CN106827496A - 复合生物3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术与生物组织培养领域，更具体地涉及一种复合生物3D打印装置及其打印方法。所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，其包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，其包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，其具有用于收集生物墨水纤丝和静电纺丝纳米纤维的收集面。该复合生物3D打印装置及其采用的打印方法能够实现在单根生物墨水纤丝上包裹静电纺丝纳米纤维，在更为精细的尺度(例如纳米级)上将生物墨水纤丝和纳米纤维结合起来，最终实现精密的三维结构，同时解决了现有生物墨水的固化方式不利于细胞迁移生长的问题。

Description

复合生物3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术与生物组织培养领域，更具体地涉及一种复合生物3D打印装置及其打印方法。

背景技术

增材制造技术是一种自下而上的、通过层层累积得到三维成品的技术。增材制造技术具有制造方式自由、成型速度快以及几乎百分之百的材料利用率等优点。目前，金属、无机非金属、高分子材料均可以通过增材制造技术进行成型，该技术被广泛地应用于制造、设计、航天、医疗等领域。

生物3D打印技术属于增材制造技术的一种。在医疗领域内，它利用例如挤出等现有的制造手段，将由天然高分子材料或水凝胶配置成的具有生物活性或含有活细胞的生物墨水按照预设的图形层层累积形成组织工程支架或活细胞生物模型。但是按照这种方式打印后，组成生物墨水的天然高分子材料或水凝胶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学交联剂固化、光交联固化、冷冻固化等，这些手段都会对生物墨水的生物相容性或所含有的细胞造成一定的伤害。当生物墨水中含有细胞时，固化后生物墨水粘度剧增，细胞在生物墨水的伸展和迁移受阻；当在固化后的组织工程支架或生物模型上种植细胞时，细胞很难进入到生物墨水内部，只能在表面迁移，而微米级或毫米级的生物墨水纤丝不利于细胞的粘附和迁移。

静电纺丝技术也属于增材制造技术的一种，它利用高压电场力将高分子材料拉伸、细化成为纳米纤维，该技术是一种方便地模拟细胞外基质三维纳米纤维网络结构的手段，利用静电纺丝技术制备的组织工程支架或活细胞生物模型已被证明有利于细胞的粘附、迁移和生长。但是单独的静电纺丝技术无法实现精密的三维结构。

发明内容

基于上述现有技术的缺陷而实现了本发明。本发明的发明目的在于提供一种复合生物3D打印装置及其打印方法，其能够实现在单根生物墨水纤丝上包裹静电纺丝纳米纤维，在更为精细的尺度(例如纳米级)上将生物墨水纤丝和纳米纤维结合起来，以实现精密的三维结构，同时解决现有生物墨水的固化方式不利于细胞迁移生长的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供了一种如下的复合生物3D打印装置，所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，所述生物墨水挤出系统包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，所述静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纤丝和所述静电纺丝纳米纤维的收集面；其中，所述挤出针头的轴线与所述收集面的交点和所述收集电极的轴线与所述收集面的交点重合，所述收集部件以所述收集面与所述挤出针头的轴线正交的方式配置，在与所述挤出针头的轴线正交的方向上，所述挤出针头与所述电纺针头一起能够相对于所述收集部件进行相对运动，在所述相对运动的方向上，所述电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方，并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的具有所述收集面的一侧，所述收集电极位于所述收集部件的与所述一侧相反的另一侧，所述收集电极的轴线与所述挤出针头的轴线共轴。

通过采用该技术方案，根据本发明的复合生物3D打印装置使生物3D打印技术和静电纺丝技术相结合，可以制备既具有大孔径的精密的三维结构，又能促进细胞粘附生长的组织工程支架或含细胞生物模型，可以实现更为精细地将生物墨水和纳米纤维结合起来并解决生物墨水的固化问题的目的。

优选地，所述收集面水平配置，所述挤出针头和所述电纺针头竖直配置，并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的上方，所述收集电极位于所述收集部件的下方。

更优选地，所述收集电极从所述收集部件的下方与所述收集部件接触。

优选地，所述静电纺丝挤出系统具有多个电纺针头，在所述相对运动的方向上，始终使得所述多个电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方。

更优选地，所述多个电纺针头绕着所述挤出针头配置，且所述多个电纺针头与所述收集部件之间的距离相等，并且所述多个电纺针头中的每一个电纺针头的轴线与所述挤出针头的轴线之间的垂直距离相等，相邻的两个所述电纺针头之间的距离相等。

