本发明涉及3d打印技术领域，特别涉及一种多喷头协调生物3d打印成型方法。
背景技术：
近年来的生物组织工程当中主要还是通过各种3d打印技术将生物材料构建成具有特定结构的多孔支架，然后直接植入病损部位或种植上生物因子、细胞后再植入来研究大段骨缺损再生修复。虽然结果表明这些方法成型的支架有一定的骨修复效果，但由于可能的高温过程和打印方式的单一化，仅实现了结构的仿生，弱化了种子细胞和生物因子的作用，无法实现快速血管化和结构内部的修复。
目前常用于生物制造的3d打印技术主要包括熔融沉积制造(fdm)、选择性激光烧结(sls)、喷墨打印、激光直写等成形技术。fdm和sls对打印材料要求苛刻，且成型过程中需要对材料进行加热或融化，不适用于细胞、生长因子等生物活性材料的按需定点打印。喷墨打印技术具有较高的打印精度且技术成熟，但仅适用于打印低粘度材料，且打印悬浮液时喷头容易堵塞。激光直写技术的打印精度最高，甚至可实现对单个细胞的操作，但是打印效率低、三维成形性差等限制了其应用。
另一方面，如果仅依赖单一喷头来实现多材质打印以及实现高仿生性植入体制备更是难上加难。骨基质材料要求能提供一定的力学支撑，常用的骨基质材料具有粘度高、流动性差等特点。而细胞及生长因子的打印“墨水”则要求粘度低、流动性好等，粘度较高会抑制细胞的迁移及细胞间的信号传递，阻碍细胞和外界进行物质交换，甚至生长因子的缓释，从而影响细胞正常的功能表达。同时考虑到细胞、生长因子等生物活性材料的特殊要求及打印精度的不同需求，仅靠单一的打印方式显得捉襟见肘。
现有技术中的3d打印成型方法无法有效完成打印特性存在很大差异的不同材料的打印作业，特别是，无法满足高仿生性植入体的制备要求。
技术实现要素：
本申请提供了一种多喷头协调生物3d打印成型方法，解决了或部分解决了现有技术中3d打印成型方法无法有效完成打印特性存在很大差异的不同材料的打印作业，特别是，无法满足高仿生性植入体的制备要求的技术问题。
本申请提供了一种多喷头协调生物3d打印成型方法，用于打印多组份的三维支架，所述多喷头协调生物3d打印成型方法包括以下步骤：
配置用于打印所述三维支架的多组浆料，所有所述浆料根据粘度高低划分为第一类浆料和第二类浆料，所述第一类浆料为高粘度流态成形材料，所述第二类浆料为低粘度流态成形材料；
建立3d打印模型，获得所述三维支架的打印路径集；
将所述第一类浆料的一种或多种所述浆料通过对应数量的电动挤出式喷头沿所述打印路径集喷射打印形成骨架；
将所述第二类浆料的一种或多种所述浆料通过对应数量的气动注射式喷头沿所述打印路径集喷射到所述骨架上，打印完成后获得所述三维支架。
作为优选，所述三维支架为高仿生性植入体；
所述第一类浆料为骨基质材料；
所述第二类浆料为生物活性材料。
作为优选，所述第一类浆料为羟基磷灰石-海藻酸钠浆料，粘度大于等于200pa/s。
作为优选，所述羟基磷灰石-海藻酸钠浆料的组分配比为：以质量百分比计，水、海藻酸钠、羟基磷灰石三者的质量比为30：1：28。
作为优选，所述羟基磷灰石-海藻酸钠浆料的制备步骤为：
按照配比准备所述水、所述海藻酸钠及所述羟基磷灰石；
将所述海藻酸钠加入所述水中，并用磁力搅拌机搅拌直至海藻酸钠均匀溶解；
将所述羟基磷灰石的粉末分多次加入，边加边用玻璃板搅拌，同时用超声波清洗机进行超声分散；
将配置好的所述羟基磷灰石-海藻酸钠浆料用保鲜膜密封高温高压灭菌待用。
作为优选，所述第二类浆料为海藻酸钠溶液，粘度为0～200mpa/s。
作为优选，所述海藻酸钠溶液的制备步骤为：
将蒸馏水中加入海藻酸钠粉末，所述海藻酸钠粉末与所述蒸馏水的质量比为1:50，用磁力搅拌机搅拌直至分散均匀，获得所述海藻酸钠溶液；
将所述海藻酸钠溶液置于高温高压灭菌锅中灭菌后备用。
作为优选，所述3d打印模型将所述三维支架分成多个打印层，每一个所述打印层对应一个打印路径，所有所述打印路径组成所述打印路径集。
作为优选，将所述3d打印模型的每一个所述打印层按照设定间距进行坐标点的标记；
