组织工程支架的打印方法、打印系统、终端及存储介质与流程

1.本发明涉及生物医学工程技术领域，特别涉及一种组织工程支架的打印方法、打印系统、终端及存储介质。


背景技术：

2.传统挤出式3d打印通常使用商业化的自动化切片工具(如cura、simplify3d)对目标模型进行自动化纤维填充，其常规填充图案为层内纤维平行排布、层间纤维90
°
夹角。然后基于打印机制造代码的书写规则，将自动化切片获得的打印路径和打印参数(如打印头移动速度、挤出气压、料筒加热温度、挤出头高度等)转换为挤出式3d打印机可以识别的制造代码，进而通过打印机的控制软件对其进行调用并执行挤出式3d打印。
3.在挤出式3d打印过程中，打印路线(即2d填充曲线)决定了3d打印样品的纤维分布情况，进而影响样品的孔隙结构。传统挤出式3d打印虽然允许用户对自动切片的相关参数进行微调，如2d曲线之间的间距、3d纤维层间的高度等参数，但是从根本上难以更改其纤维填充图案的默认设定。此外，尽管可以调整层间纤维的直径来实现轴向梯度或者调整层内纤维的间距在一定程度上获得线性的水平梯度孔隙，但是其难以实现径向梯度，限制挤出式3d打印技术在梯度孔隙支架的应用和扩展。
4.连续变纤维直径挤出式3d打印新策略通过调整打印头在打印路径各处的打印速度和挤出头高度来精确控制挤出式3d打印样品的局部孔隙率和孔径。但是由于传统挤出式3d打印的自动化切片封装，限制用户对打印参数的自定义设置，这严重限制了连续变纤维直径挤出式3d打印技术的发展和技术推广。因此，如何基于挤出式3d打印技术搭建连续变纤维直径模型参数化设计和挤出式3d打印制造的桥梁是一项亟待完成的关键工作。
5.目前现有技术缺乏搭建连续变纤维直径模型参数化设计和挤出式3d打印制造的桥梁。尽管有文献(diaz-gomez l,kontoyiannis p d,melchiorri a j,et al.three-dimensional printing of tissue engineering scaffolds with horizontal pore and composition gradients[j].tissue engineering part c-methods,2019,25(7):411-420)基于传统挤出式3d打印技术，通过在径向不同区域设置不同的纤维直径和间距来实现径向梯度孔隙，但是该方法难以制备高精度、连续、可控的梯度孔隙支架。


