基于靜電紡絲與噴霧的3d打印制備功能梯度涂層的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及組織工程技術(shù)，特別是涉及基于靜電紡絲與噴霧的3D打印制備功能梯度涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的3D打印機是基于噴墨打印機的原理而開發(fā)的，其使用一個連續(xù)噴墨噴頭，選擇性地在粉末材料層上噴射沉積液體粘結(jié)劑來粘結(jié)粉末，可由有序印刷的二維粉末層堆積形成三維結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)因其在復雜微三維結(jié)構(gòu)制造過程中制造成本低、制造過程靈活等特點已被廣泛應用于微小結(jié)構(gòu)的制造，特別在生物醫(yī)學的組織工程領域，因其能夠?qū)崿F(xiàn)個性化的結(jié)構(gòu)成型而更具獨特優(yōu)勢。
[0003]在組織工程技術(shù)中，如何修復或者替換人體軟骨是當前研究的熱點。軟骨仿生支架采用的材料是一種具有梯度結(jié)構(gòu)的功能材料，不同的結(jié)構(gòu)層根據(jù)其特性具有各自獨特的功能:多孔表層強度較低，但能吸收釋放關節(jié)滑液，起到減磨作用；中間層具有一定的強韌性，能承受沖擊和吸收震蕩；底層發(fā)生鈣化，能與人體骨形成牢固的生物鏈接。這種多層結(jié)構(gòu)優(yōu)化了關節(jié)軟骨整體生物力學性質(zhì)。
[0004]肌腱作為一種軟骨，是肌肉與骨骼的連接載體，其能夠?qū)崿F(xiàn)運動及力的傳遞。肌腱與骨頭的連接部位(腱-骨交界組織)是一個復雜的梯度結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分四層(肌腱，非鈣化軟骨，鈣化軟骨，骨骼)，由軟組織漸變?yōu)橛步M織，在生物學中是一個功能梯度組織結(jié)構(gòu)。該組織在肌腱與骨骼的連接中起到至關重要的作用，可以將力從肌腱傳遞到骨骼，同時減少應力集中，并支持不同種細胞間的生物聯(lián)系，因此，眾多學者都在致力于仿生功能梯度結(jié)構(gòu)的可替換研究。
[0005]目前，針對腱-骨交界組織的仿生制造方法有很多，代表性的有XiaoranLi等人采用的滲透法，在納米纖維結(jié)構(gòu)上通過滲透的方法在納米纖維膜的表層以及底層滲透鈣磷酸鹽，形成具有梯度結(jié)構(gòu)的涂層，但是此種方法成型過程比較費時且只能在表層及底層呈現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)；Cevat Erisken等人采用雙螺旋擠出機構(gòu)制造功能梯度涂層,此方法是采用雙螺旋擠出機構(gòu)把三鈣磷酸鹽(β-TCP)分散到聚合物聚己內(nèi)酯(PLC)中從而形成功能梯度結(jié)構(gòu)，但是此雙螺旋機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜且不易操作；Satyavrata Samavedi等人通過混合靜電紡絲的方法獲得了梯度涂層結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)制作工藝簡單，生物相容性好，但是此種方法目前只生成了 3層的梯度結(jié)構(gòu)，遠不能滿足多層功能梯度涂層的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，有必要針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種基于靜電紡絲與噴霧的3D打印制備功能梯度涂層的方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于靜電紡絲與噴霧的3D打印制備功能梯度涂層的方法，該方法采用一種基于靜電紡絲和噴霧的混合型3D打印系統(tǒng)，該混合型3D打印系統(tǒng)包括:
[0008]第一注射泵、第二注射泵、第一噴嘴、第二噴嘴、高壓電源、芯棒收集器、控制器、電機和變速器；其中，所述第一注射泵、所述第一噴嘴、所述高壓電源、所述芯棒收集器和所述控制器構(gòu)成靜電紡絲子系統(tǒng)，該靜電紡絲子系統(tǒng)利用所述高壓電源產(chǎn)生第一高壓靜電場，使得從所述第一噴嘴噴射出的第一物料在該第一高壓靜電場的作用下形成物料細絲，所述芯棒收集器收集該物料細絲從而形成第一物料涂層；所述第二注射泵、所述第二噴嘴、所述高壓電源、所述芯棒收集器和所述控制器形成靜電噴霧子系統(tǒng)，該靜電噴霧子系統(tǒng)利用所述高壓電源產(chǎn)生第二高壓靜電場，使得從所述第二噴嘴噴射出的第二物料在該第二高壓靜電場的作用下定向運動，所述芯棒收集器收集該第二物料從而形成第二物料涂層；
[0009]所述方法包括以下步驟:
[0010]i)通過所述控制器控制所述靜電紡絲子系統(tǒng)生成所述第一物料涂層；