进一步，优选地，所述静电纺丝挤出系统包括四个电纺针头，所述四个电纺针头以所述挤出针头为中心、相邻两个间隔90度中心角的方式配置。

更优选地，所述复合生物3D打印装置还包括三维运动系统，所述三维运动系统具有能够驱动所述收集部件在相互正交的两个方向上运动而实现所述相对运动的X-Y轴运动平台。

进一步，优选地，所述三维运动系统还包括Z轴运动平台，所述Z轴运动平台能够调节所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件在所述挤出针头的轴线方向上的距离。

优选地，所述挤出针头和所述电纺针头之间设置有静电屏蔽部件。

优选地，所述电纺针头和所述收集电极由非绝缘材料制成，所述复合生物3D打印装置的除了所述电纺针头和所述收集电极的其它组件均由绝缘材料或者经过绝缘处理的材料制成。

另外，本发明还提供了一种采用上述技术方案中任意一项技术方案所述的复合生物3D打印装置的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：

S1：绘制待打印的对象的三维模型，对所述三维模型进行分层处理得到所述三维模型的每一层的截面的图形；

S2：选择适用于进行3D打印的材料以将该材料溶解于第一溶剂中制成所述生物墨水，并且选择适用于进行静电纺丝的材料以将该材料溶解于第二溶剂中制成所述静电纺丝液；

S3：将所述生物墨水和所述静电纺丝液分别供给到所述挤出针头和所述电纺针头；

S4:调整所述挤出针头和所述电纺针头之间的距离，并且调整所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件之间的距离，对所述电纺针头和所述收集电极供给预定的电压；

S5：根据获得的所述三维模型的一层的截面的图形，控制所述相对运动并使得所述挤出针头同步挤出所述生物墨水，同时始终控制位于所述挤出针头在所述相对运动方向后方的所述电纺针头进行静电纺丝，使得静电纺丝纳米纤维在所述收集电极的引导下被收集到所述收集部件上的生物墨水纤丝的表层形成纤维层；

S6：当按照所述三维模型的一层的截面的图形打印完成之后，使得所述挤出针头和所述电纺针头在远离所述收集面的方向上移动与所述一层的厚度相同的距离，并提取下一层的截面的图形并继续进行步骤S5直至打印完成整个三维模型。

优选地，在所述步骤S2中，

适用于进行3D打印的材料为明胶、胶原、透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠、丝素、纤维蛋白、果胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或

适用于静电纺丝的材料为聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己内酯与聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六环酮、聚酸酐中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或

所述第一溶剂为水、钙盐水溶液、镁盐水溶液、细胞培养基、磷酸盐缓冲液、硝酸盐缓冲液、Tris缓冲液中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液；和/或

所述第二溶剂为水、乙醇、甲醇、六氟异丙醇、丙酮、四氢呋喃、甲酸、醋酸、二氧六环、三氟乙酸中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液。

优选地，在所述步骤S4中，

对所述电纺针头供给的用于进行静电纺丝的电纺电压为5kV～30kV，对所述收集电极供给的收集电压为0kV～5kV，该电纺电压与该收集电压的极性不同，和/或

在与所述收集面正交的方向上，所述电纺针头与所述收集面之间的距离为0.1cm～20cm。

优选地，在所述步骤S5中，所述挤出针头的扫描速度为0.1mm/s～5mm/s，所述挤出针头的挤出速率为0.5mL/h～5mL/h。

优选地，在所述步骤S5或所述步骤S6中，调节所述收集部件的温度或环境温度使所述生物墨水预固化。

更优选地，所述收集部件的温度或所述环境温度的温度范围为-40℃～15℃，进一步优选为-20～10℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种复合生物3D打印装置及其打印方法，其能够实现在单根生物墨水纤丝上包裹静电纺丝纳米纤维，在更为精细的尺度(例如纳米级)上将生物墨水和纳米纤维结合起来，最终实现精密的三维结构，同时解决了现有生物墨水的固化方式不利于细胞迁移生长的问题。

附图说明

图1是根据本发明的一实施方式的复合生物3D打印装置的示意图。

图2a是图1中的复合生物3D打印装置的复合喷头的立体示意图；图2b是图2a中的复合喷头的俯视示意图；图2c是图2a中的复合喷头的主视示意图。

图3a是图2a中的复合喷头的挤出夹具的半部的立体示意图；图3b是图3a中的挤出夹具的半部的主视示意图。

图4a是图2a中的复合喷头的电纺针头夹具的立体示意图；图4b是图4a中的电纺针头夹具的俯视示意图；图4c是图4a中的电纺针头夹具的主视示意图；图4d是电纺针头夹具的另一示例的俯视示意图；图4e是电纺针头夹具的又一示例的俯视示意图。