每一个所述打印层的打印路径表示为xy的坐标形式。
作为优选，当所述第一类浆料包括多组所述浆料时，打印系统控制多个所述电动挤出式喷头协同动作，对所述骨架进行逐层打印；
当所述第二类浆料包括多组所述浆料时，所述打印系统控制多个所述气动注射式喷头协同动作，在所述骨架上进行逐层打印。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将高粘度流态成形材料的第一类浆料通过对应的电动挤出式喷头沿打印路径集喷射打印形成骨架；将低粘度流态成形材料的第二类浆料通过对应的气动注射式喷头沿打印路径集喷射到骨架上，打印完成后获得多组份的三维支架，使打印特性存在很大差异的不同材料能有效打印形成多材质复杂三维模型。这样，有效解决了现有技术中3d打印成型方法无法有效完成打印特性存在很大差异的不同材料的打印作业，特别是，无法满足高仿生性植入体的制备要求的技术问题，实现了高粘度支架材料的连续打印和中低粘度细胞、生长因子生物墨水的精确打印，使打印材料的软硬结合，满足模型复杂结构和孔径梯度变化的需求以及成分在空间上的梯度分布的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多喷头协调生物3d打印成型方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的打印系统的结构示意图；
图3为图2中气路系统的结构示意图。
(图示中各标号代表的部件依次为：1为压缩空气源，2为减压阀，3为空气过滤装置，4、13、14均为导气管，5、6、9、10均为调压阀，7、8均为真空发生器，11、12均为两位三通电磁阀，15、16均为料筒上盖，17、18均为料筒用密封圈，19、20均为料筒，21、22均为液态成形材料，23、24均为针头，25、26均为丝杆，27、28均为电机，29、30均为导轨，31、32均为导轨滑块，33、34均为喷头机身，35、36为活塞，37、38、41、42均为活塞用密封圈，39、40均为加热模块，43、44均为液态成形材料，45、46均为料筒，47、48均为料筒下端盖，49、50均为针头，51为基板，52为工作台，53为两位三通电磁阀的第一进气口，54为两位三通电磁阀的第二进气口，55为两位三通电磁阀的第一出气口。)
具体实施方式
本申请实施例提供了一种多喷头协调生物3d打印成型方法，解决了或部分解决了现有技术中3d打印成型方法无法有效完成打印特性存在很大差异的不同材料的打印作业，特别是，无法满足高仿生性植入体的制备要求的技术问题，通过将高粘度流态成形材料的第一类浆料通过对应的电动挤出式喷头沿打印路径集喷射打印形成骨架；将低粘度流态成形材料的第二类浆料通过对应的气动注射式喷头沿打印路径集喷射到骨架上，打印完成后获得多组份的三维支架，实现了高粘度支架材料的连续打印和中低粘度细胞、生长因子生物墨水的精确打印，使打印材料的软硬结合，满足模型复杂结构和孔径梯度变化的需求以及成分在空间上的梯度分布的技术效果。
本申请提供了一种多喷头协调生物3d打印成型方法，用于打印多组份的三维支架，参见附图1，该多喷头协调生物3d打印成型方法包括以下步骤：
s1：配置用于打印三维支架的多组浆料，所有浆料根据粘度高低划分为第一类浆料和第二类浆料，第一类浆料为高粘度流态成形材料，第二类浆料为低粘度流态成形材料。
s2：建立3d打印模型，获得三维支架的打印路径集。
s3：将第一类浆料的一种或多种浆料通过对应数量的电动挤出式喷头沿打印路径集喷射打印形成骨架。
s4：将第二类浆料的一种或多种浆料通过对应数量的气动注射式喷头沿打印路径集喷射到骨架上，打印完成后获得三维支架。
其中，上述方法的第一类浆料通过对应的电动挤出式喷头沿打印路径集喷射打印形成骨架；低粘度流态成形材料的第二类浆料通过对应的气动注射式喷头沿打印路径集喷射到骨架上，实现了高粘度支架材料的连续打印和中低粘度细胞、生长因子生物墨水的精确打印，使打印材料的软硬结合，满足模型复杂结构和孔径梯度变化的需求以及成分在空间上的梯度分布，特别适合生物3d打印需求。
