通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法与流程

本发明涉及一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法，应用于生物制造技术领域。

背景技术：

增材制造技术是一种近年来具有巨大技术潜力的新型高技术，该技术的成型原理是利用层与层的叠加，形成具有三维空间结构的实体，该技术加工工艺十分灵活，不会受限于加工体的复杂形状，可以加工出轮廓形状复杂的结构体。由于该技术与传统的打印技术类似，在二维空间类似于传统打印技术，故增材制造技术也被称为3d打印技术。

组织工程是目前较为热门的一门交叉学科，其研究的主要内容为细胞、生物材料、生长因子以及构建组织结构的技术与方法。细胞在组织工程支架上的粘附和生长一直以来是这一领域的研究热点，实现了细胞的良性生长，组织工程结构才可能具有临床意义。近年来，生物学研究已由单细胞培养逐渐转向多细胞联合培养的研究，以模拟组织结构在人体内的多细胞环境。

生物3d打印技术随着医学对组织器官修复和功能重构的需要，与多学科交叉而发展起来专门用于医学应用的新兴技术。该技术结合了传统3d打印技术的核心特点，在制备具有三维空间结构以及载药等生物支架方面具有明显的优点，并且该技术个性化很强，可以制备所需的各种不同的生物支架。而且具有良好的可重复性。因此，该技术在组织工程，器官模型制作，手术术前指导及药物控释给药等领域得到了广泛关注。

目前，在医学上组织器官缺损修复和功能重构已经成为了现金的前沿性研究方向。而人体各个组织和器官都不是单一结构，它们的结构都比较复杂。就自体缺损组织而言组织成分、结构都有差异，现在医学上并不能给出何种材料、何种结构或者什么样的药物对缺损组织修复最有效。生物3d打印的多尺度，多材料，多梯度的支架以及载药等大都需要复合工艺去实现，在工艺上比较繁琐，耗时较长。生物3d打印制备这些支架需要采用不同的工艺方法，在打印过程中对支架进行控制，没有一个一体化的制备过程控制方法。因此，通过添加标志位来控制生物支架的多尺度，多材料，多梯度是实现生物支架一体化打印的重要环节，让使用者根据不同的应用对象有更多的自主选择性，为组织工程提供潜在的技术方案。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提出一种通过添加标志位信息来制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法。该发明所提出的方法突破了对于多材料多尺度生物支架的一体化制备过程控制方法，使不同工艺，材料，尺度的支架实现一体化打印，缩短打印过程，提高生物支架的成型效果。让使用者根据不同的应用对象有更多的自主选择性，为组织工程提供潜在的技术方案。该系统具有自动化程度高，简单可靠，工艺性好，可控性高，生产成本低等特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法，该系统包括3d打印机，挤出喷头，标志位信息添加和处理系统，运动控制卡，pc和气压控制器，其特征在于所述的挤出喷头安装在3d打印机的z轴上，随3d打印机z轴的运动上下运动，所述的标志位信息数据处理系统安装在pc上并联接运动控制卡，处理输入的标志位信息并转化为运动控制卡识别文件；运动控制卡连接启动控制器和3d打印机，气压控制器与挤出喷头相连，挤出喷头通过一组多材料喷头连接供料系统。

一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的方法，使用上述的一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统，包括以下步骤：

a.根据需要修复的生物组织，制定出所需要的生物支架；

b.利用3d打印绘制出支架的三维模型，将三维模型转换为stl模型，利用3d打印cam软件将具有特殊外观的stl模型进行分层切片处理，以得到初步的打印路径信息，将该初步打印路径信息转换为g代码文件，以便于运动控制卡的识别；

c.利用标志位信息添加模块，首先将含有初步打印路径信息的g代码文件显示为打印路径图形，该打印路径图形与初步打印路径图形区别在于去除属于所需路径的g0代码，显示出完整的生物支架打印路径信息，且该打印路径可以选择三维显示以便于观察生物支架三维外观，也可以选择单层显示以便于标志位信息添加；

d.利用标志位信息添加模块，在完整的生物支架打印路径图形上添加标志位信息，用鼠标首先选择需要添加标志位信息的层，然后在该层上某点，某段打印路径上选择添加工位信息或者材料信息；

e.利用标志位信息处理模块，将添加好特殊标志位的打印路径转换为包含特殊标志位信息的g代码，运动控制卡识别普通g代码路径信息和特殊标志位信息控制三轴平台的运动和挤出喷头的材料挤出，从而打印出所预期的特定的生物支架。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