技术实现要素：

[0006]
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的难以制备高精度、连续、可控的梯度孔隙支架的问题，提供一种可具有加工连续变纤维直径样品的能力的组织工程支架的打印方法。
[0007]
为实现上述目的，本技术采用下述技术方案：
[0008]
本技术的目的之一提供了一种组织工程支架的打印方法，包括下述步骤：
[0009]
获取符合梯度预期的组织工程支架模型；
[0010]
根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码；
[0011]
根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的打印。
[0012]
在其中一些实施例中，在获取符合梯度预期的组织工程支架模型的步骤中，具体包括下述步骤：
[0013]
构建打印速度与纤维直径的函数关系；
[0014]
根据所需目标梯度数据，构建变纤维直径仿生梯度支架模型；
[0015]
根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，所述打印参数包括打印路径、打印速度和纤维直径。
[0016]
在其中一些实施例中，在构建打印速度与纤维直径的函数关系的步骤中，具体包括下述步骤：
[0017]
基于质量守恒定律，获得打印速度与纤维截面面积的函数关系：
[0018][0019]
式中：v表示打印速度(mm/s)、q表示β-tcp/pcl墨水挤出的流量(mm3/s)、s表示β-tcp/pcl纤维的截面面积(mm2)；
[0020]
基于圆的面积公式s＝πd2/4，获得打印速度与纤维直径的函数关系function(v,d)：
[0021][0022]
式中：v表示打印速度(mm/s)、q表示β-tcp/pcl墨水挤出的流量(mm3/s)、d表示β-tcp/pcl纤维的近似直径(mm)。
[0023]
在其中一些实施例中，在根据所需目标梯度数据，构建变纤维直径仿生梯度支架模型的步骤中，具体包括下述步骤：
[0024]
根据所需目标梯度数据构建基于三维设计软件的变纤维直径仿生梯度支架模型，所述三维设计软件包括但不限于rhino、grasshopper。
[0025]
在其中一些实施例中，在根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码的步骤中，具体包括下述步骤：
[0026]
根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，基于纤维在所述符合梯度预期的组织工程支架模型各处的直径反推出与其相对应的打印速度；
[0027]
结合所述纤维的位置和所述纤维的直径确定相匹配的挤出头高度；
[0028]
根据编程工具基于挤出式3d打印机制造代码的书写规则，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码。
[0029]
在其中一些实施例中，在根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的制备的步骤中，具体包括下述步骤：
[0030]
使用挤出式3d打印机的控制程序调用重写的特异性制造代码，控制三坐标打印机完成组织工程支架的打印。
[0031]
在其中一些实施例中，在获取符合梯度预期的组织工程支架模型的步骤之前，还包括下述步骤：
[0032]
安装挤出头工作及准备打印墨水；
[0033]
基于挤出式3d打印机的控制程序完成对三坐标打印机进行初始化处理，所述初始
化处理包括xyz三坐标运动系统归零、打印料筒的预加热、设置挤出压力。
[0034]
本技术目的之二提供了一种组织工程支架的打印系统，包括：
[0035]
支架模型获取单元，获取符合梯度预期的组织工程支架模型；
[0036]
特异性制造代码生成单元，根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码；
[0037]
打印单元，根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的打印。
[0038]
本技术目的之三提供了一种终端，所述终端包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，
[0039]
所述存储器存储有用于实现任一项所述的组织工程支架的打印方法的程序指令；
[0040]
所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以控制组织工程支架的打印。
[0041]
本技术目的之四提供了一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行任一项所述组织工程支架的打印方法。
[0042]
采用上述技术方案，本技术具有以下技术效果：
[0043]
相对于现有技术，本技术提供了一种组织工程支架的打印方法、打印系统、终端及存储介质，本技术上述实施例提供的组织工程支架的打印方法，根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，并且根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码，而且可根据不同打印机制造代码的书写规则，完成传统挤出式3d打印机的升级改造，使其可以用于制备连续变纤维直径支架，降低了生产制造成本。
附图说明
[0044]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0045]
图1为本技术实施例提供的组织工程支架的制备方法的步骤流程图。
[0046]
图2为本技术实施例提供的在获取符合梯度预期的组织工程支架模型的步骤流程图。
[0047]
图3为本技术实施例提供的构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码的步骤流程图。
[0048]
图4为本技术实施例提供的组织工程支架的打印系统的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0051]
请参阅图1，根据本发明一实施例，提供了一种组织工程支架的打印方法，包括下述步骤s10～s30，以下针对各个步骤进行详细说明。
[0052]
步骤s10：获取符合梯度预期的组织工程支架模型。
[0053]
请参阅图2，为本实施例提供的在获取符合梯度预期的组织工程支架模型的步骤流程图，具体包括下述步骤s11～s13，以下针对各个步骤进行详细说明。
[0054]
步骤s11：构建打印速度与纤维直径的函数关系。
[0055]
作为本技术的一种改进，，构建打印速度与纤维直径的函数关系，具体包括下述步骤s111～s112。
[0056]
步骤s111：基于质量守恒定律，获得打印速度与纤维截面面积的函数关系：
[0057][0058]
式中：v表示打印速度(mm/s)、q表示β-tcp/pcl墨水挤出的流量(mm3/s)、s表示β-tcp/pcl纤维的截面面积(mm2)；
[0059]
步骤s112：基于圆的面积公式s＝πd2/4，获得打印速度与纤维直径的函数关系function(v,d)：
[0060][0061]
式中：v表示打印速度(mm/s)、q表示β-tcp/pcl墨水挤出的流量(mm3/s)、d表示β-tcp/pcl纤维的近似直径(mm)。
[0062]
通过上述s111～s112构建打印速度与纤维直径的函数关系。
[0063]
步骤s12：根据所需目标梯度数据，构建变纤维直径仿生梯度支架模型。
[0064]
作为本技术的一种改进，在根据所需目标梯度数据，构建变纤维直径仿生梯度支架模型的步骤中，具体包括下述步骤：
[0065]
根据所需目标梯度数据构建基于三维设计软件的变纤维直径仿生梯度支架模型，所述三维设计软件包括但不限于rhino、grasshopper。
