本發(fā)明涉及增材制造技術(shù)與生物組織培養(yǎng)領(lǐng)域，更具體地涉及一種復(fù)合生物3D打印裝置及其打印方法。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)是一種自下而上的、通過(guò)層層累積得到三維成品的技術(shù)。增材制造技術(shù)具有制造方式自由、成型速度快以及幾乎百分之百的材料利用率等優(yōu)點(diǎn)。目前，金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高分子材料均可以通過(guò)增材制造技術(shù)進(jìn)行成型，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于制造、設(shè)計(jì)、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。

生物3D打印技術(shù)屬于增材制造技術(shù)的一種。在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)，它利用例如擠出等現(xiàn)有的制造手段，將由天然高分子材料或水凝膠配置成的具有生物活性或含有活細(xì)胞的生物墨水按照預(yù)設(shè)的圖形層層累積形成組織工程支架或活細(xì)胞生物模型。但是按照這種方式打印后，組成生物墨水的天然高分子材料或水凝膠在收集板上需要固化成型，而目前使用的固化手段主要是化學(xué)交聯(lián)劑固化、光交聯(lián)固化、冷凍固化等，這些手段都會(huì)對(duì)生物墨水的生物相容性或所含有的細(xì)胞造成一定的傷害。當(dāng)生物墨水中含有細(xì)胞時(shí)，固化后生物墨水粘度劇增，細(xì)胞在生物墨水的伸展和遷移受阻；當(dāng)在固化后的組織工程支架或生物模型上種植細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞很難進(jìn)入到生物墨水內(nèi)部，只能在表面遷移，而微米級(jí)或毫米級(jí)的生物墨水纖絲不利于細(xì)胞的粘附和遷移。

靜電紡絲技術(shù)也屬于增材制造技術(shù)的一種，它利用高壓電場(chǎng)力將高分子材料拉伸、細(xì)化成為納米纖維，該技術(shù)是一種方便地模擬細(xì)胞外基質(zhì)三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的手段，利用靜電紡絲技術(shù)制備的組織工程支架或活細(xì)胞生物模型已被證明有利于細(xì)胞的粘附、遷移和生長(zhǎng)。但是單獨(dú)的靜電紡絲技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密的三維結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明。本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種復(fù)合生物3D打印裝置及其打印方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)在單根生物墨水纖絲上包裹靜電紡絲納米纖維，在更為精細(xì)的尺度(例如納米級(jí))上將生物墨水纖絲和納米纖維結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)精密的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)解決現(xiàn)有生物墨水的固化方式不利于細(xì)胞遷移生長(zhǎng)的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

本發(fā)明提供了一種如下的復(fù)合生物3D打印裝置，所述復(fù)合生物3D打印裝置包括：生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)，所述生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)包括利用生物墨水來(lái)進(jìn)行3D打印的擠出針頭；靜電紡絲擠出系統(tǒng)，所述靜電紡絲擠出系統(tǒng)包括利用靜電紡絲液來(lái)進(jìn)行靜電紡絲的電紡針頭和用于加載收集電壓以收集靜電紡絲納米纖維的收集電極；以及收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纖絲和所述靜電紡絲納米纖維的收集面；其中，所述擠出針頭的軸線與所述收集面的交點(diǎn)和所述收集電極的軸線與所述收集面的交點(diǎn)重合，所述收集部件以所述收集面與所述擠出針頭的軸線正交的方式配置，在與所述擠出針頭的軸線正交的方向上，所述擠出針頭與所述電紡針頭一起能夠相對(duì)于所述收集部件進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向上，所述電紡針頭中的至少一個(gè)電紡針頭位于所述擠出針頭的后方，并且所述擠出針頭和所述電紡針頭位于所述收集部件的具有所述收集面的一側(cè)，所述收集電極位于所述收集部件的與所述一側(cè)相反的另一側(cè)，所述收集電極的軸線與所述擠出針頭的軸線共軸。

通過(guò)采用該技術(shù)方案，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合生物3D打印裝置使生物3D打印技術(shù)和靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合，可以制備既具有大孔徑的精密的三維結(jié)構(gòu)，又能促進(jìn)細(xì)胞粘附生長(zhǎng)的組織工程支架或含細(xì)胞生物模型，可以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)地將生物墨水和納米纖維結(jié)合起來(lái)并解決生物墨水的固化問(wèn)題的目的。

優(yōu)選地，所述收集面水平配置，所述擠出針頭和所述電紡針頭豎直配置，并且所述擠出針頭和所述電紡針頭位于所述收集部件的上方，所述收集電極位于所述收集部件的下方。

更優(yōu)選地，所述收集電極從所述收集部件的下方與所述收集部件接觸。

優(yōu)選地，所述靜電紡絲擠出系統(tǒng)具有多個(gè)電紡針頭，在所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向上，始終使得所述多個(gè)電紡針頭中的至少一個(gè)電紡針頭位于所述擠出針頭的后方。

