CN108527841A - 一种多模态的生物打印系统及生物打印系统制备仿生支架的方法 - Google Patents

一种多模态的生物打印系统及生物打印系统制备仿生支架的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医学工程和医疗技术领域，特别涉及一种多模态的生物打印系统及生物打印系统制备仿生支架的方法。包括控制系统、打印系统和控温系统，所述打印系统包括超净室，设置在超净室内的工作台以及喷头，所述工作台设置有X轴、Y轴以及Z轴，所述喷头设置在工作台上端，所述喷头与超净室外侧的气泵连接，所述喷头设置有四个以上带有电加热装置的打印喷头，所述喷头与温控系统连接，所述打印系统和控温系统均由控制系统控制。本发明采用多喷头、多材料的方式打印仿生支架，所打印的支架可包含多种支架材料、多种细胞和多种生物因子，可实现细胞和生物因子在生物支架中的精准定位和精确定量。本发明可以广泛应用于各类仿生支架的打印成型。

Description

一种多模态的生物打印系统及生物打印系统制备仿生支架的 方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程和医疗技术领域，特别涉及一种多模态的生物打印系统及生物打印系统制备仿生支架的方法。
背景技术
生物组织工程学的目标是采用基质材料、种子细胞和相应的生长因子构建高度仿生组织来改善、修复或者替代受损的人体组织。以最具代表性的骨组织替代物为例，骨移植预构体由结构、材料和功能单一向高仿生性、多功能性方向发展。为了获得最优的修复效果，要求植入体在结构上多尺度耦合，成分上需多材质定点定量可控，功能上需具备良好的骨诱导性及血管化等。采用传统制备方法已经很难满足这些要求。3D打印技术特别是多喷头3D打印技术的出现将有可能解决这一难题。
传统上，组织缺损都是通过自体移植及异体移植进行修复，近年来开始使用一些天然生物材料或生物合成材料作为某些组织移植替代物。采用3D打印技术的生物支架及器件制造经过多年的研究，在基于喷墨打印及气动微滴喷射技术打印细胞等方面取得了长足进展，已经初步产业化。然而，目前对于高仿生生物组织及器件的打印中存在的结构和材料的多材质多尺度耦合要求、生物力学性质和可靠性等关键问题，亟待开发新型打印设备来解决这些问题。
正因此，国内外在多喷头生物3D打印领域的研究日益活跃。例如，UtrechtUniversity的Wouter Schuurman团队（Fedorovich N E, Schuurman W, Wijnberg H M,et al. Tissue Engineering Part C: Methods, 2011, 18(1): 33-44.）和清华大学的王小红团队（Liu L, Xiong Z, Yan Y, et al. Journal of Biomedical MaterialsResearch Part B: Applied Biomaterials, 2009, 88(1): 254-263.）分别以低温沉积多喷头3D打印系统实现了多种水凝胶的混合打印。新加坡国立大学（Chang L, Thian E S,Sun J, et al. Nano LIFE, 2012, 2(01): 1250009.）采用双打印头微滴喷射系统初步取得了一站式加工“钛-氧化钛-羟基磷灰石”的梯度涂层。韩国Dong-Woo Cho小组（Lee J S,Hong J M, Jung J W, et al. Biofabrication, 2014, 6(2): 024103.）采用电机挤出喷头和气动挤出喷头的混合3D系统进行连续出丝，实现了包含弹性软骨和脂肪组织的外耳的制备。虽然这些研究都实现了多喷头的同时打印，但是这些打印系统无法实现性质差异很大的材料的混合打印和宏微观结构的耦合，无法满足最新应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供种多模态的生物打印系统及基于生物打印系统制备仿生支架的方法。
为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：
一种多模态的生物打印系统，包括控制系统、打印系统和控温系统，所述打印系统包括超净室，设置在超净室内的工作台以及喷头，所述工作台设置有X轴、Y轴以及Z轴，所述喷头设置在工作台上端，所述喷头与超净室外侧的气泵连接，所述喷头设置有四个以上带有电加热装置的打印喷头，所述喷头与温控系统连接，所述打印系统和控温系统均由控制系统控制。
所述喷头设置有电机助推活塞式挤出沉积喷头、气动助推挤出沉积喷头、静电纺丝喷头和光固化喷头。
所述电机助推活塞式挤出沉积喷头，打印高粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述气动助推挤出沉积喷头，打印低粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到100℃可选；所述静电纺丝喷头，可通过加热改变电纺材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述光固化喷头光固化光源可选择紫外固化光源、红外固化光源、LED固化光源中的一种或者几种，光固化喷头可以在固定板平面内0到70°进行角度转动。