[0011]ii)通過所述控制器控制所述靜電噴霧子系統(tǒng)生成所述第二物料涂層。
[0012]在其中一個實施例中，所述第二物料為無機鹽，通過所述靜電噴霧子系統(tǒng)形成無機鹽涂層。
[0013]在其中一個實施例中，所述方法包括:使所述步驟i)重復進行兩次或兩次以上，和/或使所述步驟ii)重復進行兩次或兩次以上。
[0014]在其中一個實施例中，每個所述步驟i)與每個所述步驟ii)同時進行或先后進行。
[0015]在其中一個實施例中，所述步驟i)包括:
[0016]配制所述第一物料；
[0017]將配制好的所述第一物料裝入所述第一注射泵；
[0018]在所述控制器中設置用于靜電紡絲過程中的第一控制參數(shù)設定值，所述第一控制參數(shù)包括選自以下各項中的一項或多項:第一物料進給速度、紡絲時間、第一噴嘴電壓、第一噴嘴與芯棒收集器之間的距離，芯棒收集器旋轉(zhuǎn)速度；
[0019]所述控制器根據(jù)所述第一控制參數(shù)設定值對各第一控制參數(shù)進行調(diào)整；
[0020]在所述第一噴嘴和所述芯棒收集器之間進行紡絲，在所述芯棒收集器上生成所述第一物料涂層。
[0021]在其中一個實施例中，所述步驟ii)包括:
[0022]配制所述第二物料；
[0023]將配制好的所述第二物料裝入所述第二注射泵；
[0024]在所述控制器中設置用于靜電噴霧過程中的第二控制參數(shù)設定值，所述第二控制參數(shù)包括選自以下各項中的一項或多項:第二物料進給速度、噴霧時間、第二噴嘴電壓、第二噴嘴與芯棒收集器之間的距離，芯棒收集器旋轉(zhuǎn)速度；
[0025]所述控制器根據(jù)所述第二控制參數(shù)設定值對各第二控制參數(shù)進行調(diào)整；
[0026]在所述芯棒收集器上進行噴霧生成所述第二物料涂層。
[0027]在其中一個實施例中，所述方法還包括:在功能梯度涂層的制造過程中，在控制器中實時改變靜電紡絲和/或靜電噴霧子系統(tǒng)工作過程中的第一和/或第二控制參數(shù)。
[0028]在其中一個實施例中，所述第一物料為聚合物，通過所述靜電紡絲子系統(tǒng)形成聚合物涂層。
[0029]在其中一個實施例中，所述第二物料為無機鹽，通過所述靜電噴霧子系統(tǒng)形成無機鹽涂層。
[0030]在其中一個實施例中，所述靜電紡絲子系統(tǒng)和所述靜電噴霧子系統(tǒng)各自獨立工作、交替工作或同時工作。
[0031]在其中一個實施例中，當所述靜電紡絲子系統(tǒng)和所述靜電噴霧子系統(tǒng)同時工作時，生成的所述第一涂層和所述第二涂層結(jié)合形成混合材料涂層；在制備過程中，通過控制器實時改變靜電紡絲和靜電噴霧子系統(tǒng)工作過程中的第一和第二控制參數(shù)，形成多個混合材料涂層；將該多個混合材料涂層疊加組合成功能梯度涂層。
[0032]上述基于靜電紡絲與噴霧的3D打印制備功能梯度涂層的方法，既可以實現(xiàn)無機鹽如羥基磷灰石(HA)的噴霧打印，也可以實現(xiàn)聚合物如聚己內(nèi)酯(PCL)的靜電紡絲，從而實現(xiàn)功能梯度涂層的制造。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，簡化了功能梯度涂層制造的工藝流程，并且能夠根據(jù)個性化需要制造多層的功能梯度涂層。
【附圖說明】
[0033]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的基于靜電紡絲和噴霧的混合型3D打印系統(tǒng)的不意圖；
[0034]圖2為靜電紡絲過程示意圖；
[0035]圖3為靜電噴霧過程示意圖；
[0036]圖4a_4e為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的基于靜電紡絲和噴霧的混合型3D打印系統(tǒng)根據(jù)不同打印參數(shù)打印成型的具有不同物化性質(zhì)的混合材料涂層的掃描電鏡圖；
[0037]圖5為圖4a_4e所示功能梯度涂層的含鈣量分析圖；
[0038]圖6為圖4a_4e所示功能梯度涂層組成功能梯度結(jié)構(gòu)的疊層分解示意圖。
【具體實施方式】
[0039]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
[0040]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中的基于靜電紡絲和噴霧的混合型3D打印系統(tǒng)的示意圖。該混合型3D打印系統(tǒng)包括:第一注射泵21、第二注射泵22、第一噴嘴31、第二噴嘴32、高壓電源4、芯棒收集器5、控制器1、電機6和變速器7。其中，第一注射泵21、第一噴嘴31、高壓電源4、芯棒收集器5和控制器I構(gòu)成靜電紡絲子系統(tǒng)；第二注射泵22、第二噴嘴32、高壓電源4、芯棒收集器5和控制器I形成靜電噴霧子系統(tǒng)。
[0041]靜電紡絲子系統(tǒng)制造物