更優(yōu)選地，所述多個(gè)電紡針頭繞著所述擠出針頭配置，且所述多個(gè)電紡針頭與所述收集部件之間的距離相等，并且所述多個(gè)電紡針頭中的每一個(gè)電紡針頭的軸線與所述擠出針頭的軸線之間的垂直距離相等，相鄰的兩個(gè)所述電紡針頭之間的距離相等。

進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述靜電紡絲擠出系統(tǒng)包括四個(gè)電紡針頭，所述四個(gè)電紡針頭以所述擠出針頭為中心、相鄰兩個(gè)間隔90度中心角的方式配置。

更優(yōu)選地，所述復(fù)合生物3D打印裝置還包括三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，所述三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有能夠驅(qū)動(dòng)所述收集部件在相互正交的兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)還包括Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所述Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠調(diào)節(jié)所述擠出針頭和所述電紡針頭兩者與所述收集部件在所述擠出針頭的軸線方向上的距離。

優(yōu)選地，所述擠出針頭和所述電紡針頭之間設(shè)置有靜電屏蔽部件。

優(yōu)選地，所述電紡針頭和所述收集電極由非絕緣材料制成，所述復(fù)合生物3D打印裝置的除了所述電紡針頭和所述收集電極的其它組件均由絕緣材料或者經(jīng)過(guò)絕緣處理的材料制成。

另外，本發(fā)明還提供了一種采用上述技術(shù)方案中任意一項(xiàng)技術(shù)方案所述的復(fù)合生物3D打印裝置的打印方法，所述打印方法包括以下步驟：

S1：繪制待打印的對(duì)象的三維模型，對(duì)所述三維模型進(jìn)行分層處理得到所述三維模型的每一層的截面的圖形；

S2：選擇適用于進(jìn)行3D打印的材料以將該材料溶解于第一溶劑中制成所述生物墨水，并且選擇適用于進(jìn)行靜電紡絲的材料以將該材料溶解于第二溶劑中制成所述靜電紡絲液；

S3：將所述生物墨水和所述靜電紡絲液分別供給到所述擠出針頭和所述電紡針頭；

S4:調(diào)整所述擠出針頭和所述電紡針頭之間的距離，并且調(diào)整所述擠出針頭和所述電紡針頭兩者與所述收集部件之間的距離，對(duì)所述電紡針頭和所述收集電極供給預(yù)定的電壓；

S5：根據(jù)獲得的所述三維模型的一層的截面的圖形，控制所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)并使得所述擠出針頭同步擠出所述生物墨水，同時(shí)始終控制位于所述擠出針頭在所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向后方的所述電紡針頭進(jìn)行靜電紡絲，使得靜電紡絲納米纖維在所述收集電極的引導(dǎo)下被收集到所述收集部件上的生物墨水纖絲的表層形成纖維層；

S6：當(dāng)按照所述三維模型的一層的截面的圖形打印完成之后，使得所述擠出針頭和所述電紡針頭在遠(yuǎn)離所述收集面的方向上移動(dòng)與所述一層的厚度相同的距離，并提取下一層的截面的圖形并繼續(xù)進(jìn)行步驟S5直至打印完成整個(gè)三維模型。

優(yōu)選地，在所述步驟S2中，

適用于進(jìn)行3D打印的材料為明膠、膠原、透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸鈉、絲素、纖維蛋白、果膠、淀粉及其衍生物、纖維素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或幾種按任意比例混合的混合物；和/或

適用于靜電紡絲的材料為聚乳酸、聚ε-己內(nèi)酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己內(nèi)酯與聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六環(huán)酮、聚酸酐中的一種或幾種按任意比例混合的混合物；和/或

所述第一溶劑為水、鈣鹽水溶液、鎂鹽水溶液、細(xì)胞培養(yǎng)基、磷酸鹽緩沖液、硝酸鹽緩沖液、Tris緩沖液中的任意濃度的溶液或幾種按任意比例混合的混合溶液；和/或

所述第二溶劑為水、乙醇、甲醇、六氟異丙醇、丙酮、四氫呋喃、甲酸、醋酸、二氧六環(huán)、三氟乙酸中的任意濃度的溶液或幾種按任意比例混合的混合溶液。

優(yōu)選地，在所述步驟S4中，

對(duì)所述電紡針頭供給的用于進(jìn)行靜電紡絲的電紡電壓為5kV～30kV，對(duì)所述收集電極供給的收集電壓為0kV～5kV，該電紡電壓與該收集電壓的極性不同，和/或

在與所述收集面正交的方向上，所述電紡針頭與所述收集面之間的距離為0.1cm～20cm。

優(yōu)選地，在所述步驟S5中，所述擠出針頭的掃描速度為0.1mm/s～5mm/s，所述擠出針頭的擠出速率為0.5mL/h～5mL/h。

優(yōu)選地，在所述步驟S5或所述步驟S6中，調(diào)節(jié)所述收集部件的溫度或環(huán)境溫度使所述生物墨水預(yù)固化。

更優(yōu)選地，所述收集部件的溫度或所述環(huán)境溫度的溫度范圍為-40℃～15℃，進(jìn)一步優(yōu)選為-20～10℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：通過(guò)采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種復(fù)合生物3D打印裝置及其打印方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)在單根生物墨水纖絲上包裹靜電紡絲納米纖維，在更為精細(xì)的尺度(例如納米級(jí))上將生物墨水和納米纖維結(jié)合起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)精密的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)解決了現(xiàn)有生物墨水的固化方式不利于細(xì)胞遷移生長(zhǎng)的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的復(fù)合生物3D打印裝置的示意圖。