所述超净室一侧设置有进水口和出水口，所述超净室外侧设置有一个以上的CCD相机，用于打印过程的拍照和录像。
包括以下步骤：
步骤一：将所需要打印支架的实体模型进行分层切片处理，得到二维信息并生成打印路径；
步骤二：配制打印仿生支架所需要的支架材料、细胞“墨水”和生物因子“墨水”；
步骤三：将步骤二配置好的打印材料分别加入到打印机的电机助推活塞式挤出沉积喷头、气动助推挤出沉积喷头、静电纺丝喷头和光固化喷头中，逐层打印，通过控制X轴、Y轴运动打印完成一层后，打印喷头Z轴向上移动一层，然后打印下一层，直到所打印的仿生支架打印完成。
所述步骤三中的气动助推挤出沉积喷头的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述X轴、Y轴运动速度为0.1-100mm/s可调，Z轴运动速度0.1-50 mm/s可调；所述电机助推活塞式挤出沉积喷头的喷嘴内径为0.1-1mm，活塞推进速度0.001-1mm/s；所述气动助推挤出沉积喷头的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述静电纺丝喷头静电纺丝电压从1kV到50kV可调；所述光固化喷头可选择点光源或者面光源，在打印过程中或者打印完一层后照射打印材料进行固化。
所述步骤二中支架材料包括但不仅限于生物用无机材料和有机材料；所述生物用无机材料为生物陶瓷和生物玻璃中的一种或几种，生物用无机材料为天然生物材料和人工合成高分子材料中的一种或几种；所述细胞“墨水”含有细胞和细胞生长所需的葡萄糖、氨基酸、无机盐等，生物因子“墨水”可先将生物因子做成缓释微球然后分散到“墨水”中。
所述静电纺丝喷头静电纺丝材料可将材料熔融后纺丝或者溶于溶剂进行纺丝，所采用的溶剂种类为溶剂在挥发后的气体对细胞无害或者损害可以忽略不计。
所述的控温系统为打印设备提供恒温环境，包括打印环境温度、料筒温度和打印基板温度。
所述的控温系统采用水循环控温，温度从0℃到40℃可调。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明的打印系统中的四种喷头均采用模块化设计，根据打印支架的不同及实际需要选择喷头的种类、数量和组合方式。
（2）本发明采用多喷头、多材料的方式打印仿生支架，所打印的支架可包含多种支架材料、多种细胞和多种生物因子，可实现细胞和生物因子在生物支架中的精准定位和精确定量。本发明可以广泛应用于各类仿生支架的打印成型。
（3）本发明将挤出沉积制造喷头与静电纺丝喷头结合，可以同时实现宏观孔洞结构和微观孔洞结构的耦合。
附图说明
下面结合附图和实施案例对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图；
其中，1.控制系统 2.超净室 3.光固化喷头 4.静电纺丝喷头 5.气动助推挤出沉积喷头 6.电机助推活塞式挤出沉积喷头 7.Z轴 8.X轴 9.Y轴 10.打印基板 11.进水口 12.出水口 13.控温系统 14.气泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1。
本发明公开了一种多模态的生物打印系统，包括控制系统1、打印系统和控温系统13，所述打印系统包括超净室2，设置在超净室2内的工作台10以及喷头，所述工作台设置有X轴8、Y轴9以及Z轴7，所述喷头设置在工作台10上端，所述喷头与超净室2外侧的气泵14连接，所述喷头设置有四个以上带有电加热装置的打印喷头，所述喷头与温控系统13连接，所述打印系统和控温系统13均由控制系统1控制。
所述喷头设置有电机助推活塞式挤出沉积喷头6、气动助推挤出沉积喷头5、静电纺丝喷头4和光固化喷头3。
所述电机助推活塞式挤出沉积喷头6，打印高粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述气动助推挤出沉积喷头5，打印低粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到100℃可选；所述静电纺丝喷头4，可通过加热改变电纺材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述光固化喷头3光固化光源可选择紫外固化光源、红外固化光源、LED固化光源中的一种或者几种，光固化喷头3可以在固定板平面内0到70°进行角度转动。
所述超净室2一侧设置有进水口11和出水口12，所述超净室2外侧设置有一个以上的CCD相机，用于打印过程的拍照和录像。
包括以下步骤：
步骤一：将所需要打印支架的实体模型进行分层切片处理，得到二维信息并生成打印路径；
步骤二：配制打印仿生支架所需要的支架材料、细胞“墨水”和生物因子“墨水”；
步骤三：将步骤二配置好的打印材料分别加入到打印机的电机助推活塞式挤出沉积喷头6、气动助推挤出沉积喷头5、静电纺丝喷头4和光固化喷头3中，逐层打印，通过控制X轴8、Y轴9运动打印完成一层后，打印喷头Z轴7向上移动一层，然后打印下一层，直到所打印的仿生支架打印完成。
所述步骤三中的气动助推挤出沉积喷头5的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述X轴8、Y轴9运动速度为0.1-100mm/s可调，Z轴7运动速度0.1-50 mm/s可调；所述电机助推活塞式挤出沉积喷头6的喷嘴内径为0.1-1mm，活塞推进速度0.001-1mm/s；所述气动助推挤出沉积喷头5的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述静电纺丝喷头4静电纺丝电压从1kV到50kV可调；所述光固化喷头3可选择点光源或者面光源，在打印过程中或者打印完一层后照射打印材料进行固化。