图5是图1中的复合生物3D打印装置进行打印的打印过程的示意图。

附图标记说明

1支撑架 21Z轴运动平台 22X-Y轴运动平台 31挤出螺杆 32挤出延长杆 33挤出夹具 331挤出延长杆夹口 332注射器夹口 34挤出针头 41电纺针头夹具 411电纺针头夹口 412挤出夹具套口 42电纺针头 43收集电极 44电纺液加载装置 45高压电源装置 5收集板 5a收集面 6计算机控制系统 7静电屏蔽网

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的具体实施方式。在本发明中，X、Y轴为在收集面5a所在的平面中彼此垂直的两条轴线，Z轴为与收集面5a正交的轴线。

(复合生物3D打印装置的概述结构)

参照图1说明根据本发明的一实施方式的复合生物3D打印装置的概述结构。如图1所示，根据本发明的一实施方式的复合生物3D打印装置包括支撑架1、生物墨水挤出系统、静电纺丝挤出系统、收集板(收集部件)5、三维运动系统、计算机控制系统6以及静电屏蔽网(静电屏蔽部件)7。

在本实施方式中，支撑架1具有框架结构，该支撑架1为复合生物3D打印装置的固定部件并用于固定复合生物3D打印装置的其它组件。

在本实施方式中，生物墨水挤出系统通过挤出夹具33安装在下述的Z轴运动平台21上。该生物墨水挤出系统包括沿着Z轴方向从上至下顺次配置的挤出螺杆31、与挤出螺杆31相连的挤出延长杆32、装载生物墨水的注射器(未示出)以及用于挤出生物墨水的挤出针头34，另外，该生物墨水挤出系统还包括用于保持(夹持)挤出延长杆32、注射器和挤出针头34的挤出夹具33。

通过挤出夹具33保持而使得该挤出针头34的轴线与下述的收集板5的收集面5a正交。具体地，在本实施方式中，挤出针头34竖直地配置。挤出针头34与装载生物墨水的注射器相连接。挤出延长杆32的上端与挤出螺杆31相连接，挤出延长杆32的下端与上述注射器相连接(设置挤出延长杆32而非将注射器与挤出螺杆31直接相连的目的是方便下述复合喷头部分的更换、拆卸、检修和清洁)。

这样，通过电机(未示出)驱动挤出螺杆31和挤出延长杆32能够将注射器中的生物墨水从挤出针头34挤出，以在下述的收集板5的收集面5a上形成生物墨水纤丝。通过采用电机和螺杆相结合的手段来挤出生物墨水，使得该生物墨水挤出系统的结构简单，便于安装、检修且易于控制；另外，还可以通过电机的正转和反转实现挤出针头34的挤出和回吸两个动作，以精确控制挤出量。

在本实施方式中，静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液进行静电纺丝的多个(在本实施方式中为四个)电纺针头42、用于保持(夹持)电纺针头42的电纺针头夹具41、用于加载收集电压以收集静电纺丝的收集电极43、用于向电纺针头42加载静电纺丝液的电纺液加载装置44以及用于向电纺针头42和收集电极43供给电压的高压电源装置45。

在本实施方式中，四个电纺针头42的轴线均与挤出针头34的轴线平行，即四个电纺针头42也竖直地配置。另外，四个电纺针头42以挤出针头34为中心绕着该挤出针头34配置，其中两个电纺针头42与挤出针头34沿着X轴方向配置，另外两个电纺针头42与挤出针头34沿着Y轴方向配置。各电纺针头42的轴线与挤出针头34的轴线之间的垂直距离相等，相邻的两个电纺针头42以挤出针头34为中心的中心角为90度。优选地，挤出针头34的顶端位于电纺针头42的顶端的下方。

上述电纺液加载装置44包括：微量注射泵(未示出)，其由数个多通道或单通道注射泵组成；以及注射器(未示出)，其用于装载静电纺丝液，该注射器与注射泵连接，注射泵通过连接管和电纺针头42连接。多台注射泵可满足单材料多喷头或多材料多喷头的静电纺丝液的供给要求。

上述高压电源装置45由多台高压电源组成。每个电纺针头42都连接一台输出正电压的高压电源；另外一台输出负电压的高压电源连接到收集电极43。这样，使得电纺针头42和收集电极43上施加的高压的极性是相反的，保证类似“点到点”的电场分布，以实现定点收集。

在本实施方式中，收集板5具有平板状结构并且水平地配置。该收集板5的水平上表面为用于收集分别由挤出针头34和电纺针头42挤出的生物墨水纤丝和纳米纤维(静电纺丝)的收集面5a。收集板5连接到下述的X-Y轴运动平台22上并由计算机控制系统6控制移动，这样通过X-Y轴运动平台22实现下述复合喷头相对于收集板5在X轴和Y轴方向上进行相对运动。