圖2a是圖1中的復(fù)合生物3D打印裝置的復(fù)合噴頭的立體示意圖；圖2b是圖2a中的復(fù)合噴頭的俯視示意圖；圖2c是圖2a中的復(fù)合噴頭的主視示意圖。

圖3a是圖2a中的復(fù)合噴頭的擠出夾具的半部的立體示意圖；圖3b是圖3a中的擠出夾具的半部的主視示意圖。

圖4a是圖2a中的復(fù)合噴頭的電紡針頭夾具的立體示意圖；圖4b是圖4a中的電紡針頭夾具的俯視示意圖；圖4c是圖4a中的電紡針頭夾具的主視示意圖；圖4d是電紡針頭夾具的另一示例的俯視示意圖；圖4e是電紡針頭夾具的又一示例的俯視示意圖。

圖5是圖1中的復(fù)合生物3D打印裝置進(jìn)行打印的打印過(guò)程的示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1支撐架 21Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 22X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 31擠出螺桿 32擠出延長(zhǎng)桿 33擠出夾具 331擠出延長(zhǎng)桿夾口 332注射器夾口 34擠出針頭 41電紡針頭夾具 411電紡針頭夾口 412擠出夾具套口 42電紡針頭 43收集電極 44電紡液加載裝置 45高壓電源裝置 5收集板 5a收集面 6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 7靜電屏蔽網(wǎng)

具體實(shí)施方式

以下將參照附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在本發(fā)明中，X、Y軸為在收集面5a所在的平面中彼此垂直的兩條軸線，Z軸為與收集面5a正交的軸線。

(復(fù)合生物3D打印裝置的概述結(jié)構(gòu))

參照?qǐng)D1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的復(fù)合生物3D打印裝置的概述結(jié)構(gòu)。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的復(fù)合生物3D打印裝置包括支撐架1、生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)、靜電紡絲擠出系統(tǒng)、收集板(收集部件)5、三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6以及靜電屏蔽網(wǎng)(靜電屏蔽部件)7。

在本實(shí)施方式中，支撐架1具有框架結(jié)構(gòu)，該支撐架1為復(fù)合生物3D打印裝置的固定部件并用于固定復(fù)合生物3D打印裝置的其它組件。

在本實(shí)施方式中，生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)通過(guò)擠出夾具33安裝在下述的Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21上。該生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)包括沿著Z軸方向從上至下順次配置的擠出螺桿31、與擠出螺桿31相連的擠出延長(zhǎng)桿32、裝載生物墨水的注射器(未示出)以及用于擠出生物墨水的擠出針頭34，另外，該生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)還包括用于保持(夾持)擠出延長(zhǎng)桿32、注射器和擠出針頭34的擠出夾具33。

通過(guò)擠出夾具33保持而使得該擠出針頭34的軸線與下述的收集板5的收集面5a正交。具體地，在本實(shí)施方式中，擠出針頭34豎直地配置。擠出針頭34與裝載生物墨水的注射器相連接。擠出延長(zhǎng)桿32的上端與擠出螺桿31相連接，擠出延長(zhǎng)桿32的下端與上述注射器相連接(設(shè)置擠出延長(zhǎng)桿32而非將注射器與擠出螺桿31直接相連的目的是方便下述復(fù)合噴頭部分的更換、拆卸、檢修和清潔)。

這樣，通過(guò)電機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)擠出螺桿31和擠出延長(zhǎng)桿32能夠?qū)⒆⑸淦髦械纳锬畯臄D出針頭34擠出，以在下述的收集板5的收集面5a上形成生物墨水纖絲。通過(guò)采用電機(jī)和螺桿相結(jié)合的手段來(lái)擠出生物墨水，使得該生物墨水?dāng)D出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝、檢修且易于控制；另外，還可以通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)擠出針頭34的擠出和回吸兩個(gè)動(dòng)作，以精確控制擠出量。

在本實(shí)施方式中，靜電紡絲擠出系統(tǒng)包括利用靜電紡絲液進(jìn)行靜電紡絲的多個(gè)(在本實(shí)施方式中為四個(gè))電紡針頭42、用于保持(夾持)電紡針頭42的電紡針頭夾具41、用于加載收集電壓以收集靜電紡絲的收集電極43、用于向電紡針頭42加載靜電紡絲液的電紡液加載裝置44以及用于向電紡針頭42和收集電極43供給電壓的高壓電源裝置45。