作为一种优选的具体实施例，三维支架为高仿生性植入体；第一类浆料为骨基质材料；第二类浆料为生物活性材料。其中，第一类浆料为羟基磷灰石-海藻酸钠浆料，粘度大于等于200pa/s。第二类浆料为海藻酸钠溶液，粘度为0～200mpa/s。
进一步的，羟基磷灰石-海藻酸钠浆料的组分配比为：以质量百分比计，水、海藻酸钠、羟基磷灰石三者的质量比为30：1：28。羟基磷灰石-海藻酸钠浆料的制备步骤为：
按照配比准备水、海藻酸钠及羟基磷灰石。
将海藻酸钠加入所述水中，并用磁力搅拌机搅拌直至海藻酸钠均匀溶解。
将羟基磷灰石的粉末分多次加入，边加边用玻璃板搅拌，同时用超声波清洗机进行超声分散。
将配置好的羟基磷灰石-海藻酸钠浆料用保鲜膜密封高温高压灭菌待用。
进一步的，海藻酸钠溶液的制备步骤为：
将蒸馏水中加入海藻酸钠粉末，所述海藻酸钠粉末与所述蒸馏水的质量比为1:50，用磁力搅拌机搅拌直至分散均匀，获得所述海藻酸钠溶液。
将海藻酸钠溶液置于高温高压灭菌锅中灭菌后备用。
进一步的，3d打印模型将三维支架分成多个打印层，每一个打印层对应一个打印路径，所有打印路径组成打印路径集。其中，将3d打印模型的每一个打印层按照设定间距进行坐标点的标记；每一个打印层的打印路径表示为xy的坐标形式。
进一步的，当第一类浆料包括多组浆料时，打印系统控制多个电动挤出式喷头协同动作，对骨架进行逐层打印；当第二类浆料包括多组浆料时，打印系统控制多个气动注射式喷头协同动作，在骨架上进行逐层打印。
下面通过具体实施例来详细介绍本申请的3d打印成型方法及该打印成型方法使用的打印系统：
本实施例提供一种多喷头协调生物3d打印成型方法，具体步骤如下：
s1：打印浆料的配置步骤
粘度较大的浆料配置步骤：将0.5g氨水加入30g蒸馏水中，再将浆料加入蒸馏水中进行搅拌溶解，配置好后放在无风阴凉处静置一段时间，放入与电路系统相连接的电机助推微注射器式的电动挤出式喷头当中。
粘度较小的浆料配置步骤：在100g蒸馏水中加入浆料进行搅拌溶解，进行灭菌之后放入与气动系统相连接的气体压力助推微注射器式的气动注射式喷头当中。
浆料配置可以按照如下步骤：
粘度较大的浆料为羟基磷灰石-海藻酸钠浆料，配制方法为：取30g蒸馏水，然后加入1g海藻酸钠，用磁力搅拌机搅拌直至海藻酸钠均匀溶解；接着分多次加入纳米羟基磷灰石粉末，边加边用玻璃板搅拌，同时用超声波清洗机进行超声分散；配置好后用保鲜膜密封高温高压灭菌待用。
粘度较小的浆料为海藻酸钠溶液，配制方法为：取100g蒸馏水，加入2g海藻酸钠粉末，用磁力搅拌机搅拌直至分散均匀；将海藻酸钠溶液置于高温高压灭菌锅中灭菌后备用。
s2：模型3d打印步骤
具体为：将模型按照一定的间隔进行坐标点的标记，整个路径完全表示为xy的坐标形式，然后再将其导入打印辅助系统中导出打印系统可识别的路径文件。
s3：由得到的路径文件，电动挤出式喷头首先进行支架打印，当完成一层支架的打印之后，喷头上升设定高度，再进行与第一层支架垂直方向的支架打印，行程两层交叉型支架。由得到的路径文件，气动注射式喷头移动到指定位置进行打印。
在本具体实施例中，通过以下打印系统完成上述多喷头协调生物3d打印成型方法：
以图2为例，图2中包括2套气动注射式打印喷头和2个电动挤出式打印喷头，气动注射式打印喷头料筒19、20和电动挤出式打印喷头料筒45、46水平并排安装，还包括多个打印喷头23、24、49、50，多个(例如图2所示两个)二位三通电磁阀11、12，多个(例如图2所示四个)调压阀5、6、9、10，多个(例如图2所示两个)真空发生器7、8，压缩空气源1，减压阀2，空气过滤装置3，调压阀5、6、9、10，两位三通电磁阀11、12，导气管4、13、14，工作台52和基板51。电动挤出式打印喷头的步进电机27、28工作，此时通过丝杆25、26将电机转矩转化为推动力作用在活塞35、36上，通过活塞35、36把力加载在液态成形材料43、44上，迫使该流态成形材料通过针头49、50喷射至基板51上。上述喷射与工作台52以及固定台的三维运动，可在基板51上打印出三维支架的某一层。