收集板5的厚度优选为2mm～6mm，更优选为3mm～5mm。这样，可以保证电场线不会穿透该收集板5，也不会因收集板5太厚而大范围弯折，保证实现“点到点”的电场分布。收集板5优选为透明的，以便于观察。

在Z轴上，包括挤出针头34和电纺针头42的下述的复合喷头位于收集板5的上方，而收集板5的下方设置一个针尖向上且与收集板5接触(可以抵接)的上述收集电极43。该收集电极43固定不动并且收集电极43的轴线与挤出针头34的轴线共轴。也就是说，收集电极43与收集板5接触的位置始终位于挤出针头34的轴线上(挤出针头34的轴线与收集板5的收集面5a的交点和收集电极43的轴线与收集板5的收集面5a的交点重合)。收集电极43上施加和电纺针头42反向的高压，形成类似“点到点”的电场分布，当收集板5移动时，可以吸引纳米纤维在收集板5上沉积。

电纺针头42与收集板5的收集面5a之间的在Z轴方向上的距离可以通过电纺针头夹具41套在挤出夹具33上的位置来调节。当电纺针头42处产生的泰勒锥不稳定时，可以调节电纺针头42与挤出针头34的相对平行位置来保证纳米纤维的定向收集。

在本实施方式中，三维运动系统由三个步进电机带动的移动机构组成并且包括Z轴运动平台21和X-Y轴运动平台22。Z轴运动平台21安装在支撑架1的上端，X-Y轴运动平台22安装在支撑架1的下端。

Z轴运动平台21能够调节下述的复合喷头(挤出针头34和电纺针头42两者)与收集板5的收集面5a在Z轴方向上的距离。X-Y轴运动平台22与收集板5刚性连接，X-Y轴运动平台22能够驱动收集板5在X轴和Y轴方向上(即在收集面5a所在的平面内的相互正交的两方向上)运动。这样，能够实现挤出针头34和电纺针头42两者一起相对于收集板5产生相对运动，挤出针头34和电纺针头42相对于收集板5的相对运动的方向即为打印方向(如图5所示)。

优选地，X-Y轴运动平台22的运动范围优选为0mm～200mm；Z轴运动平台21的运动范围优选为0mm～50mm。

计算机控制系统6与三维运动系统连接并可以控制三维运动系统的移动。另外，计算机控制系统6还可以实现设计、分层等功能并对其它组件进行必要的控制。

静电屏蔽网7设置在挤出针头34与电纺针头42之间并用于屏蔽电纺针头42的电压对挤出针头34工作的影响。该静电屏蔽网7由金属制成并且整体形成以挤出针头34的轴线为中心轴线的圆筒状。

需要说明的是，除了电纺针头42和收集电极43由例如金属等的导电材料(非绝缘材料)制成以外，其余装置和机构均由绝缘材料或者经过绝缘处理的材料制成。

(复合喷头的结构)

为了便于更换、维修等目的，如图2a～图2c所示，在本实施方式中，通过挤出延长杆32、挤出夹具33、电纺针头夹具41、电纺针头42、挤出针头34和静电屏蔽网7组成用于根据本发明的3D打印装置的复合喷头。以下将参照图2a～图2c说明该复合喷头的结构。

通过挤出夹具33和电纺针头夹具41使得挤出针头34和电纺针头42平行地配置。优选地，在本实施方式中，挤出针头34和电纺针头42两者的轴线的垂直距离优选为1cm～10cm，更优选为3cm～5cm。

通过如图3a和图3b所示的挤出夹具半部组装在一起形成的挤出夹具33整体为圆筒状，在挤出夹具33的内部具有分别用于夹持挤出延长杆32和注射器的夹口(即挤出延长杆夹口331和注射器夹口332)。挤出夹具33的横截面外轮廓可以为圆形、矩形或其它多边形，挤出夹具33的内部具有可以分别卡住挤出延长杆32和注射器的凹槽，凹槽的大小和所使用挤出延长杆32及注射器直径有关。挤出延长杆32、装载生物墨水的注射器和挤出针头34在Z轴上从上往下依次夹在挤出夹具33中。

如图4a～图4c所示，在本实施方式中，电纺针头夹具41为圆盘状。电纺针头夹具41套在挤出夹具33上并与挤出夹具33通过公差配合、防滑垫、插销或挤压螺丝连接。该电纺针头夹具41的中心设置有用于套装于挤出夹具33的挤出夹具套口412，该挤出夹具套口412的周围设置有四个用于夹持电纺针头42的电纺针头夹口411，四个夹口呈圆形排列，以保证电纺针头42与挤出针头34的上述配置关系。

这样，在X、Y轴方向上进行打印时，就可以根据打印方向，启动挤出针头34的在挤出针头34相对于收集板5的运动方向上的后方的电纺针头42，使纳米纤维落在打印的生物墨水纤丝上，改变打印方向时就无需调整电纺针头42的位置。

