CN110481023B - 三孔一体的3d生物打印喷嘴及其制备多层凝胶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三孔一体的3D生物打印喷嘴及其制备多层凝胶的方法，包括底部的方形喷嘴及其上部分别与其连通的三个油墨仓：浅表层材料仓、中间层材料仓、深层材料仓，用于存储三种复合油墨材料，垂直设置的方形喷嘴上方套接一竖直套管，中间层材料仓设置在套管顶部，浅表层材料仓、深层材料仓依次环套连接在套管上；三个油墨仓下部通过油墨下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴。本发明一次性直接打印出来三层凝胶材料的仿生组织结构，与天然组织在成分和结构上相类似，并且各层之间具有很好的结合能力，实现了一步法直接构建多层凝胶材料的3D生物打印技术，提高了仿生材料的制备速率，缩短了患者的等待时间，增大了手术的成功率和恢复率。

Description

三孔一体的3D生物打印喷嘴及其制备多层凝胶的方法
技术领域
本发明属于仿生材料技术领域，具体涉及一种多层凝胶仿生材料的制备工艺，特别是一种三孔一体的3D生物打印喷嘴及一步法制备多层凝胶的方法，具体是一种基于“三孔一体”3D生物打印喷嘴的多层凝胶仿生材料制备工艺。
背景技术
人体的组织器官大多都具有复杂的多层结构，分别行使特定的生理功能。比如人体的关节软骨是一种高水合的半透明弹性结缔组织，主要由细胞外基质、软骨细胞和水组成，大约厚2～4mm，从表面向内部可分为三层：浅表层、中间层和深层。其中浅表层约占整体厚度的10％～20％，中间层约占40％～60％，深层约占30％～35％。每层的成分、结构各不相同，浅表层内的胶原纤维平行排列，主要承受关节运动产生的剪切力；中间层内胶原纤维随机交错分布，为软骨提供较好的抗压强度；深层内的胶原纤维垂直排列分布，提供了较高的支撑强度。另外，人体的皮肤也具有高度分层结构，主要由三层组成：表皮层、真皮层和皮下组织。其中表皮层为最外层，由角质形成细胞组成；真皮层为中间层，由胶原和成纤维细胞组成；皮下组织为最内层，由胶原和脂细胞组成。皮肤作为人体最大的器官，正是通过这种复杂的多层结构保护着潜在的肌肉、骨骼、韧带和内脏。
由于关节软骨要承受人体一生中周而复始运动带来的摩擦，而且随着年龄的增长以及先天性疾病、外伤及磨损等多种因素的影响，关节软骨中的蛋白多糖含量逐渐减少、胶原纤维出现断裂，最终导致骨关节炎等疾病的发生。目前，因关节软骨磨损导致的骨关节炎已成为世界头号致残性疾病，全球约有4亿人忍受骨关节疾病的折磨。另外，根据2016年美国烧伤协会的记录报告，美国每年接受医疗治疗的烧伤人数为486 000人，每年因急性烧伤住院的人数为40 000人。由于大面积烧伤和全厚度皮肤伤口难以修复，且供体皮肤组织缺乏，因此构建符合天然皮肤结构的多层皮肤结构是当前组织工程面临的重大挑战。
随着3D生物打印技术在组织工程领域的兴起，可以利用凝胶等生物材料结合活性生长因子在体内或体外构建出支架微环境，从而诱导新生组织的发育和再生。由于3D打印技术具有个性化、灵活性等优点，可以满足不同患者、不同部位、不同创伤面积移植的要求，因此比较适用于复杂组织结构的修复，具有满足临床移植迫切需要的潜力。然而，目前通过3D生物打印制备出来的仿生组织大多是均质各向同性的，并不能真正仿生天然软骨、天然皮肤等组织的复杂多层结构。另外，即使通过3D生物打印技术结合多个油墨料筒喷嘴实现对多层组织的构建，其制备过程也相对比较复杂。因此，有必要研究出一种通过3D生物打印一步法直接构建多层凝胶的关键技术，以提高仿生材料的制备速度，缩短患者的等待时间，增大成功率和恢复率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三孔一体的3D生物打印喷嘴及一步法制备多层凝胶的方法，也就是提供一种方形三孔一体的3D生物打印喷嘴，以及采用该喷嘴一步法3D生物打印多层凝胶的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三孔一体的3D生物打印喷嘴，包括底部的方形喷嘴及其上部分别与其连通的三个油墨仓：浅表层材料仓、中间层材料仓、深层材料仓，用于存储三种复合油墨材料：生物油墨A、生物油墨B、生物油墨C；其中，垂直设置的方形喷嘴上方套接一竖直套管，中间层材料仓设置在套管顶部，浅表层材料仓、深层材料仓依次环套连接在套管上；
上部的中间层材料仓，其顶部开设油墨B进料口，下部通过油墨B下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；中部的浅表层材料仓，其左侧开设油墨A进料口，下部通过油墨A下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；底部的深层材料仓，其右侧开设油墨C进料口，下部通过油墨C下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；所述油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管在套管内由左至右依次紧密设置。
进一步的，所述三种复合油墨材料的具体成分分别为：
生物油墨A：海藻酸钠10％，纳米羟基磷灰石3％，去离子水87％；
