CN109774119A - 一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法。本发明首先准备打印材料，所采用的生物材料是海藻酸纳粘稠溶液和胶原蛋白溶液的混合液以及凝胶化所需的氯化钙溶液，其次形成单一稳定液滴，然后路径数字化制作，最后进行打印后，并控制打印过程工艺参数。本发明操作简单，采用喷墨式3D打印机，加工指令简单标准，能够制作用于细胞血管化的微结构。该方法工艺简单、成品率高、内部结构可控、成本低，安全可靠、节省耗材、无须支撑，省去了后续支撑去除工艺。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种生物支架类打印方法，具体是一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法。
背景技术
三维微滴喷墨成形工艺在生物组织打印过程中，将生物墨水置于打印机的喷头中，由计算机控制待打印的液滴，控制位置在指定的位置打印，在打印完一层的基础上继续打印另一层，层层叠加形成三维凝胶体系，然后将其置于生物反应器中培养形成器官，与传统的支架组织工程技术相比，其主要优势有：a.可以同时构建有生物活性的三维生物细胞体系；b.在空间上准确沉积不同种类的含细胞的生物墨水；以此构建生物细胞所需要的三维微环境。基于微液滴喷墨式打印方法，为血管类细胞3D打印提供一种新的方法。用三维微滴喷墨成形系统进行生物组织打印与传统工艺相比可大量缩短操作的时间，且精度更高。三维微滴喷墨成形工艺适合制作形状复杂而且不规则的物件，非常适用于植入假体的制作，特别是个性化植入假体。
朱钰方的CN108939162A是通过供料装置的小注射器和大注射器在其尾部之间连接硅胶软管，然后大注射器另一端连接蠕动泵，小注射器挤出头的一端指向盛液缸，通过蠕动泵提供的压力经过硅胶软管致使小注射器挤出头挤出需要成型的材料。该方法生产流程粗糙、可靠性低、智能化低、挤出头会出现不连续的拉丝拖拽现象、无法精确保证挤出头统一的材料供给量，会出现打印结构过细或者过于膨胀现象。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1.打印材料准备：所采用的生物材料是海藻酸纳粘稠溶液和胶原蛋白溶液的混合液以及凝胶化所需的氯化钙溶液。
其中混合液配置：使用纯净水，生化级别、粘度范围为200±20mpa·s的海藻酸钠粉末；取海藻酸钠粉末和纯净水的混合相于烧杯中并加入胶原蛋白溶液，先手动摇匀后再利用电磁揽拌器进行匀速揽拌至海藻酸钠粉末完全溶解；采用超声波振荡器去除溶解在海藻酸钠溶液中的气泡；将配置好的溶液置进行密封静止后再用作为打印成形材料。
其中氯化钙溶液配置：将氯化钙粉末溶解到水中，搅拌至完全溶解即可。
步骤2.形成单一稳定液滴：在打印台左右两侧设置频闪相机，通过频闪延迟观测液滴；当频闪相机延迟时间一致且周期性的拍摄，通过调节延迟时间的方式，来获得单一稳定液滴。
步骤3.路径数字化制作：在计算机控制下，使用睿度光电公司的喷墨式3D打印机，其集成的RP系统控制成型头在三维空间内精确地移动，再通过软件TSAPS，其内嵌了CAD基本二维绘图功能,将二维绘制的轨迹转变成打印机识别的指令。用TSAPS画出打印路径图，确定打印起始方向以及打印路径的循环次数，然后通过打印机与计算机之间的连通串口把路径参数下发给打印机以此规划出打印路径指令。
步骤4.打印过程工艺参数：喷头固定在XY移动轴上，通过控制器使其按设定移动速度移动，Z轴平台下降时刻和停留时间根据打印完第一层所需时间设定，这个时间是根据TSAPS程序中循环打印次数设定的，每打完一层，Z平台就自动下降。
步骤5.打印前处理：通过控制器带有喷头的移动轴移动接近氯化钙溶液的平面，进行预打印，打印一层，Z平台就下降，打印两层之后，使打印体静置在氯化钙溶液中若干分钟，自行取出即可。
本发明的三维打印方法其特点是操作简单，采用喷墨式3D打印机，加工指令简单标准，能够制作用于细胞血管化的微结构。该方法工艺简单、成品率高、内部结构可控、成本低，安全可靠、节省耗材、无须支撑，省去了后续支撑去除工艺。
附图说明
图1为微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印工作过程流程图；
