CN104441654A - 一种三维生物打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维生物打印装置及方法，其中，三维生物打印装置包括打印喷头、第一温控模块、辅料喷头、成形平台和半导体制冷片；打印喷头用于装入溶胶态的温敏型材料溶液，并将所述材料溶液喷出打印至所述成形平台上；所述第一温控模块设置在所述打印喷头的外围，用于对所述材料溶液保温处理；所述成形平台底部设置所述半导体制冷片；所述辅料喷头用于装入化学交联剂，并将所述化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。打印时，待喷完一层溶胶态的材料溶液后，再将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。本发明三维生物打印装置及方法，打印的三维结构分层效果较好，结构较稳定。
Description
【技术领域】
本发明涉及组织工程中的三维打印技术，特别是涉及一种三维生物打印装置及方法。
【背景技术】
生物三维打印技术是利用三维打印的原理和方法将生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料)或细胞溶液打印成为设计的三维结构体，其中细胞溶液作为打印材料的技术又称为细胞三维打印技术。目前实现生物三维打印的方法包括：喷墨打印技术、基于激光技术的打印以及基于挤压(快速成形)的打印方法。其中，基于挤压的打印技术是目前最适合于构建复杂的三维结构的技术。
在打印过程中，如何使得材料固化是生物三维打印过程中的重要步骤，即如何使得挤出溶胶态材料完成从溶胶态到凝胶态的转变。溶胶凝胶的转变机理包括：物理交联、化学交联(离子交联和共价键交联)以及光照交联。
目前，通过物理交联的方式实现的固化，一般是利用温敏型水凝胶在低温条件下实现凝胶化，因此需将材料喷射至低温的成形环境，一般为一个封闭的低温冰箱内，这种冰箱一般采用蒸汽压缩制冷机组，导致成形室的体积较大，整个装置体积较大，成本较高。
通过化学交联的方式实现的固化，是利用化学交联剂使打印材料从溶胶态转变为凝胶态。打印时，将溶胶态的打印材料喷射至盛有交联剂溶液的容器中，使打印材料在化学交联剂溶液中转变为凝胶态，最终成形。这种固化方式下，成型的结构不够稳定，难以成型高度较高的多层三维结构。
另外，为加强固化成形效果，也有提出将物理交联方式和化学交联方式相结合的方案。一般是先采用前述物理交联方式固化成形得到三维结构，然后将三维结构放入盛有化学交联剂溶液的容器中进行化学交联，结合化学交联加强固化效果。但这种方式下，虽然加强了固化效果，但是三维结构在转移的过程中容易受到污染，如果是细胞三维结构，则细胞存活率较低，对于细胞三维打印非常不利。
上述各方式下的固化打印，除各自的缺点之外，还有就是不适合打印需要较好分层效果的三维生物结构，因为上述各打印固化得到的三维结构分层效果均不太好，结构稳定性难以保证。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种三维生物打印装置及方法，打印的三维结构分层效果较好，结构较稳定，且相对传统的物理交联下的固化打印方式，装置的体积也较小。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种三维生物打印装置，包括打印喷头、第一温控模块、辅料喷头、成形平台和半导体制冷片；所述打印喷头用于装入溶胶态的温敏型材料溶液，并将所述材料溶液喷出打印至所述成形平台上；所述第一温控模块设置在所述打印喷头的外围，用于对所述材料溶液保温处理；所述成形平台底部设置所述半导体制冷片；所述辅料喷头用于装入化学交联剂，并将所述化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。
一种三维生物打印方法，包括以下步骤：首先将溶胶态的材料溶液喷出打印至成形平台上，待喷完一层所述材料溶液后，再将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上，待当层材料溶液固化后再进行下一层材料溶液的打印；重复上述步骤，逐层打印逐层固化后得到多层三维结构。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的三维生物打印装置，直接在成形平台底部设置半导体制冷片，为温敏型材料溶液提供低温环境，实现物理交联固化。同时，设置辅料喷头，将化学交联剂以喷雾状形式喷在一层材料溶液上，实现快速的化学交联固化。打印过程中，每打印一层材料溶液即喷射一次化学交联剂，当层材料经过物理和化学交联实现稳固固化后再打印下一层材料，从而各层结构均较稳定，最终打印出的三维结构分层效果好，整体结构稳定，适宜于打印成形高度较高的多层三维结构。打印装置中仅需对单层材料提供低温环境，因此无需体积较大的低温冰箱或者其它复杂的低温供应装置，从而整体装置体积较小，成本也较低。
