一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法和装置与流程

本发明属于生物三维打印技术领域，具体涉及一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法和装置。

背景技术：

生物三维打印技术是一种能够在三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料乃至细胞，并用来制造医疗器械、组织工程支架和组织器官的装备。由于受生物材料性能的限制，目前更生物三维打印技术是基于熔融挤出或者常温挤出的。然而，生物三维打印技术目前尚未能真正的走向市场，这不仅仅是材料、以及产品本身的问题需要解决，生物三维打印装置本身亦有一些问题需要解决，生物三维打印挤出装置面临的重大问题是其打印分辨率较低，目前最高精度的生物三维打印装置仅仅为150μm以上。生物组织的纤维结构通常是几百纳米乃至几个微米级别，对于当前生物三维打印装备来说，这几乎是不可能实现的。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法和装置，具有操作方便且能够提高生物三维打印分辨率的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印装置，所述打印装置包括打印舱，所述打印舱的内部设置有打印喷头运动平台，所述打印喷头运动平台底部设置有料筒，所述料筒的顶部设置有气压挤出系统，所述料筒的外表面设置有加热套，所述料筒的底部设置有打印喷头，所述打印喷头的底部搭接在打印平台的顶部，所述打印平台的左侧面设置有高压静电发生器，所述打印舱的外部设置有自动控制装置。

优选的，所述打印舱为打印装置主体的外层保护罩。

优选的，所述打印喷头为金属材质。

优选的，所述加热套为热电偶式电加热装置，与料筒接触而不接触打印喷头，所述加热套控制温度范围为室温到280℃。

优选的，所述料筒为聚四氟乙烯或陶瓷材质。

优选的，所述高压静电发生器为正压或负压，电压调控范围为0-50kv。

一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法，所述打印方法步骤如下：

(1)将高分子材料(或细胞水凝胶材料)加入料筒，加热套加热熔融材料(细胞水凝胶材料不需加热)；

(2)自动控制装置中导入三维模型并设置好相关打印参数；

(3)打开高压静电发生器和气压挤出系统，调节电压到打印喷头可以稳定喷出较细的纤维；

(4)打印过程中，由打印喷头运动平台带动打印喷头沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台上，打印平台沿着z轴运动；

(5)经过堆积最终打印得到三维立体的生物样品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设置打印平台、打印喷头、加热套、料筒、高压静电发生器、气压挤出系统和自动控制装置，通过以上各部件之间的配合，将生物高分子材料或细胞水凝胶材料通过高压静电作用，使得三维打印得到高精度的生物样品，该装置操作方便，解决了生物三维打印分辨率较低的问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明正视的结构示意图；

图中：1、打印舱；2、打印喷头运动平台；3、打印平台；4、打印喷头；5、加热套；6、料筒；7、高压静电发生器；8、气压挤出系统；9、自动控制装置。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印装置，所述打印装置包括打印舱1，所述打印舱1的内部设置有打印喷头运动平台2，所述打印喷头运动平台2底部设置有料筒6，所述料筒6的顶部设置有气压挤出系统8，所述料筒6的外表面设置有加热套5，所述料筒6的底部设置有打印喷头4，所述打印喷头4的底部搭接在打印平台3的顶部，所述打印平台3的左侧面设置有高压静电发生器7，所述打印舱1的外部设置有自动控制装置9，本发明通过设置打印平台3、打印喷头4、加热套5、料筒6、高压静电发生器7、气压挤出系统8和自动控制装置9，通过以上各部件之间的配合，将生物高分子材料或细胞水凝胶材料通过高压静电作用，使得三维打印得到高精度的生物样品，该装置操作方便，解决了生物三维打印分辨率较低的问题。

具体的，所述打印舱1为打印装置主体的外层保护罩，保护罩可以进行紫外灭菌，控制打印舱1体整体的温度与湿度。

具体的，所述打印喷头4为金属材质，打印时，打印喷头4会喷出纤维，当不连接高压静电时，喷出纤维直径为150-500μm，当连接高压静电时，喷出纤维被拉伸，直径为10-150μm。

具体的，所述加热套5为热电偶式电加热装置，与料筒6接触而不接触打印喷头4，所述加热套5控制温度范围为室温到280℃，此温度能加适合打印需求。

具体的，所述料筒6为聚四氟乙烯或陶瓷材质，聚四氟乙烯或陶瓷材质整体绝缘不导电，耐高温。

具体的，所述高压静电发生器7为正压或负压，电压调控范围为0-50kv。

一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法，所述打印方法步骤如下：

(1)将高分子材料(或细胞水凝胶材料)加入料筒6，加热套5加热熔融材料(细胞水凝胶材料不需加热)；

(2)自动控制装置9中导入三维模型并设置好相关打印参数；

(3)打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到打印喷头4可以稳定喷出较细的纤维；

(4)打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动；

(5)经过堆积最终打印得到三维立体的生物样品，通过组合多个打印头，可以同时打印由多种不同高分子材料和多种不同细胞水凝胶材料组合而成的复杂组分生物样品。

将高分子材料聚己内酯加入料筒6，加热套5加热到100℃熔融材料，自动控制装置9中导入三维模型并设置好相关打印参数，打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到0kv，打印喷头4可以稳定喷出直径约为250μm的纤维，打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动，经过堆积最终打印得到直径为250μm纤维组成的生物样品。

