本發(fā)明涉及生物組織工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種復(fù)合生物材料3d打印系統(tǒng)及打印方法。

背景技術(shù)：

組織工程是融合工程學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科，通過(guò)模仿人體組織器官形成的過(guò)程在體外構(gòu)建和培養(yǎng)具有生物活性的結(jié)構(gòu)體。這其中，3d打印技術(shù)因?yàn)槠淇墒褂枚喾N材料成型任何復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，成為組織工程領(lǐng)域最有力的研究手段。3d打印技術(shù)的原理就是分層制造，層層累積。傳統(tǒng)的細(xì)胞打印噴頭就是將細(xì)胞與生物材料混合后并擠出形成一條絲線狀，在多次往復(fù)形成面，面的堆積繼而形成相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)。這其中典型的噴頭就是電機(jī)助推式噴頭。

圖1是傳統(tǒng)的電機(jī)助推式噴頭三維結(jié)構(gòu)剖分示意圖，直線步進(jìn)電機(jī)固定在運(yùn)動(dòng)裝置支架上，螺桿在直線步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下可對(duì)噴頭內(nèi)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(nèi)的成形材料保持設(shè)定的溫度。

此種設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單可靠，但是也有以下不足之處：1)打印結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能不佳，與細(xì)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(xué)性能較弱，在打印出來(lái)后在培養(yǎng)液中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的浸泡甚至不能拿出來(lái)檢測(cè)；2)細(xì)胞活性不高，傳統(tǒng)的打印噴頭通過(guò)電機(jī)助推擠出，這種體積式的控制方法對(duì)細(xì)胞通過(guò)狹小噴嘴時(shí)產(chǎn)生極大的剪切力，造成細(xì)胞膜的破裂與死亡；3)為了使相關(guān)材料具有一定的成型性能，明膠等混合細(xì)胞的生物材料使用的濃度較高，在這種情況下，細(xì)胞在其中的遷徙和增殖造成困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，提供一種復(fù)合生物材料3d打印系統(tǒng)，所述3d打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可以實(shí)現(xiàn)多種材料和細(xì)胞的準(zhǔn)確成型。

本發(fā)明的另一目的在于提供所述復(fù)合生物材料的打印方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種復(fù)合生物材料3d打印系統(tǒng)，其中，包括第一料筒和第二料筒，所述第一料筒下方設(shè)有用于產(chǎn)生連續(xù)狀態(tài)的增強(qiáng)纖維的靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置包括設(shè)在第一料筒底部的高電壓噴嘴以及設(shè)在高電壓噴嘴下方的接地環(huán)，這樣高電壓噴嘴和接地環(huán)之間就會(huì)形成電場(chǎng)，所述接地環(huán)下方設(shè)有混合噴嘴，所述第二料筒與所述混合噴嘴之間設(shè)有轉(zhuǎn)接管，所述轉(zhuǎn)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于生成連續(xù)狀態(tài)靜電紡絲纖維的生物合成高分子材料溶液，由于高電壓噴嘴和接地環(huán)之間形成有電場(chǎng)，基于靜電紡絲原理，生物合成高分子材料溶液通過(guò)高電壓噴嘴形成微米級(jí)的射流，也就是最終的連續(xù)狀態(tài)的靜電紡絲纖維，然后經(jīng)接地環(huán)進(jìn)入混合噴嘴，生物合成高分子材料具有良好的力學(xué)性能，其生成的連續(xù)狀態(tài)靜電紡絲纖維在復(fù)合生物材料中起到骨架支撐作用；所述第二料筒中盛裝用于生成生物活性材料的細(xì)胞和生物天然高分子材料混合液，包括細(xì)胞的生物天然高分子材料具有良好的生物相容性，能為細(xì)胞提供合適的生存微環(huán)境，該混合液經(jīng)轉(zhuǎn)接管進(jìn)入混合噴嘴，包裹在從第一料筒中出來(lái)的靜電紡絲纖維外圍，最后兩者一起從混合噴嘴中噴出。

進(jìn)一步的，所述第一料筒和第二料筒外圍分別設(shè)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(nèi)部提供最合適的溫度環(huán)境，以保證第一料筒和第二料筒中盛裝的材料及細(xì)胞的最佳活性。

