述第一加热环7、第一料筒1以及混合喷嘴5外围的第一保温层8。所述第二温控装置包括设在所述第二料筒2外壁上的第二加热环9和包覆在所述第二加热环9以及第二料筒2外围的第二保温层10。这样，第一料筒1和第二料筒2均设有独立的加热环和保温层，因此，第一料筒1和第二料筒2内部的温度是独立控制的，也就是说，所述第一温控装置和第二温控装置是相互独立控制的。

本实施中，所述高电压喷嘴3与所述接地环4之间的距离为3-30mm。

本实施中，所述第一料筒1和第二料筒2中盛装的料液的推动方式为高压气体推动。

实施例2

一种复合生物材料的3D打印方法，其中，包括以下步骤：

S1. 选择聚氨酯作为生物合成高分子材料603，将聚氨酯溶于四乙二醇制成浓度为5%（w/v) 的溶液，装入第一料筒1中备用，选择脂肪干细胞作为细胞602，选择纤维蛋白原作为生物天然高分子材料601，其中纤维蛋白原溶液是将纤维蛋白原粉末溶于DMEM溶液中，质量浓度为0.1%（w/v），将脂肪干细胞混合到纤维蛋白原溶液中，密度为1×10⁶个/mL，其中加入内皮细胞生长因子（50ng/mL），制成细胞混合液，装入第二料筒2中备用；

S2. 开启第一温控装置和第二温控装置，分别将第一料筒1和第二料筒2的温度设置在合适的档位；

S3. 启动控制程序，使3D打印系统开始工作，基于静电纺丝原理，第一料筒（1）中的生物合成高分子材料603溶液通过高电压喷嘴3形成微米级的射流，然后经接地环4进入混合喷嘴5，同时，第二料筒2中的细胞混合液经由转接管6进入到混合喷嘴5中，并包围在生物合成高分子材料603溶液形成的微米级射流周围；

S4. 生物合成高分子材料603溶液和细胞混合液经由混合喷嘴5喷出，形成如图2和图3所示的含静电纺丝纤维的复合生物材料。

本实施例中，所述生物合成高分子材料603可以是聚氨酯、聚乳酸、聚乙醇酯和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等中的任意一种或两种以上。所述细胞602可以是脂肪干细胞、骨髓充间质干细胞、心肌细胞、雪旺细胞、肝细胞和癌细胞等中的任意一种；所述生物天然高分子材料601可以是纤维蛋白原、胶原、明胶、丝素、藻酸盐、透明质酸和壳聚糖等中的任意一种或两种以上。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。