在本實(shí)施方式中，四個(gè)電紡針頭42的軸線均與擠出針頭34的軸線平行，即四個(gè)電紡針頭42也豎直地配置。另外，四個(gè)電紡針頭42以擠出針頭34為中心繞著該擠出針頭34配置，其中兩個(gè)電紡針頭42與擠出針頭34沿著X軸方向配置，另外兩個(gè)電紡針頭42與擠出針頭34沿著Y軸方向配置。各電紡針頭42的軸線與擠出針頭34的軸線之間的垂直距離相等，相鄰的兩個(gè)電紡針頭42以擠出針頭34為中心的中心角為90度。優(yōu)選地，擠出針頭34的頂端位于電紡針頭42的頂端的下方。

上述電紡液加載裝置44包括：微量注射泵(未示出)，其由數(shù)個(gè)多通道或單通道注射泵組成；以及注射器(未示出)，其用于裝載靜電紡絲液，該注射器與注射泵連接，注射泵通過(guò)連接管和電紡針頭42連接。多臺(tái)注射泵可滿足單材料多噴頭或多材料多噴頭的靜電紡絲液的供給要求。

上述高壓電源裝置45由多臺(tái)高壓電源組成。每個(gè)電紡針頭42都連接一臺(tái)輸出正電壓的高壓電源；另外一臺(tái)輸出負(fù)電壓的高壓電源連接到收集電極43。這樣，使得電紡針頭42和收集電極43上施加的高壓的極性是相反的，保證類似“點(diǎn)到點(diǎn)”的電場(chǎng)分布，以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)收集。

在本實(shí)施方式中，收集板5具有平板狀結(jié)構(gòu)并且水平地配置。該收集板5的水平上表面為用于收集分別由擠出針頭34和電紡針頭42擠出的生物墨水纖絲和納米纖維(靜電紡絲)的收集面5a。收集板5連接到下述的X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22上并由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6控制移動(dòng)，這樣通過(guò)X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22實(shí)現(xiàn)下述復(fù)合噴頭相對(duì)于收集板5在X軸和Y軸方向上進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

收集板5的厚度優(yōu)選為2mm～6mm，更優(yōu)選為3mm～5mm。這樣，可以保證電場(chǎng)線不會(huì)穿透該收集板5，也不會(huì)因收集板5太厚而大范圍彎折，保證實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)到點(diǎn)”的電場(chǎng)分布。收集板5優(yōu)選為透明的，以便于觀察。

在Z軸上，包括擠出針頭34和電紡針頭42的下述的復(fù)合噴頭位于收集板5的上方，而收集板5的下方設(shè)置一個(gè)針尖向上且與收集板5接觸(可以抵接)的上述收集電極43。該收集電極43固定不動(dòng)并且收集電極43的軸線與擠出針頭34的軸線共軸。也就是說(shuō)，收集電極43與收集板5接觸的位置始終位于擠出針頭34的軸線上(擠出針頭34的軸線與收集板5的收集面5a的交點(diǎn)和收集電極43的軸線與收集板5的收集面5a的交點(diǎn)重合)。收集電極43上施加和電紡針頭42反向的高壓，形成類似“點(diǎn)到點(diǎn)”的電場(chǎng)分布，當(dāng)收集板5移動(dòng)時(shí)，可以吸引納米纖維在收集板5上沉積。

電紡針頭42與收集板5的收集面5a之間的在Z軸方向上的距離可以通過(guò)電紡針頭夾具41套在擠出夾具33上的位置來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)電紡針頭42處產(chǎn)生的泰勒錐不穩(wěn)定時(shí)，可以調(diào)節(jié)電紡針頭42與擠出針頭34的相對(duì)平行位置來(lái)保證納米纖維的定向收集。

在本實(shí)施方式中，三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成并且包括Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21和X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22。Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21安裝在支撐架1的上端，X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22安裝在支撐架1的下端。

Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21能夠調(diào)節(jié)下述的復(fù)合噴頭(擠出針頭34和電紡針頭42兩者)與收集板5的收集面5a在Z軸方向上的距離。X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22與收集板5剛性連接，X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22能夠驅(qū)動(dòng)收集板5在X軸和Y軸方向上(即在收集面5a所在的平面內(nèi)的相互正交的兩方向上)運(yùn)動(dòng)。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)擠出針頭34和電紡針頭42兩者一起相對(duì)于收集板5產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擠出針頭34和電紡針頭42相對(duì)于收集板5的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向即為打印方向(如圖5所示)。

優(yōu)選地，X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22的運(yùn)動(dòng)范圍優(yōu)選為0mm～200mm；Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21的運(yùn)動(dòng)范圍優(yōu)選為0mm～50mm。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6與三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)連接并可以控制三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)。另外，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分層等功能并對(duì)其它組件進(jìn)行必要的控制。

靜電屏蔽網(wǎng)7設(shè)置在擠出針頭34與電紡針頭42之間并用于屏蔽電紡針頭42的電壓對(duì)擠出針頭34工作的影響。該靜電屏蔽網(wǎng)7由金屬制成并且整體形成以擠出針頭34的軸線為中心軸線的圓筒狀。