当打印完某一层支架后，可通过控制电磁阀11、12中某个电磁阀(例如11)，使来自压缩空气源1的压缩空气通过减压阀2和空气过滤装置3，进入某一组气路的调压阀(例如9)，然后通过相应的某个电磁阀(例如11)、某个导气管(例如13)、料筒上端盖(例如15)进入某个料筒(例如19)，从而对其中的流态材料(例如29)施加压力，迫使该流态成形材料以液滴方式喷射至基板51上的三维支架上。通过工作台52和固定台(未图示)的三维运动可以精确控制该液滴喷射在三维支架的特定位置，从而实现多组分三维支架的打印。支架的某一层打印完成后，固定台沿竖直方向上升一个层高，从而打印支架的下一层轮廓，如此循环直到三维支架打印完成。
图3所示本发明采用的气路系统的结构示意图，该气路由压缩空气源1、减压阀2、过滤器3、导气管4，调压阀5、9，真空发生器7，以及两位三通电磁阀11组成。压缩空气通过减压阀2、过滤器3和导气管加载在调压阀5、9上，通过调压阀9的压缩空气通过电磁阀11上的进气口53和电磁阀相连，而加载在电磁阀5上的压缩空气通过真空发生器7后和电磁阀11的第二进气口54相连，该二位三通电磁阀的第二进气口54和出气口55处于常通状态，第一进气口53和出气口54处于常断状态，此时导气管13产生的就是负压，从而消除材料流涎问题。另外，通过精细调节正负压加载在材料上的时间，可以产生更稳定的液滴；当控制电磁阀11通电后，进气口53和出气口54处于接通状态，而第二进气口54和出气口55处于断开状态，此时导气管13产生的是正压；通过控制电磁阀11的通断时间，控制从导气管13中出来的正负压的时间，则气动注射器式打印喷头可实现打印液滴的连续或间隔喷射。
气动注射式喷头可用于喷射低粘度流态成形材料，粘度一般为0～200mpa/s，如水、海藻酸钠溶液(生物3d打印中较为常用)，打印精度可达到200～300μm；电动挤出式喷头可用于挤出高粘度流态成形材料，粘度一般为几百pa/s(如大于等于200pa/s)，属于半固态状态，如羟基磷灰石材料体系、羟基磷灰石-海藻酸钠体系。由于气动注射式喷头和电动挤出式喷头均可为多个，每个气动注射式喷头料筒内的液态成形材料类型可以不同，相似的，每个电动挤出式喷头料筒内的液态成形材料类型也可以不同。例如，电动挤出式喷头可以用于打印具有一定强度的支架，而气动注射式喷头则用于将低粘度成形材料定点打印到该支架上，实现多组分复杂三维模型的打印。
本实施例的多喷头协调生物3d打印成型采用计算机程序进行自动化控制，控制程序可以给每个喷头单独分配加工任务，并且进行多喷头之间的控制与协调，使多喷头可以同时按照设定程序进行打印，实现多材质空间分布可控的三维支架的打印，能够满足目前生物3d打印对多材质复杂三维模型打印的需要。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将高粘度流态成形材料的第一类浆料通过对应的电动挤出式喷头沿打印路径集喷射打印形成骨架；将低粘度流态成形材料的第二类浆料通过对应的气动注射式喷头沿打印路径集喷射到骨架上，打印完成后获得多组份的三维支架，使打印特性存在很大差异的不同材料能有效打印形成多材质复杂三维模型。这样，有效解决了现有技术中3d打印成型方法无法有效完成打印特性存在很大差异的不同材料的打印作业，特别是，无法满足高仿生性植入体的制备要求的技术问题，实现了高粘度支架材料的连续打印和中低粘度细胞、生长因子生物墨水的精确打印，使打印材料的软硬结合，满足模型复杂结构和孔径梯度变化的需求以及成分在空间上的梯度分布的技术效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。