[0066]
步骤s13：根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，所述打印参数包括打印路径、打印速度和纤维直径。
[0067]
可以理解，用户根据支架所需性能，通过调整打印参数调整纤维堆积图案来获得符合梯度预期的组织工程支架模型，突破了传统挤出式3d打印模型各处填充纤维直径均相同的制约，为挤出式3d打印制备可控梯度孔隙支架提供了技术支撑。
[0068]
步骤s120：根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码。
[0069]
请参参阅图3，在根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码的步骤中，具体包括下述步骤s121～s123。
[0070]
步骤s121：根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，基于纤维在所述符合梯度预期的组织工程支架模型各处的直径反推出与其相对应的打印速度。
[0071]
步骤s122：结合所述纤维的位置和所述纤维的直径确定相匹配的挤出头高度。
[0072]
步骤s123：根据编程工具基于挤出式3d打印机制造代码的书写规则，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码。
[0073]
作为本技术的一种改进，所述挤出式3d打印机包括但不限于捷诺飞regenovows。
[0074]
作为本技术的另一种改进，所述挤出式3d打印，包括但不限于常温挤出式3d打印，低温冷冻挤出式3d打印。
[0075]
作为本技术的另一种改进，所述挤出式3d打印机的打印墨水，包括但不限于β-tcp/pcl。
[0076]
作为本技术的另一种改进，所述挤出式3d打印机的制造代码书写规则编写设计模型相匹配的制造代码所使用的编程工具，包括但不限于ghpython。
[0077]
可以理解，根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型以获得与设计模型相匹配的制造代码。
[0078]
步骤s30：根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的打印。
[0079]
作为本技术的一种改进，在根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的制备的步骤中，具体包括下述步骤：使用挤出式3d打印机的控制程序调用重写的特异性制造代码，控制三坐标打印机完成组织工程支架的打印。
[0080]
作为本技术的另一种改进，在获取符合梯度预期的组织工程支架模型的步骤之前，还包括下述步骤：
[0081]
步骤s40：安装挤出头工作及准备打印墨水。
[0082]
步骤s50：基于挤出式3d打印机的控制程序完成对三坐标打印机进行初始化处理，所述初始化处理包括xyz三坐标运动系统归零、打印料筒的预加热、设置挤出压力。
[0083]
本技术上述实施例提供的组织工程支架的打印方法，根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，并且根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码，而且可根据不同打印机制造代码的书写规则，完成传统挤出式3d打印机的升级改造，使其可以用于制备连续变纤维直径支架，降低了生产制造成本。通过上述方法获取的组织工程支架可应用于骨组织工程、半月板组织工程、血管组织工程等对梯度孔隙有需要的领域，应用广泛。
[0084]
请参阅图4，根据本技术实施例提供的一种组织工程支架的打印系统的结构示意图，包括：支架模型获取单元110，用于获取符合梯度预期的组织工程支架模型；特异性制造代码生成单元120，用于根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码；打印单元130，用于根据所述特异性制造代码，完成组织工程支架的打印。
[0085]
本实施例提供的组织工程支架的打印系统，其详细的实现方案在上述实施例中已有详细说明，这里不再赘述。
[0086]
本技术实施例提供的一种组织工程支架的打印系统，根据所述变纤维直径仿生梯
度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，并且根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码，而且可根据不同打印机制造代码的书写规则，完成传统挤出式3d打印机的升级改造，使其可以用于制备连续变纤维直径支架，降低了生产制造成本。
[0087]
本技术还提供了一种终端，所述终端包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，其中，所述存储器存储有用于实现任一项所述的组织工程支架的打印方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令以控制组织工程支架的打印。
[0088]
本技术还提供了一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项提供的组织工程支架的打印方法的程序文件。
[0089]
本发明实施例的技术优点至少在于：根据所述变纤维直径仿生梯度支架模型，调整打印参数获得符合梯度预期的组织工程支架模型，并且根据所述符合梯度预期的组织工程支架模型，构建与所设计组织工程支架模型相匹配的特异性制造代码，而且可根据不同打印机制造代码的书写规则，完成传统挤出式3d打印机的升级改造，使其可以用于制备连续变纤维直径支架，降低了生产制造成本。
[0090]
以下结合具体实施例对上述技术方案进行详细说明。具体实施案例如下：
[0091]
实施例1：
[0092]
a.本发明在传统挤出式3d打印技术的基础上引入变化打印速度和变化挤出头高度的连续可控纤维直径的挤出式3d打印新策略。其通过精确控制填充纤维在各处直径的变化来获得梯度孔隙结构，这就要求在整个模型各处分布的纤维均应具有与其对应的打印速度和挤出头高度，才能保证打印速度和挤出头高度与纤维直径保持一致。
[0093]
b.选择β-tcp(sigma-aldrich，美国)和分子量为14000的pcl(aldrich，美国)以25％(w/w)的重量比混合制备β-tcp/pcl墨水材料。首先，将它们放在72℃的加热箱中1小时，然后在室温下用药勺搅拌均匀，重复这个过程3次。
[0094]
c.选择中国捷诺飞公司生产的regenovows挤出式3d打印机作为本研究的硬件平台，该打印机可以实现xyz三坐标轴联动，满足本发明对打印速度和挤出头高度的运动控制需求，并可获得该打印机制造代码的书写规则。另外，与该款挤出式3d打印机相配套的控制软件为bio-architect.exe。
[0095]
d.确定打印参数为：挤出气压(400kpa)、挤出头尺寸(400μm)、加热温度(72℃)、墨水材料等打印参数。
[0096]
e.为了实现本发明所提出的可控梯度组织工程支架的参数化设计和变纤维直径挤出式3d打印制备，并且可以一键式调整支架的梯度孔隙并获得与设计模型相匹配的制造代码，搭建了基于软件rhino和grasshopper的变纤维直径设计和挤出式3d打印机的桥梁。
[0097]
f.基于捷诺飞公司的regenovows挤出式3d打印机制造代码的书写规则，借助grasshopper的编程工具ghpython将打印路径和与各处路径相匹配的打印速度、挤出头高度转换为打印设备可识别的运动控制指令。最后，通过挤出式3d打印机、预准备的β-tcp/pcl墨水和重写的制造代码完成变纤维直径挤出式3d打印梯度孔隙组织工程支架的制备。
[0098]
本发明经过实验验证，证明可行。
[0099]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。