進(jìn)一步的，所述第一溫控裝置包括設(shè)在所述第一料筒外壁上的第一加熱環(huán)和包覆在所述第一加熱環(huán)、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(shè)在所述第二料筒外壁上的第二加熱環(huán)和包覆在所述第二加熱環(huán)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(shè)有獨(dú)立的加熱環(huán)和保溫層，因此，第一料筒和第二料筒內(nèi)部的溫度是獨(dú)立控制的，也就是說(shuō)，所述第一溫控裝置和第二溫控裝置是相互獨(dú)立控制的。

進(jìn)一步的，所述高電壓噴嘴與所述接地環(huán)之間的距離為3-30mm。

進(jìn)一步的，所述第一料筒和第二料筒中盛裝的料液的推動(dòng)方式為高壓氣體推動(dòng)。

本發(fā)明還提供一種復(fù)合生物材料的3d打印方法，其中，包括以下步驟：

s1.選擇合適的生物合成高分子材料制成溶液，裝入第一料筒中備用，選擇合適的細(xì)胞和生物天然高分子材料，按照合適的比例配比，制成細(xì)胞混合液，裝入第二料筒中備用；

s2.開(kāi)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(shè)置在合適的檔位；

s3.啟動(dòng)控制程序，使3d打印系統(tǒng)開(kāi)始工作，基于靜電紡絲原理，第一料筒中的生物合成高分子材料溶液通過(guò)高電壓噴嘴形成微米級(jí)的射流，然后經(jīng)接地環(huán)進(jìn)入混合噴嘴，同時(shí)，第二料筒中的細(xì)胞混合液經(jīng)由轉(zhuǎn)接管進(jìn)入到混合噴嘴中，并包圍在生物合成高分子材料溶液形成的微米級(jí)射流周圍；

s4.生物合成高分子材料溶液和細(xì)胞混合液經(jīng)由混合噴嘴噴出，形成含靜電紡絲纖維的生物復(fù)合材料。

進(jìn)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(xì)胞為脂肪干細(xì)胞、骨髓充間質(zhì)干細(xì)胞、心肌細(xì)胞、雪旺細(xì)胞、肝細(xì)胞和癌細(xì)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(zhì)酸和殼聚糖等中的任意一種或兩種以上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的3d打印系統(tǒng)設(shè)置了第一料筒和第二料筒，并在第一料筒底部設(shè)置了高電壓噴嘴和接地環(huán)，第一料筒中具有良好力學(xué)性能的生物合成高分子材料溶液，第二料筒中盛裝細(xì)胞和生物天然高分子材料的混合液，基于靜電紡絲技術(shù)和高壓氣動(dòng)技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種材料和細(xì)胞的準(zhǔn)確成形，進(jìn)一步提高成型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使得生物合成高分子材料良好的力學(xué)性能與生物天然高分子材料良好的生物相容性得到結(jié)合，提高打印結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能和細(xì)胞活性，并且可有力促進(jìn)細(xì)胞的附著、遷徙和增殖。

本發(fā)明的3d打印系統(tǒng)使用高壓氣體推動(dòng)細(xì)胞混合液擠出，是壓力式控制，能將影響細(xì)胞活性的剪切力減弱至最小，大大提高細(xì)胞的成型后的活性，并且氣動(dòng)噴涂的精度高和響應(yīng)速度快。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)電機(jī)助推式噴頭三維結(jié)構(gòu)剖分示意圖。

圖2是本發(fā)明含靜電紡絲纖維的生物復(fù)合材料的效果圖。

圖3是本發(fā)明含靜電紡絲纖維的生物復(fù)合材料的橫截面示意圖。

圖4是本發(fā)明3d打印噴頭的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：201—螺桿；202—直線步進(jìn)電機(jī)；203—加熱棒；204—隔熱外套；205—噴嘴；601—生物天然高分子材料；602—細(xì)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(huán)；5—混合噴嘴；6—轉(zhuǎn)接管；7—第一加熱環(huán)；8—第一保溫層；9—第二加熱環(huán)；10—第二保溫層。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好說(shuō)明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關(guān)系僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制。

