一種複合生物材料3D列印系統及列印方法與流程
2023-05-25 18:54:56
本發明涉及生物組織工程技術領域，更具體地，涉及一種複合生物材料3d列印系統及列印方法。
背景技術：
組織工程是融合工程學、生命科學和材料科學等學科，通過模仿人體組織器官形成的過程在體外構建和培養具有生物活性的結構體。這其中，3d列印技術因為其可使用多種材料成型任何複雜的三維結構，成為組織工程領域最有力的研究手段。3d列印技術的原理就是分層製造，層層累積。傳統的細胞列印噴頭就是將細胞與生物材料混合後並擠出形成一條絲線狀，在多次往復形成面，面的堆積繼而形成相應的三維結構。這其中典型的噴頭就是電機助推式噴頭。
圖1是傳統的電機助推式噴頭三維結構剖分示意圖，直線步進電機固定在運動裝置支架上，螺杆在直線步進電機的帶動下可對噴頭內的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴擠出，加熱棒和隔熱外套安裝在噴頭下段使噴頭內的成形材料保持設定的溫度。
此種設計雖然簡單可靠，但是也有以下不足之處：1)列印結構體的力學性能不佳，與細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，比如明膠、膠原和纖維蛋白原等，其力學性能較弱，在列印出來後在培養液中經過長時間的浸泡甚至不能拿出來檢測；2)細胞活性不高，傳統的列印噴頭通過電機助推擠出，這種體積式的控制方法對細胞通過狹小噴嘴時產生極大的剪切力，造成細胞膜的破裂與死亡；3)為了使相關材料具有一定的成型性能，明膠等混合細胞的生物材料使用的濃度較高，在這種情況下，細胞在其中的遷徙和增殖造成困難。
技術實現要素：
本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種複合生物材料3d列印系統，所述3d列印系統的結構簡單，使用方便，可以實現多種材料和細胞的準確成型。
本發明的另一目的在於提供所述複合生物材料的列印方法。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：一種複合生物材料3d列印系統，其中，包括第一料筒和第二料筒，所述第一料筒下方設有用於產生連續狀態的增強纖維的靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置包括設在第一料筒底部的高電壓噴嘴以及設在高電壓噴嘴下方的接地環，這樣高電壓噴嘴和接地環之間就會形成電場，所述接地環下方設有混合噴嘴，所述第二料筒與所述混合噴嘴之間設有轉接管，所述轉接管一端連接所述第二料筒的底部，另一端連接所述混合噴嘴的上端，所述第一料筒中盛裝用於生成連續狀態靜電紡絲纖維的生物合成高分子材料溶液，由於高電壓噴嘴和接地環之間形成有電場，基於靜電紡絲原理，生物合成高分子材料溶液通過高電壓噴嘴形成微米級的射流，也就是最終的連續狀態的靜電紡絲纖維，然後經接地環進入混合噴嘴，生物合成高分子材料具有良好的力學性能，其生成的連續狀態靜電紡絲纖維在複合生物材料中起到骨架支撐作用；所述第二料筒中盛裝用於生成生物活性材料的細胞和生物天然高分子材料混合液，包括細胞的生物天然高分子材料具有良好的生物相容性，能為細胞提供合適的生存微環境，該混合液經轉接管進入混合噴嘴，包裹在從第一料筒中出來的靜電紡絲纖維外圍，最後兩者一起從混合噴嘴中噴出。
進一步的，所述第一料筒和第二料筒外圍分別設有第一溫控裝置和第二溫控裝置，第一溫控裝置和第二溫控裝置能夠分別為第一料筒和第二料筒內部提供最合適的溫度環境，以保證第一料筒和第二料筒中盛裝的材料及細胞的最佳活性。