所述步骤二中支架材料包括但不仅限于生物用无机材料和有机材料；所述生物用无机材料为生物陶瓷和生物玻璃中的一种或几种，生物用无机材料为天然生物材料和人工合成高分子材料中的一种或几种；所述细胞“墨水”含有细胞和细胞生长所需的葡萄糖、氨基酸、无机盐等，生物因子“墨水”可先将生物因子做成缓释微球然后分散到“墨水”中。
所述静电纺丝喷头4静电纺丝材料可将材料熔融后纺丝或者溶于溶剂进行纺丝，所采用的溶剂种类为溶剂在挥发后的气体对细胞无害或者损害可以忽略不计。
所述的控温系统1为打印设备提供恒温环境，包括打印环境温度、料筒温度和打印基板温度。
所述的控温系统1采用水循环控温，温度从0℃到40℃可调。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多模态的生物打印系统，包括控制系统（1）、打印系统和控温系统（13），其特征在于：所述打印系统包括超净室（2），设置在超净室（2）内的工作台（10）以及喷头，所述工作台设置有X轴（8）、Y轴（9）以及Z轴（7），所述喷头设置在工作台（10）上端，所述喷头与超净室（2）外侧的气泵（14）连接，所述喷头设置有四个以上带有电加热装置的打印喷头，所述喷头与温控系统（13）连接，所述打印系统和控温系统（13）均由控制系统（1）控制。
2.根据权利要求1所述的一种多模态的生物打印系统，其特征在于：所述喷头设置有电机助推活塞式挤出沉积喷头（6）、气动助推挤出沉积喷头（5）、静电纺丝喷头（4）和光固化喷头（3）。
3.根据权利要求2所述的一种多模态的生物打印系统，其特征在于：所述电机助推活塞式挤出沉积喷头（6），打印高粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述气动助推挤出沉积喷头（5），打印低粘度材料时，可通过加热改变材料的流变特性，加热温度从室温到100℃可选；所述静电纺丝喷头（4），可通过加热改变电纺材料的流变特性，加热温度从室温到200℃可选；所述光固化喷头（3）光固化光源可选择紫外固化光源、红外固化光源、LED固化光源中的一种或者几种，光固化喷头（3）可以在固定板平面内0到70°进行角度转动。
4.根据权利要求1所述的一种多模态的生物打印系统，其特征在于：所述超净室（2）一侧设置有进水口（11）和出水口（12），所述超净室（2）外侧设置有一个以上的CCD相机，用于打印过程的拍照和录像。
5.根据权利要求1所述的多模态生物打印系统制备仿生支架的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将所需要打印支架的实体模型进行分层切片处理，得到二维信息并生成打印路径；
步骤二：配制打印仿生支架所需要的支架材料、细胞“墨水”和生物因子“墨水”；
步骤三：将步骤二配置好的打印材料分别加入到打印机的电机助推活塞式挤出沉积喷头（6）、气动助推挤出沉积喷头（5）、静电纺丝喷头（4）和光固化喷头（3）中，逐层打印，通过控制X轴（8）、Y轴（9）运动打印完成一层后，打印喷头Z轴（7）向上移动一层，然后打印下一层，直到所打印的仿生支架打印完成。
6.根据权利要求5所述的多模态生物打印系统制备仿生支架的方法，其特征在于：所述步骤三中的气动助推挤出沉积喷头（5）的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述X轴（8）、Y轴（9）运动速度为0.1-100mm/s可调，Z轴（7）运动速度0.1-50 mm/s可调；所述电机助推活塞式挤出沉积喷头（6）的喷嘴内径为0.1-1mm，活塞推进速度0.001-1mm/s；所述气动助推挤出沉积喷头（5）的喷嘴内径为0.1-1mm，气动压力为0.1-100MPa可调；所述静电纺丝喷头（4）静电纺丝电压从1kV到50kV可调；所述光固化喷头（3）可选择点光源或者面光源，在打印过程中或者打印完一层后照射打印材料进行固化。
7.根据权利要求5所述的多模态生物打印系统制备仿生支架的方法，其特征在于：所述步骤二中支架材料包括但不仅限于生物用无机材料和有机材料；所述生物用无机材料为生物陶瓷和生物玻璃中的一种或几种，生物用无机材料为天然生物材料和人工合成高分子材料中的一种或几种；所述细胞“墨水”含有细胞和细胞生长所需的葡萄糖、氨基酸、无机盐等，生物因子“墨水”可先将生物因子做成缓释微球然后分散到“墨水”中。
8.根据权利要求5所述的多模态生物打印系统制备仿生支架的方法，其特征在于：其特征在于：所述静电纺丝喷头（4）静电纺丝材料可将材料熔融后纺丝或者溶于溶剂进行纺丝，所采用的溶剂种类为溶剂在挥发后的气体对细胞无害或者损害可以忽略不计。
9.根据权利要求1所述的一种多模态的生物打印系统，其特征在于：所述的控温系统（1）为打印设备提供恒温环境，包括打印环境温度、料筒温度和打印基板温度。
10.根据权利要求9所述的一种多模态的生物打印系统，其特征在于：所述的控温系统（1）采用水循环控温，温度从0℃到40℃可调。
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