實(shí)施例1

如圖4所示，一種復(fù)合生物材料3d打印系統(tǒng)，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(shè)有用于產(chǎn)生連續(xù)狀態(tài)的增強(qiáng)纖維的靜電紡絲裝置，所述靜電紡絲裝置包括設(shè)在第一料筒1底部的高電壓噴嘴3以及設(shè)在高電壓噴嘴3下方的接地環(huán)4，這樣高電壓噴嘴3和接地環(huán)4之間會(huì)形成電場(chǎng)，所述接地環(huán)4下方設(shè)有混合噴嘴5，所述第二料筒2與所述混合噴嘴5之間設(shè)有轉(zhuǎn)接管6，所述轉(zhuǎn)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中盛裝用于生成連續(xù)狀態(tài)靜電紡絲纖維的生物合成高分子材料603溶液，由于高電壓噴嘴3和接地環(huán)4之間形成有電場(chǎng)，基于靜電紡絲原理，生物合成高分子材料603溶液通過(guò)高電壓噴嘴3形成微米級(jí)的射流，也就是最終的連續(xù)狀態(tài)的靜電紡絲纖維，然后經(jīng)接地環(huán)4進(jìn)入混合噴嘴5，生物合成高分子材料603具有良好的力學(xué)性能，其生成的連續(xù)狀態(tài)靜電紡絲纖維在復(fù)合生物材料中起到骨架支撐作用；所述第二料筒2中盛裝用于生成生物活性材料的細(xì)胞602和生物天然高分子材料601混合液，包括細(xì)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(xì)胞602提供合適的生存微環(huán)境，該混合液經(jīng)轉(zhuǎn)接管6進(jìn)入混合噴嘴5，包裹在從第一料筒1中出來(lái)的靜電紡絲纖維外圍，最后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(shè)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(nèi)部提供最合適的溫度環(huán)境，以保證第一料筒1和第二料筒2中盛裝的材料及細(xì)胞的最佳活性。

如圖4所示，所述第一溫控裝置包括設(shè)在所述第一料筒1外壁上的第一加熱環(huán)7和包覆在所述第一加熱環(huán)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(shè)在所述第二料筒2外壁上的第二加熱環(huán)9和包覆在所述第二加熱環(huán)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(shè)有獨(dú)立的加熱環(huán)和保溫層，因此，第一料筒1和第二料筒2內(nèi)部的溫度是獨(dú)立控制的，也就是說(shuō)，所述第一溫控裝置和第二溫控裝置是相互獨(dú)立控制的。

本實(shí)施中，所述高電壓噴嘴3與所述接地環(huán)4之間的距離為3-30mm。

本實(shí)施中，所述第一料筒1和第二料筒2中盛裝的料液的推動(dòng)方式為高壓氣體推動(dòng)。

實(shí)施例2

一種復(fù)合生物材料的3d打印方法，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，將聚氨酯溶于四乙二醇制成濃度為5%（w/v)的溶液，裝入第一料筒1中備用，選擇脂肪干細(xì)胞作為細(xì)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于dmem溶液中，質(zhì)量濃度為0.1%（w/v），將脂肪干細(xì)胞混合到纖維蛋白原溶液中，密度為1×10⁶個(gè)/ml，其中加入內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子（50ng/ml），制成細(xì)胞混合液，裝入第二料筒2中備用；

s2.開(kāi)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(shè)置在合適的檔位；

s3.啟動(dòng)控制程序，使3d打印系統(tǒng)開(kāi)始工作，基于靜電紡絲原理，第一料筒（1）中的生物合成高分子材料603溶液通過(guò)高電壓噴嘴3形成微米級(jí)的射流，然后經(jīng)接地環(huán)4進(jìn)入混合噴嘴5，同時(shí)，第二料筒2中的細(xì)胞混合液經(jīng)由轉(zhuǎn)接管6進(jìn)入到混合噴嘴5中，并包圍在生物合成高分子材料603溶液形成的微米級(jí)射流周圍；

s4.生物合成高分子材料603溶液和細(xì)胞混合液經(jīng)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復(fù)合生物材料。

本實(shí)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(xì)胞602可以是脂肪干細(xì)胞、骨髓充間質(zhì)干細(xì)胞、心肌細(xì)胞、雪旺細(xì)胞、肝細(xì)胞和癌細(xì)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(zhì)酸和殼聚糖等中的任意一種或兩種以上。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為了清楚地說(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)。