需要說(shuō)明的是，除了電紡針頭42和收集電極43由例如金屬等的導(dǎo)電材料(非絕緣材料)制成以外，其余裝置和機(jī)構(gòu)均由絕緣材料或者經(jīng)過(guò)絕緣處理的材料制成。

(復(fù)合噴頭的結(jié)構(gòu))

為了便于更換、維修等目的，如圖2a～圖2c所示，在本實(shí)施方式中，通過(guò)擠出延長(zhǎng)桿32、擠出夾具33、電紡針頭夾具41、電紡針頭42、擠出針頭34和靜電屏蔽網(wǎng)7組成用于根據(jù)本發(fā)明的3D打印裝置的復(fù)合噴頭。以下將參照?qǐng)D2a～圖2c說(shuō)明該復(fù)合噴頭的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)擠出夾具33和電紡針頭夾具41使得擠出針頭34和電紡針頭42平行地配置。優(yōu)選地，在本實(shí)施方式中，擠出針頭34和電紡針頭42兩者的軸線的垂直距離優(yōu)選為1cm～10cm，更優(yōu)選為3cm～5cm。

通過(guò)如圖3a和圖3b所示的擠出夾具半部組裝在一起形成的擠出夾具33整體為圓筒狀，在擠出夾具33的內(nèi)部具有分別用于夾持?jǐn)D出延長(zhǎng)桿32和注射器的夾口(即擠出延長(zhǎng)桿夾口331和注射器夾口332)。擠出夾具33的橫截面外輪廓可以為圓形、矩形或其它多邊形，擠出夾具33的內(nèi)部具有可以分別卡住擠出延長(zhǎng)桿32和注射器的凹槽，凹槽的大小和所使用擠出延長(zhǎng)桿32及注射器直徑有關(guān)。擠出延長(zhǎng)桿32、裝載生物墨水的注射器和擠出針頭34在Z軸上從上往下依次夾在擠出夾具33中。

如圖4a～圖4c所示，在本實(shí)施方式中，電紡針頭夾具41為圓盤狀。電紡針頭夾具41套在擠出夾具33上并與擠出夾具33通過(guò)公差配合、防滑墊、插銷或擠壓螺絲連接。該電紡針頭夾具41的中心設(shè)置有用于套裝于擠出夾具33的擠出夾具套口412，該擠出夾具套口412的周圍設(shè)置有四個(gè)用于夾持電紡針頭42的電紡針頭夾口411，四個(gè)夾口呈圓形排列，以保證電紡針頭42與擠出針頭34的上述配置關(guān)系。

這樣，在X、Y軸方向上進(jìn)行打印時(shí)，就可以根據(jù)打印方向，啟動(dòng)擠出針頭34的在擠出針頭34相對(duì)于收集板5的運(yùn)動(dòng)方向上的后方的電紡針頭42，使納米纖維落在打印的生物墨水纖絲上，改變打印方向時(shí)就無(wú)需調(diào)整電紡針頭42的位置。

雖然如圖4a～圖4c所示的電紡針頭夾具41為圓盤狀，但是其截面形狀可以矩形(如圖4d所示)、十字形(如圖4e所示)等形狀。

靜電屏蔽網(wǎng)7是環(huán)繞在擠出針頭34周圍的一圈金屬網(wǎng)，可防止納米纖維被金屬的擠出針頭34吸引或者收集到擠出針頭34上。在Z軸方向上，靜電屏蔽網(wǎng)7的下端比擠出針頭34的頂端短5mm～10mm，以防止干擾擠出運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。

(復(fù)合生物3D打印裝置的打印方法)

以上詳細(xì)地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的3D打印裝置的具體結(jié)構(gòu)，以下將結(jié)合該3D打印裝置的具體結(jié)構(gòu)來(lái)詳細(xì)地說(shuō)明其采用的打印方法。

參考如圖5，該打印方法包括如下步驟：

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6對(duì)待打印對(duì)象進(jìn)行分層處理并逐層分析，得到每一層的截面的圖形。

進(jìn)一步地，將合適的材料分別配成生物墨水和靜電紡絲液，優(yōu)選地，生物墨水中可以加入細(xì)胞。

將生物墨水和靜電紡絲液分別加入到相應(yīng)的注射器中后，連接擠出延長(zhǎng)桿32以及擠出針頭34，通過(guò)軟管連接電紡針頭42與電紡液加載裝置44，并將電紡針頭42設(shè)置在電紡針頭夾具41上，同時(shí)電紡針頭42連接上高壓電源裝置45。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6根據(jù)待打印的對(duì)象的對(duì)應(yīng)一層的截面的圖形發(fā)出3D打印命令，X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22帶動(dòng)收集板5開(kāi)始在X方向上運(yùn)動(dòng)，將收集板5運(yùn)動(dòng)方向的相反方向定義為打印方向，擠出螺桿31在電機(jī)帶動(dòng)下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擠出延長(zhǎng)桿32旋轉(zhuǎn)并向下施壓，注射器中的生物墨水通過(guò)擠出針頭34變成纖絲被擠出，沉積在收集板5上；同時(shí)，電紡液加載裝置44開(kāi)始工作，為擠出針頭34在打印方向后方的電紡針頭42供料，高壓電源裝置45為電紡針頭42施加正高壓，為收集電極43施加負(fù)高壓；靜電紡絲液在正高壓的驅(qū)動(dòng)下在電紡針頭42處形成泰勒錐，進(jìn)一步鞭動(dòng)、拉伸、細(xì)化，同時(shí)揮發(fā)大多數(shù)溶劑變成納米纖維，受到收集電極43的吸引，該納米纖維沉積在生物墨水纖絲上，形成納米纖維層；繼續(xù)上述過(guò)程直至完成同一方向的打印。