图2为微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印工作示意图；
图3为相机频闪影像观测单一稳定液滴生成图；
图4为预打印材料凝胶化拉伸试验图；
图5为微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印实际结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明提供一种以微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1.打印材料准备：本发明所采用的生物材料是质量分数为1.0％的海藻酸纳粘稠溶液和质量分数为0.5％的胶原蛋白溶液的混合液以及凝胶化所需质量分数为3.0％的氯化钙溶液。其配置方法如下：海藻酸钠溶液配置：使用纯净水，生化级别、粘度范围为200±20mpa·s的海藻酸钠粉末；取海藻酸钠粉末和纯净水的混合相于烧杯中并加入胶原蛋白溶液，先手动摇匀后再利用电磁揽拌器进行匀速揽拌至海藻酸钠粉末完全溶解；采用超声波振荡器去除溶解在海藻酸钠溶液中的气泡；将配置好的溶液置于温度为10摄氏度环境下进行密封静止2个小时时间后再用作为打印成形材料。氯化钙溶液的配置方法是将氯化钙粉末溶解到水中，搅拌至完全溶解即可。
步骤2.形成单一稳定液滴：由图2、图3所示，打印台左右两侧的组合相机是频闪相机即通过频闪延迟观测液滴。本发明利用CCD相机，搭建了观测系统。系统中的关键相机选用了视清科技Coolens工业频闪相机，该CCD下相机最短曝光时间为8um，工作距离65mm。喷头采用MicroFab MJ-ABL型压电陶瓷喷头，当给定输入电压后，周期性的电压控制压电陶瓷喷头，液滴的产生也是周期性的，当频闪相机延迟时间一致且周期性的拍摄，通过调节延迟时间的方式，来获得单一稳定液滴，本发明采用一种该相机的外触发模式，通过串口与计算机相连，效果可以与上万帧的超高速摄影机类似，物距调整在70mm左右，保证镜头与喷头的安全距离。为了更好的观测单一稳定液滴，将CCD相机和喷头移动轴固定在一起，即喷头、相机、LED光源三点一线，无论喷头移动状态如何，相机始终能够观测到液滴的滴落情况。
步骤3.路径数字化制作：在计算机控制下，使用睿度光电公司的喷墨式3D打印机，其集成的RP系统控制成型头(喷头)在三维空间内精确地移动，再通过上位机软件上一种基于VC开发的可维护性、实时处理打印机运动轴状态的软件TSAPS，其内嵌了CAD基本二维绘图功能,再通过信号传输将其二维绘制的轨迹转变成打印机识别的指令。用TSAPS画出打印路径图，确定打印起始方向以及打印路径的循环次数，然后通过打印机与计算机之间的连通串口把路径参数下发给打印机以此规划出打印路径指令。
步骤4.打印过程工艺参数：通过图3以及步骤2中所述，再加上步骤3中规划的路径指令，喷头固定在XY移动轴上，通过控制器使其移动速度为10mm/s，Z轴平台下降时刻和停留时间根据打印完第一层所需时间设定，这个时间是根据TSAPS程序中循环打印次数设定的，每打完一层，Z平台就自动下降1mm,这个参数在程序中可调。根据配置的打印材料特性压电陶瓷喷头电压驱动参数为正压85V、负压78V、幅值上升时间5ms、幅值下降时间10ms、幅值停留时间40ms。
步骤5.打印前处理：图2中，Z平台中放有盛放氯化钙溶液的容器，通过控制器带有喷头的移动轴移动接近氯化钙溶液的平面，进行预打印，打印一层Z平台就根据图2标识方向下降，打印两层之后，使打印体静置在氯化钙溶液15分钟时间，自行取出即可。然后进行机械强度拉伸试验，以检测材料配比浓度、工艺参数合适性。在图4中，采用的拉伸试样仪量程为5N，拉伸精度为0.01N，拉伸夹具为特殊设计的3D打印件，采用了一种生物降解材料PLA(聚乳酸)，打印设备使用德国Envision TEC制造的研究型3D-Bioplotter打印机。在夹具夹紧打印好的样品之前，用毛细滤纸吸取了夹具端样品渗透出的液体，并在夹具两侧垫上了用于增加与试样摩擦力的滤纸，拉伸仪缓慢均匀进行拉伸，当拉伸仪显示最大拉伸应力高于200Kpa而没有断裂就可完成了样品凝胶化后的拉伸试验。
步骤6.打印后处理：如图5所示，本发明打印出粗细均匀、连续不断、结构感良好的支架试样品，本发明将针对以微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法所打印的海藻酸钠和胶原蛋白混合溶液的结构进行生物学评价，进行以下试验：