实施例2

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印装置，所述打印装置包括打印舱1，所述打印舱1的内部设置有打印喷头运动平台2，所述打印喷头运动平台2底部设置有料筒6，所述料筒6的顶部设置有气压挤出系统8，所述料筒6的外表面设置有加热套5，所述料筒6的底部设置有打印喷头4，所述打印喷头4的底部搭接在打印平台3的顶部，所述打印平台3的左侧面设置有高压静电发生器7，所述打印舱1的外部设置有自动控制装置9，本发明通过设置打印平台3、打印喷头4、加热套5、料筒6、高压静电发生器7、气压挤出系统8和自动控制装置9，通过以上各部件之间的配合，将生物高分子材料或细胞水凝胶材料通过高压静电作用，使得三维打印得到高精度的生物样品，该装置操作方便，解决了生物三维打印分辨率较低的问题。

具体的，所述打印舱1为打印装置主体的外层保护罩，保护罩可以进行紫外灭菌，控制打印舱1体整体的温度与湿度。

具体的，所述打印喷头4为金属材质，打印时，打印喷头4会喷出纤维，当不连接高压静电时，喷出纤维直径为150-500μm，当连接高压静电时，喷出纤维被拉伸，直径为10-150μm。

具体的，所述加热套5为热电偶式电加热装置，与料筒6接触而不接触打印喷头4，所述加热套5控制温度范围为室温到280℃，此温度能加适合打印需求。

具体的，所述料筒6为聚四氟乙烯或陶瓷材质，聚四氟乙烯或陶瓷材质整体绝缘不导电，耐高温。

具体的，所述高压静电发生器7为正压或负压，电压调控范围为0-50kv。

一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法，所述打印方法步骤如下：

(1)将高分子材料(或细胞水凝胶材料)加入料筒6，加热套5加热熔融材料(细胞水凝胶材料不需加热)；

(2)自动控制装置9中导入三维模型并设置好相关打印参数；

(3)打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到打印喷头4可以稳定喷出较细的纤维；

(4)打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动；

(5)经过堆积最终打印得到三维立体的生物样品，通过组合多个打印头，可以同时打印由多种不同高分子材料和多种不同细胞水凝胶材料组合而成的复杂组分生物样品。

将高分子材料聚己内酯加入料筒6，加热套5加热到100℃熔融材料，自动控制装置10中导入三维模型并设置好相关打印参数，打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到10kv，打印喷头4可以稳定喷出直径约为20μm的纤维，打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动，经过堆积最终打印得到直径为20μm纤维组成的的生物样品。

实施例3

请参阅图1，本发明提供以下技术方案：一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印装置，所述打印装置包括打印舱1，所述打印舱1的内部设置有打印喷头运动平台2，所述打印喷头运动平台2底部设置有料筒6，所述料筒6的顶部设置有气压挤出系统8，所述料筒6的外表面设置有加热套5，所述料筒6的底部设置有打印喷头4，所述打印喷头4的底部搭接在打印平台3的顶部，所述打印平台3的左侧面设置有高压静电发生器7，所述打印舱1的外部设置有自动控制装置9，本发明通过设置打印平台3、打印喷头4、加热套5、料筒6、高压静电发生器7、气压挤出系统8和自动控制装置9，通过以上各部件之间的配合，将生物高分子材料或细胞水凝胶材料通过高压静电作用，使得三维打印得到高精度的生物样品，该装置操作方便，解决了生物三维打印分辨率较低的问题。

具体的，所述打印舱1为打印装置主体的外层保护罩，保护罩可以进行紫外灭菌，控制打印舱1体整体的温度与湿度。

具体的，所述打印喷头4为金属材质，打印时，打印喷头4会喷出纤维，当不连接高压静电时，喷出纤维直径为150-500μm，当连接高压静电时，喷出纤维被拉伸，直径为10-150μm。

具体的，所述加热套5为热电偶式电加热装置，与料筒6接触而不接触打印喷头4，所述加热套5控制温度范围为室温到280℃，此温度能加适合打印需求。

具体的，所述料筒6为聚四氟乙烯或陶瓷材质，聚四氟乙烯或陶瓷材质整体绝缘不导电，耐高温。

具体的，所述高压静电发生器7为正压或负压，电压调控范围为0-50kv。

一种基于静电纺丝技术的高精度生物三维打印方法，所述打印方法步骤如下：

(1)将高分子材料(或细胞水凝胶材料)加入料筒6，加热套5加热熔融材料(细胞水凝胶材料不需加热)；

(2)自动控制装置9中导入三维模型并设置好相关打印参数；

(3)打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到打印喷头4可以稳定喷出较细的纤维；

(4)打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动；

(5)经过堆积最终打印得到三维立体的生物样品，通过组合多个打印头，可以同时打印由多种不同高分子材料和多种不同细胞水凝胶材料组合而成的复杂组分生物样品。

将细胞水凝胶材料加入料筒6，自动控制装置9中导入三维模型并设置好相关打印参数，打开高压静电发生器7和气压挤出系统8，调节电压到2kv，打印喷头4可以稳定喷出直径约为50μm的细胞水凝胶纤维，打印过程中，由打印喷头运动平台2带动打印喷头4沿着x轴与y轴运动，打印纤维堆积在打印平台3上，打印平台3沿着z轴运动，经过堆积最终打印得到直径为50μm细胞水凝胶纤维组成的生物样品。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。