(1)本发明提出的添加标志位制备生物支架能实现一体化打印过程控制，从而大大减少了打印时间，同时节省了打印材料，简化了后处理过程。由于打印过程中不需要人为更换材料或手动定点打印，制备的生物支架一体性更好，可控程度更高，更便于重复性实验或者修改微小结构或参数制备新的生物支架；

(2)本发明使用添加标志位制备生物支架的方法，突破了对于多材料多尺度生物支架的一体化制备过程控制方法，使不同工艺，材料，尺度的支架实现一体化打印，让使用者根据不同的应用对象有更多的自主选择性，为组织工程提供潜在的技术方案；

(3)本发明是基于现有3d打印cam软件切片生成的g代码文件逆向生成打印路径图形，在打印路径图形上添加标志位信息，再生成新的含有标志位代码的g代码文件，通识性高，可被不同的运动控制卡识别，使得该系统可以被应用于不同的3d打印机；

(4)本发明实现了控制定点载药或细胞打印以及控制空实芯纤维交替打印，对于生物支架可控性和复杂性的提高具有重大意义，为组织工程提供了潜在的技术方案。

附图说明

图1是本发明一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统的实验例结构图。

图2是标志位添加和处理系统的流程图。

图3是标志位添加示意图。

图4是结合本发明的材料梯度生物支架打印过程示意图。

图5是结合本发明的空实芯纤维交替生物支架打印过程示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

实施例一：

如图1所示，本通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法，该系统包括3d打印机(1)，挤出喷头(2)，标志位信息添加和处理系统(3)，运动控制卡(4)，pc(5)和气压控制器(6)，其特征在于所述的挤出喷头(2)安装在3d打印机(1)的z轴上，随3d打印机(1)z轴的运动上下运动，所述的标志位信息数据处理系统(3)安装在pc(5)上并联接运动控制卡(4)，处理输入的标志位信息并转化为运动控制卡(4)识别文件；运动控制卡(4)连接启动控制器(6)和3d打印机(1)，气压控制器(6)与挤出喷头相连，挤出喷头(2)通过一组多材料喷头(7)连接供料系统。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述的标志位信息添加和处理系统(3)通过识别人为添加到支架上的标志位信息控制不同工位的打印或不同喷嘴的挤出，从而在三维空间成型所需的特定的生物支架，该系统让使用者根据不同的应用对象有更多的自主选择性，为组织工程提供潜在的技术方案。

所述的标志位信息添加包括多种选择：①多尺度：宏观支架工位、电纺丝、电喷雾不同工位——不同工位标志信息的添加；②多材料：借助于多材料喷头(7)供料系统，实现多种材料在层与层之间、单层之间、单根纤维上不同材料的切换——材料标志信息的添加；③空芯、实芯纤维标志信息添加；④定点载药或细胞：在某一个定点设置载药或者在该点打印细胞。

所述的标志位信息处理为识别人为添加的标志位信息，将标志位信息转换为运动控制卡(4)可识别的代码信息，运动控制卡(4)根据不同的代码信息控制3d打印机(1)三轴平台(8)的运动或者控制气压控制器(6)而控制挤出喷头(2)的挤出，从而打印出特定的生物支架。

实施例三:

本通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法，采用上述系统操作，其操作特征在于操作步骤如下：

a.根据需要修复的生物组织，制定出所需要的生物支架；

b.利用3d打印绘制出支架的三维模型，将三维模型转换为stl模型，利用3d打印cam软件将具有特殊外观的stl模型进行分层切片处理，以得到初步的打印路径信息，将该初步打印路径信息转换为g代码文件，以便于运动控制卡的识别；

c.利用标志位信息添加模块，首先将含有初步打印路径信息的g代码文件显示为打印路径图形，该打印路径图形与初步打印路径图形区别在于去除属于所需路径的g0代码，显示出完整的生物支架打印路径信息，且该打印路径可以选择三维显示以便于观察生物支架三维外观，或者选择单层显示以便于标志位信息添加；

d.利用标志位信息添加模块，在完整的生物支架打印路径图形上添加标志位信息，用鼠标首先选择需要添加标志位信息的层，然后在该层上某点，某段打印路径上选择添加工位信息或者材料信息；

e.利用标志位信息处理模块，将添加好特殊标志位的打印路径转换为包含特殊标志位信息的g代码，运动控制卡识别普通g代码路径信息和特殊标志位信息控制三轴平台的运动和挤出喷头的材料挤出，从而打印出所预期的特定的生物支架。

实施例四：

如图1～4所示，本通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统和方法的一种含有微通道结构的骨组织支架制备方法，包括如下步骤：

a.根据骨组织修复需要用三维cad软件设计出含有微通道结构的支架模型，利用生物cam切片软件生成初步的路径信息—g代码文件；

b.将生成的g代码文件导入标志位添加和处理系统，生成出打印路径图形，根据设计的微通道结构信息，在软件中添加微通道起始点1到n和结束点1到n，起始点和结束点一一对应；

c.添加好标志位信息后，将添加好标志位信息的打印路径生成新的含有标志位信息的g代码文件，该g代码中含有的标志位信息是能被运动控制卡识别的使能变量，运动控制卡识别到使能变量后会在三轴平台运动到相应坐标时发出i/o信号控制挤出喷头的挤出；

d.含有微通道结构的骨组织支架是基于去除内部纤维发，芯层材料为f127，壳层材料为9％明胶和5％海藻酸钠1:1的混合溶液。挤出喷头为3d打印机右侧的同轴挤出喷头。当标志位信息识别为实芯纤维时，运动控制卡输出低电平信号，此时挤出的只有壳层的纤维，当标志位信息识别为实芯纤维时，运动控制卡输出为高电平信号，此时同时挤出壳层和芯层的纤维。

e.打印完成后，将含有微通道结构的骨组织支架充分浸泡在4％的氯化钙溶液中，使其与海藻酸钠发生胶连。待充分胶连完成后，将该支架置于零下30度环境中冷冻3分钟，取出后芯层f127温敏性材料会变为液态，用注射器将其抽出后，再在氯化钙溶液中浸泡，使微通道结构充分胶连。

在本实施例中，利用本专利一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统，将设计好的微通道结构位置信息作为标志位信息输入到运动控制卡中，使得该骨组织支架结构可以任意设计，且利用本专利可以提高打印效果，可重复性极高。

实施例五：

本实施例与实施例四基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，结合本专利一种通过添加标志位信息制备三维多材料多尺度生物支架的系统，制备骨软骨多材料三层生物支架，所用的喷头为3d打印机上左侧的多材料喷头，包含的步骤如下：

a.本步骤和实施例四相同

b.本步骤和实施例四相同

c.本步骤和实施例四相同

d.骨软骨多材料三层生物支架具有三层不同的结构，故每一层的材料都不相同。第一层材料为1:1混合羟基磷灰石与壳聚糖溶解于0.5m的醋酸配置成质量浓度为75％的溶液；第二层为14％明胶和5％海藻酸钠1:1混合配置；第三层为芯层f127，壳层14％明胶和5％海藻酸钠1:1混合溶液。当识别到不同材料的标志位信息时，运动控制卡输出i/o信号，使不同的材料挤出打印。

e.本步骤与实施例四相同。