虽然如图4a～图4c所示的电纺针头夹具41为圆盘状，但是其截面形状可以矩形(如图4d所示)、十字形(如图4e所示)等形状。

静电屏蔽网7是环绕在挤出针头34周围的一圈金属网，可防止纳米纤维被金属的挤出针头34吸引或者收集到挤出针头34上。在Z轴方向上，静电屏蔽网7的下端比挤出针头34的顶端短5mm～10mm，以防止干扰挤出运动的进行。

(复合生物3D打印装置的打印方法)

以上详细地说明了根据本发明的3D打印装置的具体结构，以下将结合该3D打印装置的具体结构来详细地说明其采用的打印方法。

参考如图5，该打印方法包括如下步骤：

通过计算机控制系统6对待打印对象进行分层处理并逐层分析，得到每一层的截面的图形。

进一步地，将合适的材料分别配成生物墨水和静电纺丝液，优选地，生物墨水中可以加入细胞。

将生物墨水和静电纺丝液分别加入到相应的注射器中后，连接挤出延长杆32以及挤出针头34，通过软管连接电纺针头42与电纺液加载装置44，并将电纺针头42设置在电纺针头夹具41上，同时电纺针头42连接上高压电源装置45。

计算机控制系统6根据待打印的对象的对应一层的截面的图形发出3D打印命令，X-Y轴运动平台22带动收集板5开始在X方向上运动，将收集板5运动方向的相反方向定义为打印方向，挤出螺杆31在电机带动下开始旋转，带动挤出延长杆32旋转并向下施压，注射器中的生物墨水通过挤出针头34变成纤丝被挤出，沉积在收集板5上；同时，电纺液加载装置44开始工作，为挤出针头34在打印方向后方的电纺针头42供料，高压电源装置45为电纺针头42施加正高压，为收集电极43施加负高压；静电纺丝液在正高压的驱动下在电纺针头42处形成泰勒锥，进一步鞭动、拉伸、细化，同时挥发大多数溶剂变成纳米纤维，受到收集电极43的吸引，该纳米纤维沉积在生物墨水纤丝上，形成纳米纤维层；继续上述过程直至完成同一方向的打印。

然后，收集板5的运动方向改变，此时挤出针头34相对运动方向相应改变，电纺液加载装置44和高压电源装置45同步改变为挤出针头34的在新运动方向的后方的电纺针头42供料和施加电压；重复上述步骤直至第一层数据完全打印完毕。

Z轴运动平台21上升一个生物墨水纤丝直径的高度，然后收集板5的运动方向改变，重复与第一层类似的打印过程，完成第二层的打印；依次重复上述打印步骤，逐层累加后，即可得到复合3D打印组织工程支架或活细胞生物模型。

为了更具体地说明本发明的复合3D打印装置的打印方法，以下以采用本发明的复合生物3D打印装置制备明胶生物墨水-聚乳酸纳米纤维复合生物模型为例进行详细说明。该打印方法包括如下步骤：

S1：通过计算机控制系统6对待打印对象进行分层处理并逐层分析，得到每一层的截面的图形，将4g明胶溶于50mlDMEM细胞培养基中制成8％(w/v)的溶液并同时加入5×106个/mL的小鼠成纤维细胞制成细胞悬液作为生物墨水；将8g聚乳酸溶于100mL的HFIP(六氟异丙醇)中，制成8％(w/v)的溶液作为静电纺丝液，随后将生物墨水转移至1个50mL无菌BD注射器中，将纺丝液转移至4个30mL无菌BD注射器中。

S2：装载生物墨水的注射器设置在挤出夹具33中，连接上挤出延长杆32以及挤出针头34，挤出针头34规格为34G，装载静电纺丝液的注射器设置在电纺液加载装置44上，通过软管连接电纺针头42，电纺针头42的规格为26G，将电纺针头42设置在电纺针头夹具41上，同时电纺针头42连接高压电源装置45。

S3：调节Z轴运动平台21，使挤出针头34的顶端到收集板5的收集面5a的在Z轴方向上的距离为0.1mm；调节电纺针头夹具41在挤出夹具33上的相对位置，使电纺针头42的顶端到收集板5的收集面5a的在Z轴方向上的距离为5cm；在挤出夹具33的下端安装静电屏蔽网7，使得该静电屏蔽网7完全环绕挤出针头42，静电屏蔽网7的下端位于挤出针头34的顶端的上方且与挤出针头34的顶端的最小垂直距离为8mm；调节挤出针头34相对扫描速度(相对运动速度)为2mm/s。

