CN108410730A - 一种材料打印装置 - Google Patents

Abstract

针对现有技术的不足，本发明志在完全解决传统打印技术普遍存在的无序、孔隙率不可控、生物活性不高和不能很好对细胞单独进行封装的问题，提出一种可以精密控制产物尺寸和成型后形状和孔隙率，以及可进行单独细胞封装的小尺寸水凝胶生物砖，实现快速三维成型的技术系统。该系统主要由材料供给系统、三维移动平台、环境控制系统、电压辅助系统、喷嘴、显微成像系统以及计算机控制装置等组成。此装置可使用生物相容性好的材料，可以单独进行人工组织的个性化三维成型；可以加入细胞和活性物质，对细胞进行封装，实现单个细胞的三维打印；同时也可以加入细胞和药物等，进行药物和细胞的同时打印，并检测药物对单个细胞的影响等。

Description

一种材料打印装置

技术领域

一种材料打印装置，在工作过程由高精度气动挤压泵提供输出压强，配合程控拉丝加热收集系统和环境辅助系统，并施加直流或脉冲型高压辅助静电场，对挤出液态材料进行三维快速成型，打印产物为尺寸均匀、连续的细丝或是规则，圆滑的液滴状微球，且产物直径比管径小一个量级以上。

通过电脑程序控制，该装置可用于生物材料的打印成型，生化分析芯片的快速制备等。也可应用于组织工程中，进行人工组织(如血管、软骨等)的个性化三维成型，并对其内部三维结构和孔隙率进行人为控制。

该打印装置可高度保持打印材料的生物活性，实现活体细胞和生物因子的三维打印；也可以同时打印药物和细胞，制备含药物的活体生物组织，并检测药物对单个细胞的影响等。

技术背景

传统3D打印采用的固化立体印刷、熔融沉积成型、选择性激光烧结、静电喷雾打印、挤出成型等方法，前三种方法在制备过程中会产生高温或者产生一些有毒物质，对于依附在材料表面或者包裹于材料中的细胞有害；静电喷雾打印过程，施加高压静电场，不需要挤出压，但所得产物为不同尺寸不可精密控制的小液滴，比管径低一个量级；而挤出成型过程中不施加高压静电场，溶液被直接挤出，所得产物为液滴，得到尺寸与喷嘴管径相仿或略大。总结来看，这些传统打印技术均有不可忽视的弊端，所得产物尺寸不能按需精密控制、由于材料性质导致的喷嘴针头易堵塞、产物收集的相对位置排布杂乱无序而且孔隙率不易控制，同时不能更好的加载活性单元，完整保持和提高材料的生物活性，不能很好的对细胞进行单独封装这些都是急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明志在完全解决传统打印技术普遍存在的无序、孔隙率不可控、生物活性不高和不能很好对细胞单独进行封装的问题，提出一种可以精密控制产物尺寸和成型后形状和孔隙率，以及可进行单独细胞封装的小尺寸水凝胶生物砖，实现快速三维成型的技术系统。该系统主要由材料供给系统、三维移动平台、环境控制系统、电压辅助系统、喷嘴、显微成像系统以及计算机控制装置等组成。此装置可使用生物相容性好的材料，可以单独进行人工组织的个性化三维成型；可以加入细胞和活性物质，对细胞进行封装，实现单个细胞的三维打印；同时也可以加入细胞和药物等，进行药物和细胞的同时打印，并检测药物对单个细胞的影响等。

与现有技术相比，本发明的优势在于:

1.可以控制打印产物的尺寸，解决了传统材料打印和挤出成型中挤出产物的直径受喷嘴直径限制和喷嘴易堵塞的问题；

2.可将所得产物进行精密的三维成型，让打印产物收集从无序变为有序，且能对其内部三维结构和孔隙率进行人为控制；

3.解决了传统材料打印方法中不能使用以活体细胞为代表的生物活性材料的问题；

4.解决了在已知组织器官的三维数字模型的基础上，不能定位装配活细胞材料单元，制造活体组织或器官的问题；

5.解决了按照电脑程序设计和具体要求对活体细胞进行单独提取和封装且不损害细胞活性的问题。

附图说明

图1a)是本装置的结构原理图,b)是装置工作时喷嘴处打印材料所受的作用力示意图，c)是使用不同的辅助电压时(上图为直流电压，下图为脉冲电压)时材料打印过程示意图，d)材料拉丝收集成型示意图。

图2是本系统的结构示意模拟图；图a)为全景示意图，图b)为打印收集装置局部放大图

图3通过更改程序和收集方式得到各种形状可控和孔隙率可控的拉丝产物。

图4a)和b)为使用脉冲型高压电源所获得的规则、圆滑的小尺寸液滴和海藻酸钠水凝胶产物；c)和d)为单独封装含细胞的海藻酸钠水凝胶和细胞DAPI染色图；

图5为不同材料收集成型的条件汇总。

具体实施方式

下面结合实例对本发明技术进行进一步说明。

如图1原理示意图和图2所述本发明包括：

数字1.气压控制材料自动挤出装置，用于定速输出打印材料；

数字2.可更换，用于不同材料打印的打印喷嘴针头；

数字3.辅助电压源，根据实际需要，可更换使用直流电源或者脉冲电源，在打印过程中，提供高压/脉冲电场，使从针头挤出的材料受电场力，同时在重力和表面张力等力的作用下拉丝成型，并使拉出的细丝比喷嘴内径小一个数量级以上；

数字4.三维移动收集平台，用于材料堆积成型的控制，使材料堆积形成不同的图形，以及三维复杂成型。

数字5.收集板辅热装置/环境控制装置，用于温度控制，调节打印温度至活性材料最适温度。

打印过程中，如图1所示首先通过1的作用，将含有带电离子的生物材料从打印喷头2中挤出。同时辅助电压源3在打印喷头和接收平台之间5mm以内形成高压/脉冲电场，等待打印的材料受到电场力、表面张力、电场力等力的共同作用，当各力达到平衡后便形成了内径比针头内径小一个尺寸以上的细丝或是小尺寸液滴微球。同时三维移动平台4由电脑程序控制移动，形成不同图案和立体图形。在整个过程中5用来达到合适的成型温度，由单独隔离罩来控制整个环境的温度和湿度。整个装置工作后，在表1条件下，可得到如图3所示各种形状和孔隙率可控的拉丝产物和如图4所示的规则小尺寸液滴和能够封装细胞的水凝胶等。

上述以较佳实例公开了本打印装置技术，然其并非用以限制本发明技术，凡采用等同替换或者等效替换方式所获得的技术方案，均落在本发明打印技术的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种材料打印装置，本装置是由材料供给系统、三维移动平台、环境控制系统、电压辅助系统、喷嘴、显微成像系统以及计算机控制装置等组成，其特征在于，可以精密控制拉丝尺寸和成型后形状和孔隙率，实现快速三维成型的系统，此装置可使用生物相容性好的材料，单独进行人工组织的个性化三维成型，可以加入细胞和活性物质，对细胞进行封装，实现单个细胞的三维打印，同时也可以加入细胞和药物，进行药物和细胞的同时打印，并检测药物对单个细胞的影响。

2.根据权利要求1的一种材料打印装置，其特征在于，可以通过多种合力的共同作用控制产物的尺寸，同时可将所得产物三维成型收集从无序变为有序，且能对其孔隙率进行人为可控。

3.根据权利要求1的一种材料打印装置，其特征在于，定位装配活细胞或材料单元，制造活体组织或器官初级模型，并可以按照具体要求对细胞进行单独活性分装研究且不损害细胞活性。