然后，收集板5的運(yùn)動(dòng)方向改變，此時(shí)擠出針頭34相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相應(yīng)改變，電紡液加載裝置44和高壓電源裝置45同步改變?yōu)閿D出針頭34的在新運(yùn)動(dòng)方向的后方的電紡針頭42供料和施加電壓；重復(fù)上述步驟直至第一層數(shù)據(jù)完全打印完畢。

Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21上升一個(gè)生物墨水纖絲直徑的高度，然后收集板5的運(yùn)動(dòng)方向改變，重復(fù)與第一層類似的打印過(guò)程，完成第二層的打??；依次重復(fù)上述打印步驟，逐層累加后，即可得到復(fù)合3D打印組織工程支架或活細(xì)胞生物模型。

為了更具體地說(shuō)明本發(fā)明的復(fù)合3D打印裝置的打印方法，以下以采用本發(fā)明的復(fù)合生物3D打印裝置制備明膠生物墨水-聚乳酸納米纖維復(fù)合生物模型為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。該打印方法包括如下步驟：

S1：通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6對(duì)待打印對(duì)象進(jìn)行分層處理并逐層分析，得到每一層的截面的圖形，將4g明膠溶于50mlDMEM細(xì)胞培養(yǎng)基中制成8％(w/v)的溶液并同時(shí)加入5×106個(gè)/mL的小鼠成纖維細(xì)胞制成細(xì)胞懸液作為生物墨水；將8g聚乳酸溶于100mL的HFIP(六氟異丙醇)中，制成8％(w/v)的溶液作為靜電紡絲液，隨后將生物墨水轉(zhuǎn)移至1個(gè)50mL無(wú)菌BD注射器中，將紡絲液轉(zhuǎn)移至4個(gè)30mL無(wú)菌BD注射器中。

S2：裝載生物墨水的注射器設(shè)置在擠出夾具33中，連接上擠出延長(zhǎng)桿32以及擠出針頭34，擠出針頭34規(guī)格為34G，裝載靜電紡絲液的注射器設(shè)置在電紡液加載裝置44上，通過(guò)軟管連接電紡針頭42，電紡針頭42的規(guī)格為26G，將電紡針頭42設(shè)置在電紡針頭夾具41上，同時(shí)電紡針頭42連接高壓電源裝置45。

S3：調(diào)節(jié)Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)21，使擠出針頭34的頂端到收集板5的收集面5a的在Z軸方向上的距離為0.1mm；調(diào)節(jié)電紡針頭夾具41在擠出夾具33上的相對(duì)位置，使電紡針頭42的頂端到收集板5的收集面5a的在Z軸方向上的距離為5cm；在擠出夾具33的下端安裝靜電屏蔽網(wǎng)7，使得該靜電屏蔽網(wǎng)7完全環(huán)繞擠出針頭42，靜電屏蔽網(wǎng)7的下端位于擠出針頭34的頂端的上方且與擠出針頭34的頂端的最小垂直距離為8mm；調(diào)節(jié)擠出針頭34相對(duì)掃描速度(相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度)為2mm/s。

S4：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6根據(jù)待打印的對(duì)象的各層的截面的圖形發(fā)出3D打印命令，X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22開(kāi)始平面運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率為2mm/s，帶動(dòng)收集板5運(yùn)動(dòng)；擠出螺桿31在電機(jī)帶動(dòng)下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)擠出延長(zhǎng)桿32旋轉(zhuǎn)并向下施壓，生物墨水注射器中的生物墨水通過(guò)擠出針頭34變成生物墨水纖絲，擠出速率為1.5mL/h，該生物墨水纖絲沉積在與X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22剛性連接并同步運(yùn)動(dòng)的收集板5的收集面5a上；同時(shí)，電紡液加載裝置44開(kāi)始工作，為擠出針頭34相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向后方的電紡針頭42供料，供料速率為5mL/h；高壓電源裝置45為該電紡針頭42施加正高壓，正高壓為12kV，為收集電極43施加負(fù)高壓，負(fù)高壓為-1kV；紡絲液在正高壓的驅(qū)動(dòng)下在電紡針頭42上形成泰勒錐，進(jìn)一步鞭動(dòng)、拉伸、細(xì)化，同時(shí)揮發(fā)大多數(shù)溶劑變成納米纖維，受到收集電極43的吸引，沉積在生物墨水纖絲上，形成納米纖維層；繼續(xù)上述過(guò)程直至該方向的納米纖維完全包裹生物墨水纖絲。