S4：计算机控制系统6根据待打印的对象的各层的截面的图形发出3D打印命令，X-Y轴运动平台22开始平面运动，运动速率为2mm/s，带动收集板5运动；挤出螺杆31在电机带动下开始旋转，带动挤出延长杆32旋转并向下施压，生物墨水注射器中的生物墨水通过挤出针头34变成生物墨水纤丝，挤出速率为1.5mL/h，该生物墨水纤丝沉积在与X-Y轴运动平台22刚性连接并同步运动的收集板5的收集面5a上；同时，电纺液加载装置44开始工作，为挤出针头34相对运动方向后方的电纺针头42供料，供料速率为5mL/h；高压电源装置45为该电纺针头42施加正高压，正高压为12kV，为收集电极43施加负高压，负高压为-1kV；纺丝液在正高压的驱动下在电纺针头42上形成泰勒锥，进一步鞭动、拉伸、细化，同时挥发大多数溶剂变成纳米纤维，受到收集电极43的吸引，沉积在生物墨水纤丝上，形成纳米纤维层；继续上述过程直至该方向的纳米纤维完全包裹生物墨水纤丝。

S5：X-Y轴运动平台22的运动方向改变，带动收集板5运动，此时挤出针头34相对运动方向改变，电纺液加载装置44和高压电源装置45同步改变，开始为挤出针头34的在新的运动方向上的后方的电纺针头42供料和施加电压；重复上述步骤直至第一层数据完全打印完毕，Z轴运动机构上升0.22mm，重复与第一层类似的打印过程，逐层累加后，即可得到所述复合3D打印组织工程支架或活细胞生物模型。

(材料及其它参数)

在上述说明的打印方法中，可以采用下述的材料制成生物墨水和静电纺丝液，并且还可以进行如下的参数设置。

在上述步骤S2中，适用于静电纺丝的材料可以是聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己内酯与聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六环酮、聚酸酐中的一种或几种按任意比例混合的混合物。这些材料具有良好的生物相容性，已被广泛应用于静电纺丝和组织工程支架领域，制成纳米纤维后，因为表面张力的作用浮于生物墨水表面，而不会破坏生物墨水纤丝或液滴；同时这些材料具有一定的水不溶解性，不至于溶解于生物墨水。

在上述步骤S2中，适用于生物3D打印的材料可以是明胶、胶原、透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠、丝素、纤维蛋白、果胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或几种按任意比例混合的混合物。这些材料同样具有良好的生物相容性，同时具有良好的水溶性，配置成生物墨水时可以直接将细胞加入其中而不会影响细胞的活性。

在上述步骤S2中，配置静电纺丝液的溶剂是水、乙醇、甲醇、六氟异丙醇、丙酮、四氢呋喃、甲酸、醋酸、二氧六环、三氟乙酸中的任意浓度溶液或几种按任意比例混合的混合溶液，在静电纺丝的过程中，大部分有机溶剂在射流的鞭动阶段已经挥发，残留在收集的纳米纤维内部的溶剂量是十分微量的，不会对细胞造成太多影响。

在上述步骤S2中，配置生物墨水的溶剂是水、钙盐水溶液、镁盐水溶液、细胞培养基、磷酸盐缓冲液、硝酸盐缓冲液、Tris缓冲液中的任意浓度溶液或几种按任意比例混合的混合溶液，这些溶剂是配置细胞培养基的常用溶剂，可以保证细胞的正常生长。

进一步地，生物墨水中还可加入细胞，实现细胞的定点和有序分布。所使用的细胞选自但不限于成纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞、间充质干细胞、脂肪干细胞、胶质细胞、神经细胞、胚胎干细胞等。

在上述步骤S4中，为了可以正常的收集生物墨水纤丝，同时保证打印头不会撞到收集板5，使得挤出针头34的顶端到收集板5的收集面5a的在Z轴方向上的初始距离优选为0.03mm～0.15mm，更优选为0.1mm～0.15mm；为了保证纳米纤维的拉伸细化以及定点收集，电纺针头42的顶端到收集板5的收集面5a的在Z轴方向上的距离略小于传统静电纺丝中的极距，调节电纺针头夹具41的位置，使电纺针头42的顶端到收集板5的收集面5a的距离优选为0.1cm～20cm，更优选为1cm～10cm。

在上述步骤S4中，因为电纺针头42的顶端到收集板5的收集面5a的在Z轴方向上的距离减少，也相应减少静电纺丝电压来达到合适的电场强度，本发明中静电纺丝电压优选为5kV～30kV，更优选为10kV～15kV；收集电极43采取和电纺针头42电压极性相反的电压来得到类似“点到点”的电场线分布，收集电极43电压优选为0kV～5kV，更优选1kV～3kV。