【附图说明】
图1是本发明具体实施方式中的三维生物打印装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中的三维生物打印装置的工作流程示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为本具体实施方式的三维生物打印装置的结构示意图。三维生物打印装置，包括打印喷头1、第一温控模块2、辅料喷头7、成形平台3和半导体制冷片4。
其中，打印喷头1中填充装入溶胶态的温敏型材料溶液，将其喷出打印至成形平台3上。如打印支架类三维结构，打印喷头1内装入生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料)水凝胶。如打印细胞类三维结构，打印喷头1内装入细胞类材料水凝胶。图中所示5为打印后固化的成型材料。第一温控模块2设置在打印喷头1的外围，用于对材料溶液保温处理，使材料溶液在喷出前保持流动的溶胶态。成形平台3底部设置半导体制冷片4，用于对成形平台3上的打印成形空间进行局部制冷，提供局部制冷环境。辅料喷头7中填充装入化学交联剂(为离子交联剂或者促使发生共价交联的交联剂)，并将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至成形平台3上的一层所述材料溶液上。通过喷雾状形式喷出，使交联剂与材料溶液快速均匀结合，使交联剂得到充分利用，且提高材料溶液的化学固化效率。
其中，辅料喷头7的结构如图1所示，包括喷头本体和喷嘴701。喷嘴701为漏斗状，且圆形底部上设置有多个均匀分布的开孔。喷嘴701设置成漏斗状，可大幅提升喷射效率。喷头本体由步进电机驱动喷出所述化学交联剂，由步进电机驱动可以精确控制喷出的化学交联剂的量，从而使化学交联剂得到充分有效的使用。
优选地，喷嘴7的圆形底部的面积大于待打印成型的三维结构的横截面面积，从而喷射化学交联剂时，喷射一次即可全面覆盖当层材料溶液的表面，提高化学固化成型的效率。进一步地，喷头本体与喷嘴701之间可拆卸连接，喷嘴701根据待打印的三维结构的大小灵活更换，确保其底部面积大于三维结构的横截面面积，从而喷射时，可全面覆盖材料溶液的表面。
如图2所示，为三维生物打印装置工作时的状态示意图。打印工作时，打印喷头1将温敏型材料溶液喷出打印至成形平台3上后，温敏型材料在半导体制冷片提供的局部低温环境中由溶胶态转变为凝胶态，实现物理固化。当打印喷头1打印完一层材料溶液后，喷嘴7移至材料溶液上方，以喷雾状形式喷出一定量的交联剂在材料溶液上。材料溶液在交联剂的作用下发生化学交联，实现化学交联固化。
优选地，材料溶液为细胞类材料溶液，所述辅料喷头7中的化学交联剂中还混有细胞培养液。相应地，三维生物打印装置还包括第二温控模块6，第二温控模块6设置在辅料喷头7的外围，用于对辅料喷头7内的交联剂和细胞培养液进行保温处理，使细胞培养液处于适宜的温度下，保持活性。细胞培养液的具体成分可根据具体打印的三维结构中的细胞确定，提供相适应的细胞营养物质即可。当与化学交联剂一起喷出至成形平台上的细胞材料溶液的表面时，细胞培养液为细胞材料提供营养物质，有效提高细胞材料中的细胞的存活率。尤其对于体积较大，成型时间较长的三维细胞结构更为有效。
本具体实施方式的三维生物打印装置，打印喷头与辅料喷头交替工作，当打印完一层材料溶液后喷涂一次交联剂溶液，这样，在低温条件下进行物理交联的同时，还可以进行化学交联，通过物理交联和化学交联双重固化成型，使材料固化好后再打印下一层材料，从而各层结构均较稳定，最终打印出的三维结构分层效果好，整体结构稳定，适宜于打印成形高度较高的多层三维结构。特别地，当针对细胞三维打印时，创新性的引入细胞培养液到打印过程中，从而有效提高细胞的存活率。辅料喷头中的化学交联剂混入细胞培养液，从而喷出至细胞材料表面后为细胞提供营养物质，有效提高三维成型结构中的细胞存活率。本具体实施方式的三维生物打印装置，打印一层即进行固化，逐层打印逐层固化，实现物理固化时，仅需对单层材料提供低温环境，因此无需体积较大的低温冰箱或者其它复杂的低温供应装置，从而整体装置体积较小，成本也较低。