進一步的，所述第一溫控裝置包括設在所述第一料筒外壁上的第一加熱環和包覆在所述第一加熱環、第一料筒以及混合噴嘴外圍的第一保溫層。所述第二溫控裝置包括設在所述第二料筒外壁上的第二加熱環和包覆在所述第二加熱環以及第二料筒外圍的第二保溫層。這樣，第一料筒和第二料筒均設有獨立的加熱環和保溫層，因此，第一料筒和第二料筒內部的溫度是獨立控制的，也就是說，所述第一溫控裝置和第二溫控裝置是相互獨立控制的。
進一步的，所述高電壓噴嘴與所述接地環之間的距離為3-30mm。
進一步的，所述第一料筒和第二料筒中盛裝的料液的推動方式為高壓氣體推動。
本發明還提供一種複合生物材料的3d列印方法，其中，包括以下步驟：
s1.選擇合適的生物合成高分子材料製成溶液，裝入第一料筒中備用，選擇合適的細胞和生物天然高分子材料，按照合適的比例配比，製成細胞混合液，裝入第二料筒中備用；
s2.開啟第一溫控裝置和第二溫控裝置，分別將第一料筒和第二料筒的溫度設置在合適的檔位；
s3.啟動控制程序，使3d列印系統開始工作，基於靜電紡絲原理，第一料筒中的生物合成高分子材料溶液通過高電壓噴嘴形成微米級的射流，然後經接地環進入混合噴嘴，同時，第二料筒中的細胞混合液經由轉接管進入到混合噴嘴中，並包圍在生物合成高分子材料溶液形成的微米級射流周圍；
s4.生物合成高分子材料溶液和細胞混合液經由混合噴嘴噴出，形成含靜電紡絲纖維的生物複合材料。
進一步的，步驟s1中，所述生物合成高分子材料為聚氨酯、聚乳酸、聚乙醇酯和聚乳酸-羥基乙酸共聚物等中的任意一種或兩種以上。所述細胞為脂肪幹細胞、骨髓充間質幹細胞、心肌細胞、雪旺細胞、肝細胞和癌細胞等中的任意一種；所述生物天然高分子材料為纖維蛋白原、膠原、明膠、絲素、藻酸鹽、透明質酸和殼聚糖等中的任意一種或兩種以上。
與現有技術相比，本發明的有益效果：
本發明的3d列印系統設置了第一料筒和第二料筒，並在第一料筒底部設置了高電壓噴嘴和接地環，第一料筒中具有良好力學性能的生物合成高分子材料溶液，第二料筒中盛裝細胞和生物天然高分子材料的混合液，基於靜電紡絲技術和高壓氣動技術的結合，可實現多種材料和細胞的準確成形，進一步提高成型結構的力學性能，使得生物合成高分子材料良好的力學性能與生物天然高分子材料良好的生物相容性得到結合，提高列印結構體的力學性能和細胞活性，並且可有力促進細胞的附著、遷徙和增殖。
本發明的3d列印系統使用高壓氣體推動細胞混合液擠出，是壓力式控制，能將影響細胞活性的剪切力減弱至最小，大大提高細胞的成型後的活性，並且氣動噴塗的精度高和響應速度快。
附圖說明
圖1是傳統電機助推式噴頭三維結構剖分示意圖。
圖2是本發明含靜電紡絲纖維的生物複合材料的效果圖。
圖3是本發明含靜電紡絲纖維的生物複合材料的橫截面示意圖。
圖4是本發明3d列印噴頭的整體結構示意圖。
圖中：201—螺杆；202—直線步進電機；203—加熱棒；204—隔熱外套；205—噴嘴；601—生物天然高分子材料；602—細胞；603—生物合成高分子材料；1—第一料筒；2—第二料筒；3—高電壓噴嘴；4—接地環；5—混合噴嘴；6—轉接管；7—第一加熱環；8—第一保溫層；9—第二加熱環；10—第二保溫層。
具體實施方式
附圖僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對於本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關係僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
實施例1