在上述步骤S5中，为得到完整的、连续的生物墨水纤丝，挤出针头34的扫描速度优选为0.1mm/s～5mm/s，更优选为1.5mm/s～3mm/s，；挤出针头34的挤出速率优选为0.5mL/h～5mL/h，更优选为1mL/h～3mL/h；电纺针头42和挤出针头34同步运动，电纺针头42的扫描速度和挤出针头34的扫描速度相同，电纺针头42的挤出速率和静电纺丝液的可纺性有关，可以基于不同的静电纺丝液来选择，电纺针头42的注射速率优选为0.1mL/h～10mL/h，更优选为3mL/h～6mL/h。

在上述步骤S5中，挤出针头34的内径决定了生物模型的层厚，即决定了生物模型的精度，为得到精度较高的生物模型，当采用无菌的点胶针头或不锈钢针头时，按照点胶针头规格分类，挤出针头34的规格优选为30G～36G，更优选为34G～36G；电纺针头42的内径和静电纺丝液的可纺性有关，可以基于不同的静电纺丝液粘度来选择，按照同样的规格分类，电纺针头42规格优选为23G～30G，更优选为23G～25G。

虽然在上述具体实施方式中对本发明的技术方案进行了详细地阐述，但是仍然需要说明的是：

1.虽然在以上的具体实施方式中说明了设置有多个(四个)电纺针头42，但是本发明不限于此。可以设置一个电纺针头42或其它数量的多个电纺针头42。

当设置一个电纺针头42时，在打印过程中需要调节电纺针头42的位置，使电纺针头42在挤出针头34的打印方向的后方，这样接收的纳米纤维就可以落在挤出针头34打印的生物墨水纤丝上。

当设置其它数量的多个电纺针头42时，同样地，仅使得位于挤出针头34的在打印方向的后方的电纺针头42进行静电纺丝，其它电纺针头42不工作。

虽然在以上的具体实施方式中说明了电纺针头42的轴线均与挤出针头34的轴线平行，但是在本发明的技术方案中，电纺针头42的轴线可以不与挤出针头34的轴线平行。

2.虽然在以上的具体实施方式中没有进行说明，但是优选地，除夹持注射器的功能外，还可以在挤出夹具33内部添加保温垫或加热垫，保证生物墨水的温度，保证生物墨水中的细胞的存活率，延长生物墨水可打印的时间。

3.虽然在以上的具体实施方式中没有进行说明，但是优选地，注射器采用标准的BD注射器，保证无菌的前提下便于更换。挤出针头34要保证无菌和平头两个条件，这样能够避免生物墨水被感染并保证在各个方向移动时，挤出的生物墨水的量相同。

4.虽然在以上的具体实施方式中没有进行说明，但是优选地，挤出针头34可以是平头的点胶针头、精密点胶针头、不锈钢针头以及经磨平尖端处理的上述针头。电纺针头42可以是平头的不锈钢针头或经磨平尖端处理的不锈钢针头，方便电压的施加以及泰勒锥的形成。

5.另外，与现有技术相比，本发明的技术方案还包括以下有益效果：

通过3D打印技术实现生物墨水和细胞的精确定点沉积，可根据病患的实际情况和细胞的生长特性，设计具有合适的形状、孔隙的组织工程支架或活细胞生物模型，同时利用本发明公开的装置和机构，在打印的过程中即可在每根生物墨水纤丝表面形成纳米纤维层，纳米纤维层的存在可以使呈半流态的生物墨水固定，无需后续的交联和固化处理，避免交联和固化处理对生物墨水的生物相容性的影响以及对生物墨水内部的细胞的伤害。

通过本发明公开的装置和方法，可以降低对生物墨水固化性能的要求，大大拓宽了生物墨水的选材范围，同时细胞在半流态的生物墨水中间更易移动和迁移。在单根生物墨水纤丝上结合纳米纤维层，实现了纳米纤维和生物墨水在更精细尺度上的结合，纳米纤维的存在可以促进细胞的粘附、迁移和生长，提高了3D打印组织工程支架和活细胞生物模型的活性。本发明公开的复合3D打印装置和打印方法有望提高3D打印技术在组织工程、医疗以及体外诊断领域的应用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种复合生物3D打印装置，其特征在于，所述复合生物3D打印装置包括：

生物墨水挤出系统，所述生物墨水挤出系统包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；

静电纺丝挤出系统，所述静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头，和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及

收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纤丝和所述静电纺丝纳米纤维的收集面；

其中，所述挤出针头的轴线与所述收集面的交点和所述收集电极的轴线与所述收集面的交点重合，

所述收集部件以所述收集面与所述挤出针头的轴线正交的方式配置，在与所述挤出针头的轴线正交的方向上，所述挤出针头与所述电纺针头一起能够相对于所述收集部件进行相对运动；在所述相对运动的方向上，所述电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方；并且