本具体实施方式还提供一种三维生物打印方法，包括以下步骤：首先将溶胶态的材料溶液喷出打印至成形平台上，待喷完一层所述材料溶液后，再将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上，待当层材料溶液固化后再进行下一层材料溶液的打印；重复上述步骤，逐层打印逐层固化后得到多层三维结构。通过这种打印方法，可得到分层效果好，整体结构稳定的多层三维结构，适宜于打印成形高度较高的多层三维结构。
优选地，当所述材料溶液为细胞类材料溶液时，所述化学交联剂中还混有细胞培养液；所述化学交联剂和所述细胞培养液在保温的状态下喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上，从而除辅助提供化学交联剂实现化学交联固化外，还可针对细胞三维打印提供细胞培养液，有效提高三维结构中的细胞的存活率。
进一步优选地，化学交联剂一次性喷出，覆盖整层所述材料溶液的表面。这样，一方面可简化打印的控制过程，每层打印时仅增加一步，控制辅料喷头一次性喷出辅助溶液；另一方面，可提高打印喷射的效率，提高化学交联固化阶段的效率，进而提高整体三维结构的打印成型效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维生物打印装置，其特征在于：包括打印喷头、第一温控模块、辅料喷头、成形平台和半导体制冷片；所述打印喷头用于装入溶胶态的温敏型材料溶液，并将所述材料溶液喷出打印至所述成形平台上；所述第一温控模块设置在所述打印喷头的外围，用于对所述材料溶液保温处理；所述成形平台底部设置所述半导体制冷片；所述辅料喷头用于装入化学交联剂，并将所述化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。
2.根据权利要求1所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述材料溶液为细胞类材料溶液，所述化学交联剂中还混有细胞培养液；所述三维生物打印装置还包括第二温控模块，所述第二温控模块设置在所述辅料喷头的外围，用于对所述辅料喷头内的所述交联剂和所述细胞培养液进行保温处理。
3.根据权利要求1所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述辅料喷头包括喷头本体和喷嘴；所述喷嘴为漏斗状，且圆形底部上设置有多个均匀分布的开孔。
4.根据权利要求3所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述喷嘴的圆形底部的面积大于待打印成型的三维结构的横截面面积。
5.根据权利要求3所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述喷头本体由步进电机驱动，从而喷出所述化学交联剂。
6.根据权利要求3所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述喷头本体与所述喷嘴之间可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述材料溶液为生物材料水凝胶或细胞材料水凝胶。
8.一种三维生物打印方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将溶胶态的材料溶液喷出打印至成形平台上，待喷完一层所述材料溶液后，再将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上，待当层材料溶液固化后再进行下一层材料溶液的打印；重复上述步骤，逐层打印逐层固化后得到多层三维结构。
9.根据权利要求8所述的三维生物打印方法，其特征在于：当所述材料溶液为细胞类材料溶液时，所述化学交联剂中还混有细胞培养液；所述化学交联剂和所述细胞培养液在保温的状态下喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。
10.根据权利要求8所述的三维生物打印装置，其特征在于：所述化学交联剂一次性喷出，覆盖整层所述材料溶液的表面。
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