S5：X-Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)22的運(yùn)動(dòng)方向改變，帶動(dòng)收集板5運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擠出針頭34相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向改變，電紡液加載裝置44和高壓電源裝置45同步改變，開(kāi)始為擠出針頭34的在新的運(yùn)動(dòng)方向上的后方的電紡針頭42供料和施加電壓；重復(fù)上述步驟直至第一層數(shù)據(jù)完全打印完畢，Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上升0.22mm，重復(fù)與第一層類似的打印過(guò)程，逐層累加后，即可得到所述復(fù)合3D打印組織工程支架或活細(xì)胞生物模型。

(材料及其它參數(shù))

在上述說(shuō)明的打印方法中，可以采用下述的材料制成生物墨水和靜電紡絲液，并且還可以進(jìn)行如下的參數(shù)設(shè)置。

在上述步驟S2中，適用于靜電紡絲的材料可以是聚乳酸、聚ε-己內(nèi)酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己內(nèi)酯與聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六環(huán)酮、聚酸酐中的一種或幾種按任意比例混合的混合物。這些材料具有良好的生物相容性，已被廣泛應(yīng)用于靜電紡絲和組織工程支架領(lǐng)域，制成納米纖維后，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔酶∮谏锬砻?，而不?huì)破壞生物墨水纖絲或液滴；同時(shí)這些材料具有一定的水不溶解性，不至于溶解于生物墨水。

在上述步驟S2中，適用于生物3D打印的材料可以是明膠、膠原、透明質(zhì)酸、殼聚糖、海藻酸鈉、絲素、纖維蛋白、果膠、淀粉及其衍生物、纖維素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種或幾種按任意比例混合的混合物。這些材料同樣具有良好的生物相容性，同時(shí)具有良好的水溶性，配置成生物墨水時(shí)可以直接將細(xì)胞加入其中而不會(huì)影響細(xì)胞的活性。

在上述步驟S2中，配置靜電紡絲液的溶劑是水、乙醇、甲醇、六氟異丙醇、丙酮、四氫呋喃、甲酸、醋酸、二氧六環(huán)、三氟乙酸中的任意濃度溶液或幾種按任意比例混合的混合溶液，在靜電紡絲的過(guò)程中，大部分有機(jī)溶劑在射流的鞭動(dòng)階段已經(jīng)揮發(fā)，殘留在收集的納米纖維內(nèi)部的溶劑量是十分微量的，不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成太多影響。

在上述步驟S2中，配置生物墨水的溶劑是水、鈣鹽水溶液、鎂鹽水溶液、細(xì)胞培養(yǎng)基、磷酸鹽緩沖液、硝酸鹽緩沖液、Tris緩沖液中的任意濃度溶液或幾種按任意比例混合的混合溶液，這些溶劑是配置細(xì)胞培養(yǎng)基的常用溶劑，可以保證細(xì)胞的正常生長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，生物墨水中還可加入細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的定點(diǎn)和有序分布。所使用的細(xì)胞選自但不限于成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞等。

在上述步驟S4中，為了可以正常的收集生物墨水纖絲，同時(shí)保證打印頭不會(huì)撞到收集板5，使得擠出針頭34的頂端到收集板5的收集面5a的在Z軸方向上的初始距離優(yōu)選為0.03mm～0.15mm，更優(yōu)選為0.1mm～0.15mm；為了保證納米纖維的拉伸細(xì)化以及定點(diǎn)收集，電紡針頭42的頂端到收集板5的收集面5a的在Z軸方向上的距離略小于傳統(tǒng)靜電紡絲中的極距，調(diào)節(jié)電紡針頭夾具41的位置，使電紡針頭42的頂端到收集板5的收集面5a的距離優(yōu)選為0.1cm～20cm，更優(yōu)選為1cm～10cm。

在上述步驟S4中，因?yàn)殡娂忈橆^42的頂端到收集板5的收集面5a的在Z軸方向上的距離減少，也相應(yīng)減少靜電紡絲電壓來(lái)達(dá)到合適的電場(chǎng)強(qiáng)度，本發(fā)明中靜電紡絲電壓優(yōu)選為5kV～30kV，更優(yōu)選為10kV～15kV；收集電極43采取和電紡針頭42電壓極性相反的電壓來(lái)得到類似“點(diǎn)到點(diǎn)”的電場(chǎng)線分布，收集電極43電壓優(yōu)選為0kV～5kV，更優(yōu)選1kV～3kV。

在上述步驟S5中，為得到完整的、連續(xù)的生物墨水纖絲，擠出針頭34的掃描速度優(yōu)選為0.1mm/s～5mm/s，更優(yōu)選為1.5mm/s～3mm/s，；擠出針頭34的擠出速率優(yōu)選為0.5mL/h～5mL/h，更優(yōu)選為1mL/h～3mL/h；電紡針頭42和擠出針頭34同步運(yùn)動(dòng)，電紡針頭42的掃描速度和擠出針頭34的掃描速度相同，電紡針頭42的擠出速率和靜電紡絲液的可紡性有關(guān)，可以基于不同的靜電紡絲液來(lái)選擇，電紡針頭42的注射速率優(yōu)選為0.1mL/h～10mL/h，更優(yōu)選為3mL/h～6mL/h。