所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的具有所述收集面的一侧，所述收集电极位于所述收集部件的与所述一侧相反的另一侧，所述收集电极的轴线与所述挤出针头的轴线共轴。

2.根据权利要求1所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述收集面水平配置，所述挤出针头和所述电纺针头竖直配置，并且

所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的上方，所述收集电极位于所述收集部件的下方。

3.根据权利要求2所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述收集电极从所述收集部件的下方与所述收集部件接触。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述静电纺丝挤出系统具有多个电纺针头，在所述相对运动的方向上始终使得所述多个电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方。

5.根据权利要求4所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述多个电纺针头绕着所述挤出针头配置，且所述多个电纺针头与所述收集部件之间的距离相等，并且

所述多个电纺针头中的每一个电纺针头的轴线与所述挤出针头的轴线之间的垂直距离相等，相邻的两个所述电纺针头之间的距离相等。

6.根据权利要求5所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述静电纺丝挤出系统包括四个电纺针头，所述四个电纺针头以所述挤出针头为中心、相邻两个间隔90度中心角的方式配置。

7.根据权利要求4所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述复合生物3D打印装置还包括三维运动系统，所述三维运动系统具有能够驱动所述收集部件在相互正交的两个方向上运动而实现所述相对运动的X-Y轴运动平台。

8.根据权利要求7所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述三维运动系统还包括Z轴运动平台，所述Z轴运动平台能够调节所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件在所述挤出针头的轴线方向上的距离。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述挤出针头和所述电纺针头之间设置有静电屏蔽部件。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述电纺针头和所述收集电极由非绝缘材料制成，所述复合生物3D打印装置除了所述电纺针头和所述收集电极的其它组件均由绝缘材料或者经过绝缘处理的材料制成。

11.一种采用权利要求1至10中任一项所述的复合生物3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括以下步骤：

S1：绘制待打印对象的三维模型，对所述三维模型进行分层处理以得到所述三维模型的每一层的截面的图形；

S2：选择适用于进行3D打印的材料以将该材料溶解于第一溶剂中制成所述生物墨水，并且选择适用于进行静电纺丝的材料以将该材料溶解于第二溶剂中制成所述静电纺丝液；

S3：将所述生物墨水和所述静电纺丝液分别供给到所述挤出针头和所述电纺针头；

S4:调整所述挤出针头和所述电纺针头之间的距离，并且调整所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件之间的距离，对所述电纺针头和所述收集电极供给预定的电压；

S5：根据获得的所述三维模型的一层的截面的图形，控制所述相对运动并使得所述挤出针头同步挤出所述生物墨水，同时始终控制位于所述挤出针头在所述相对运动方向后方的所述电纺针头进行静电纺丝，使得静电纺丝纳米纤维在所述收集电极的引导下被收集到所述收集部件上的生物墨水纤丝的表层形成纤维层；

S6：当按照所述三维模型的一层的截面的图形打印完成之后，使得所述挤出针头和所述电纺针头在远离所述收集面的方向上移动与所述一层的厚度相同的距离，并提取下一层的截面的图形并继续进行步骤S5直至打印完成整个三维模型。

12.根据权利要求11所述的打印方法，其特征在于，在所述步骤S2中，

适用于进行3D打印的材料为明胶、胶原、透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠、丝素、纤维蛋白、果胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或

适用于静电纺丝的材料为聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己内酯与聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六环酮、聚酸酐中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或

所述第一溶剂为水、钙盐水溶液、镁盐水溶液、细胞培养基、磷酸盐缓冲液、硝酸盐缓冲液、Tris缓冲液中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液；和/或

所述第二溶剂为水、乙醇、甲醇、六氟异丙醇、丙酮、四氢呋喃、甲酸、醋酸、二氧六环、三氟乙酸中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液。

13.根据权利要求11所述的打印方法，其特征在于，在所述步骤S4中，

对所述电纺针头供给的用于进行静电纺丝的电纺电压为5kV～30kV，对所述收集电极供给的收集电压为0kV～5kV，该电纺电压与该收集电压的极性不同，和/或

在与所述收集面正交的方向上，所述电纺针头与所述收集面之间的距离为0.1cm～20cm。

14.根据权利要求11所述的打印方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述挤出针头的扫描速度为0.1mm/s～5mm/s，所述挤出针头的挤出速率为0.5mL/h～5mL/h。

15.根据权利要求11所述的打印方法，其特征在于，在所述步骤S5或所述步骤S6中，调节所述收集部件的温度或环境温度使所述生物墨水预固化。

16.根据权利要求15所述的打印方法，其特征在于，所述收集部件的温度或所述环境温度的温度范围为-40℃～15℃。