A.体外细胞毒性试验：细胞毒性反应不大于1级。
B.皮内反应试验：试验样品与溶剂对照平均分之差不大于1.0。
C.细胞回复突变试验：供试品应对鼠伤寒沙门氏菌无诱变性。
D.哺乳动物体外细胞染色体畸变试验：应对培养的哺乳动物体细胞不诱发染色体畸变。
E.哺乳动物细胞基因突变试验：不能引起本试验中培养的哺乳动物细胞基因突变。
Claims (6)
1.一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1.打印材料准备：所采用的生物材料是海藻酸纳粘稠溶液和胶原蛋白溶液的混合液以及凝胶化所需的氯化钙溶液；
其中混合液配置：使用纯净水，生化级别、粘度范围为200±20mpa·s的海藻酸钠粉末；取海藻酸钠粉末和纯净水的混合相于烧杯中并加入胶原蛋白溶液，先手动摇匀后再利用电磁揽拌器进行匀速揽拌至海藻酸钠粉末完全溶解；采用超声波振荡器去除溶解在海藻酸钠溶液中的气泡；将配置好的溶液置进行密封静止后再用作为打印成形材料；
其中氯化钙溶液配置：将氯化钙粉末溶解到水中，搅拌至完全溶解即可；
步骤2.形成单一稳定液滴：在打印台左右两侧设置频闪相机，通过频闪延迟观测液滴；当频闪相机延迟时间一致且周期性的拍摄，通过调节延迟时间的方式，来获得单一稳定液滴；
步骤3.路径数字化制作：在计算机控制下，使用睿度光电公司的喷墨式3D打印机，其集成的RP系统控制成型头在三维空间内精确地移动，再通过软件TSAPS，其内嵌了CAD基本二维绘图功能,将二维绘制的轨迹转变成打印机识别的指令；用TSAPS画出打印路径图，确定打印起始方向以及打印路径的循环次数，然后通过打印机与计算机之间的连通串口把路径参数下发给打印机以此规划出打印路径指令；
步骤4.打印过程工艺参数：喷头固定在XY移动轴上，通过控制器使其按设定移动速度移动，Z轴平台下降时刻和停留时间根据打印完第一层所需时间设定，这个时间是根据TSAPS程序中循环打印次数设定的，每打完一层，Z平台就自动下降；
步骤5.打印前处理：通过控制器带有喷头的移动轴移动接近氯化钙溶液的平面，进行预打印，打印一层，Z平台就下降，打印两层之后，使打印体静置在氯化钙溶液中若干分钟，自行取出即可。
2.根据权利要求1所述的一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于：海藻酸纳粘稠溶液的质量分数为1.0%，胶原蛋白溶液的质量分数为0.5%，氯化钙溶液的质量分数为3.0%。
3.根据权利要求1所述的一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于：频闪相机选用视清科技Coolens工业频闪相机，该相机最短曝光时间为8um，工作距离65mm；喷头选用 MicroFab MJ-ABL型压电陶瓷喷头，当给定输入电压后，周期性的电压控制压电陶瓷喷头，液滴的产生也是周期性的。
4.根据权利要求3所述的一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于：为了更好的观测单一稳定液滴，将频闪相机和喷头移动轴固定在一起，即喷头、频闪相机、LED光源三点一线，无论喷头移动状态如何，频闪相机始终能够观测到液滴的滴落情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于：喷头固定在XY移动轴上，通过控制器使其移动速度为10mm/s，根据配置的打印材料特性，电压控制压电陶瓷喷头的驱动参数为正压85V、负压78V、幅值上升时间5ms、幅值下降时间10ms、幅值停留时间40ms。
6.根据权利要求1所述的一种基于微液滴喷墨式凝胶化血管支架3D打印方法，其特征在于：还包括力学性能测试步骤：采用的拉伸试样仪量程为5N，拉伸精度为0.01N，拉伸夹具为3D打印件，采用了一种生物降解材料PLA，打印设备使用德国Envision TEC制造的研究型3D-Bioplotter打印机；在夹具夹紧打印好的样品之前，用毛细滤纸吸取了夹具端样品渗透出的液体，并在夹具两侧垫上了用于增加与试样摩擦力的滤纸，拉伸仪缓慢均匀进行拉伸，当拉伸仪显示最大拉伸应力高于200Kpa而没有断裂就可完成了样品凝胶化后的拉伸试验。
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