如圖4所示，一種複合生物材料3d列印系統，其中，包括第一料筒1和第二料筒2，所述第一料筒1下方設有用於產生連續狀態的增強纖維的靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置包括設在第一料筒1底部的高電壓噴嘴3以及設在高電壓噴嘴3下方的接地環4，這樣高電壓噴嘴3和接地環4之間會形成電場，所述接地環4下方設有混合噴嘴5，所述第二料筒2與所述混合噴嘴5之間設有轉接管6，所述轉接管6一端連接所述第二料筒2的底部，另一端連接所述混合噴嘴5的上端，所述第一料筒1中盛裝用於生成連續狀態靜電紡絲纖維的生物合成高分子材料603溶液，由於高電壓噴嘴3和接地環4之間形成有電場，基於靜電紡絲原理，生物合成高分子材料603溶液通過高電壓噴嘴3形成微米級的射流，也就是最終的連續狀態的靜電紡絲纖維，然後經接地環4進入混合噴嘴5，生物合成高分子材料603具有良好的力學性能，其生成的連續狀態靜電紡絲纖維在複合生物材料中起到骨架支撐作用；所述第二料筒2中盛裝用於生成生物活性材料的細胞602和生物天然高分子材料601混合液，包括細胞602的生物天然高分子材料601具有良好的生物相容性，能為細胞602提供合適的生存微環境，該混合液經轉接管6進入混合噴嘴5，包裹在從第一料筒1中出來的靜電紡絲纖維外圍，最後兩者一起從混合噴嘴5中噴出。
如圖4所示，所述第一料筒1和第二料筒2外圍分別設有第一溫控裝置和第二溫控裝置，第一溫控裝置和第二溫控裝置能夠分別為第一料筒1和第二料筒2內部提供最合適的溫度環境，以保證第一料筒1和第二料筒2中盛裝的材料及細胞的最佳活性。
如圖4所示，所述第一溫控裝置包括設在所述第一料筒1外壁上的第一加熱環7和包覆在所述第一加熱環7、第一料筒1以及混合噴嘴5外圍的第一保溫層8。所述第二溫控裝置包括設在所述第二料筒2外壁上的第二加熱環9和包覆在所述第二加熱環9以及第二料筒2外圍的第二保溫層10。這樣，第一料筒1和第二料筒2均設有獨立的加熱環和保溫層，因此，第一料筒1和第二料筒2內部的溫度是獨立控制的，也就是說，所述第一溫控裝置和第二溫控裝置是相互獨立控制的。
本實施中，所述高電壓噴嘴3與所述接地環4之間的距離為3-30mm。
本實施中，所述第一料筒1和第二料筒2中盛裝的料液的推動方式為高壓氣體推動。
實施例2
一種複合生物材料的3d列印方法，其中，包括以下步驟：
s1.選擇聚氨酯作為生物合成高分子材料603，將聚氨酯溶於四乙二醇製成濃度為5%（w/v)的溶液，裝入第一料筒1中備用，選擇脂肪幹細胞作為細胞602，選擇纖維蛋白原作為生物天然高分子材料601，其中纖維蛋白原溶液是將纖維蛋白原粉末溶於dmem溶液中，質量濃度為0.1%（w/v），將脂肪幹細胞混合到纖維蛋白原溶液中，密度為1×106個/ml，其中加入內皮細胞生長因子（50ng/ml），製成細胞混合液，裝入第二料筒2中備用；
s2.開啟第一溫控裝置和第二溫控裝置，分別將第一料筒1和第二料筒2的溫度設置在合適的檔位；
s3.啟動控制程序，使3d列印系統開始工作，基於靜電紡絲原理，第一料筒（1）中的生物合成高分子材料603溶液通過高電壓噴嘴3形成微米級的射流，然後經接地環4進入混合噴嘴5，同時，第二料筒2中的細胞混合液經由轉接管6進入到混合噴嘴5中，並包圍在生物合成高分子材料603溶液形成的微米級射流周圍；
s4.生物合成高分子材料603溶液和細胞混合液經由混合噴嘴5噴出，形成如圖2和圖3所示的含靜電紡絲纖維的複合生物材料。
本實施例中，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-羥基乙酸共聚物等中的任意一種或兩種以上。所述細胞602可以是脂肪幹細胞、骨髓充間質幹細胞、心肌細胞、雪旺細胞、肝細胞和癌細胞等中的任意一種；所述生物天然高分子材料601可以是纖維蛋白原、膠原、明膠、絲素、藻酸鹽、透明質酸和殼聚糖等中的任意一種或兩種以上。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為了清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護範圍之內。