在上述步驟S5中，擠出針頭34的內(nèi)徑?jīng)Q定了生物模型的層厚，即決定了生物模型的精度，為得到精度較高的生物模型，當(dāng)采用無(wú)菌的點(diǎn)膠針頭或不銹鋼針頭時(shí)，按照點(diǎn)膠針頭規(guī)格分類，擠出針頭34的規(guī)格優(yōu)選為30G～36G，更優(yōu)選為34G～36G；電紡針頭42的內(nèi)徑和靜電紡絲液的可紡性有關(guān)，可以基于不同的靜電紡絲液粘度來(lái)選擇，按照同樣的規(guī)格分類，電紡針頭42規(guī)格優(yōu)選為23G～30G，更優(yōu)選為23G～25G。

雖然在上述具體實(shí)施方式中對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，但是仍然需要說(shuō)明的是：

1.雖然在以上的具體實(shí)施方式中說(shuō)明了設(shè)置有多個(gè)(四個(gè))電紡針頭42，但是本發(fā)明不限于此。可以設(shè)置一個(gè)電紡針頭42或其它數(shù)量的多個(gè)電紡針頭42。

當(dāng)設(shè)置一個(gè)電紡針頭42時(shí)，在打印過(guò)程中需要調(diào)節(jié)電紡針頭42的位置，使電紡針頭42在擠出針頭34的打印方向的后方，這樣接收的納米纖維就可以落在擠出針頭34打印的生物墨水纖絲上。

當(dāng)設(shè)置其它數(shù)量的多個(gè)電紡針頭42時(shí)，同樣地，僅使得位于擠出針頭34的在打印方向的后方的電紡針頭42進(jìn)行靜電紡絲，其它電紡針頭42不工作。

雖然在以上的具體實(shí)施方式中說(shuō)明了電紡針頭42的軸線均與擠出針頭34的軸線平行，但是在本發(fā)明的技術(shù)方案中，電紡針頭42的軸線可以不與擠出針頭34的軸線平行。

2.雖然在以上的具體實(shí)施方式中沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明，但是優(yōu)選地，除夾持注射器的功能外，還可以在擠出夾具33內(nèi)部添加保溫墊或加熱墊，保證生物墨水的溫度，保證生物墨水中的細(xì)胞的存活率，延長(zhǎng)生物墨水可打印的時(shí)間。

3.雖然在以上的具體實(shí)施方式中沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明，但是優(yōu)選地，注射器采用標(biāo)準(zhǔn)的BD注射器，保證無(wú)菌的前提下便于更換。擠出針頭34要保證無(wú)菌和平頭兩個(gè)條件，這樣能夠避免生物墨水被感染并保證在各個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，擠出的生物墨水的量相同。

4.雖然在以上的具體實(shí)施方式中沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明，但是優(yōu)選地，擠出針頭34可以是平頭的點(diǎn)膠針頭、精密點(diǎn)膠針頭、不銹鋼針頭以及經(jīng)磨平尖端處理的上述針頭。電紡針頭42可以是平頭的不銹鋼針頭或經(jīng)磨平尖端處理的不銹鋼針頭，方便電壓的施加以及泰勒錐的形成。

5.另外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案還包括以下有益效果：

通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物墨水和細(xì)胞的精確定點(diǎn)沉積，可根據(jù)病患的實(shí)際情況和細(xì)胞的生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)具有合適的形狀、孔隙的組織工程支架或活細(xì)胞生物模型，同時(shí)利用本發(fā)明公開(kāi)的裝置和機(jī)構(gòu)，在打印的過(guò)程中即可在每根生物墨水纖絲表面形成納米纖維層，納米纖維層的存在可以使呈半流態(tài)的生物墨水固定，無(wú)需后續(xù)的交聯(lián)和固化處理，避免交聯(lián)和固化處理對(duì)生物墨水的生物相容性的影響以及對(duì)生物墨水內(nèi)部的細(xì)胞的傷害。

通過(guò)本發(fā)明公開(kāi)的裝置和方法，可以降低對(duì)生物墨水固化性能的要求，大大拓寬了生物墨水的選材范圍，同時(shí)細(xì)胞在半流態(tài)的生物墨水中間更易移動(dòng)和遷移。在單根生物墨水纖絲上結(jié)合納米纖維層，實(shí)現(xiàn)了納米纖維和生物墨水在更精細(xì)尺度上的結(jié)合，納米纖維的存在可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附、遷移和生長(zhǎng)，提高了3D打印組織工程支架和活細(xì)胞生物模型的活性。本發(fā)明公開(kāi)的復(fù)合3D打印裝置和打印方法有望提高3D打印技術(shù)在組織工程、醫(yī)療以及體外診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。