生物油墨B：明胶8％，海藻酸钠4％，纳米羟基磷灰石3％，去离子水85％；
生物油墨C：明胶15％，纳米羟基磷灰石3％，去离子水82％。
进一步的，所述浅表层材料、中间层材料、深层材料的厚度比例为0.6:1.5:0.9。
进一步的，浅表层材料仓、中间层材料仓、深层材料仓的体积比例为2:1:2。
进一步的，油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管的尺寸分别为0.6mm*0.6mm*25mm、1.5mm*1.5mm*35mm、0.9mm*0.9mm*15mm。
进一步的，油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管的流速比例为1:1:1。
本发明还提供了上述的三孔一体的3D生物打印喷嘴的制备多层凝胶的方法，包括以下步骤：
(1)制备生物油墨A、B、C按比例称取原料混合均匀，经静置溶胀、加热搅拌及超声振荡后，获得生物油墨A、B、C，注入到3D打印机的生物油墨料筒中，4℃保存；
(2)将制备好的生物油墨料筒分别对应连接装入3D打印机的三个进料口，将该“三孔一体”喷嘴安装到3D打印机上；
(3)设置油墨料筒的预加热温度为60℃、打印平台的温度为4℃；
(4)调整3D打印机的打印参数，平铺打印出三层凝胶仿生组织结构，由下至上依次为：生物油墨C、B、A；在打印过程中，每挤出一条凝胶丝就立即用纳米喷雾器喷洒氯化钙CaCl2溶液，使最上层的海藻酸钠-纳米羟基磷灰石油墨获得初步交联；
(5)将打印完成的三层凝胶仿生组织结构置于4℃储存箱中1-2h，使复合材料在低温下通过结晶交联固化；
(6)从低温储存箱中取出三层凝胶仿生组织结构浸入到CaCl2溶液中5h，使复合材料进一步通过离子交联固化；
(7)将试样从CaCl2溶液中取出后用磷酸盐缓冲液PBS洗涤30min；
(8)将制备好的三层凝胶仿生组织结构试样放入盛去离子水的密封袋中保存。
进一步的，所述的氯化钙溶液为质量百分比3％的水溶液。
进一步的，所述的磷酸盐缓冲液PBS的组分及其重量比包括：磷酸二氢钾0.68％、氢氧化钠0.12％，其余为水。
进一步的，制备生物油墨A、B、C的方法为：按质量百分比称取各生物油墨的原料置于烧杯中，用玻璃棒搅拌后用保鲜膜封口，在室温下静置溶胀2-3h；溶胀完成后放入60℃的电子磁力水浴锅中加热搅拌；待溶液完全溶解后取出烧杯，置于超声波中超声振荡1-2h去除气泡，获得生物油墨A、B、C；用一次性注射管吸取烧杯中的溶液注入到3D打印机的生物油墨料筒中，置于4℃冰箱中待用。
有益效果：本发明提供的一种三孔一体的3D生物打印喷嘴及其一步法制备多层凝胶的方法，与现有技术相比，具有以下优势：由于采用“三孔一体”的方形打印喷嘴，可以一次性直接打印出来三层凝胶材料的仿生组织结构，与天然组织在成分和结构上相类似，并且各层之间具有很好的结合能力，实现了一步法直接构建多层凝胶材料的3D生物打印技术，提高了仿生材料的制备速率，缩短了患者的等待时间，增大了手术的成功率和恢复率。
附图说明
图1为本发明的一种方形三孔一体3D生物打印喷嘴及多层凝胶的制备工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1：本发明设计的一种方形三孔一体3D生物打印喷嘴(如图1所示)；本发明制备多层凝胶仿生组织的材料有：用于3D生物打印的三种复合油墨；氯化钙溶液；磷酸盐缓冲液。
所述的三孔一体3D生物打印喷嘴主要分为七个部分：
①浅表层材料(生物油墨A)的进料口；
②中间层材料(生物油墨B)的进料口；
③深层材料(生物油墨C)的进料口；
④“三孔一体”方形喷嘴的主视图；
⑤“三孔一体”方形喷嘴的截面图；
⑥“三孔一体”3D生物打印喷嘴的内部示意图；
⑦“三孔一体”3D生物打印喷嘴打出的多层凝胶组织结构示意图。
所述的用于3D生物打印的三种复合油墨材料分为三种，具体成分分别为：
(1)生物油墨A：海藻酸钠(Alg)10％，纳米羟基磷灰石(nHA)3％，去离子水87％；
(2)生物油墨B：明胶(Gt)8％，海藻酸钠(Alg)4％，纳米羟基磷灰石(nHA)3％，去离子水85％；
(3)生物油墨C：明胶(Gt)15％，纳米羟基磷灰石(nHA)3％，去离子水82％。
所述的氯化钙溶液(CaCl2)具体成分包括：无水氯化钙3％，去离子水97％。
所述的磷酸盐缓冲液(PBS)具体成分包括：磷酸二氢钾0.68g，氢氧化钠0.12g,用去离子水稀释至100ml。
基于“三孔一体”3D生物打印喷嘴的多层凝胶仿生材料的制备工艺包括如下步骤：
(1)制备生物油墨A：按质量百分比称取海藻酸钠10％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水87％置于烧杯中，用玻璃棒轻轻搅拌片刻后用保鲜膜封口，在室温下静置溶胀2-3h；溶胀完成后放入60℃的电子磁力水浴锅中加热搅拌；待溶液完全溶解后取出烧杯，置于超声波中超声振荡1-2h去除气泡；然后用一次性注射管吸取烧杯中的溶液注入到3D打印机的专用料筒中，获得生物油墨A(Alg-nHA溶液)，置于4℃冰箱中待用。
(2)制备生物油墨B：按质量百分比称取明胶8％、海藻酸钠4％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水85％置于烧杯中，用玻璃棒轻轻搅拌片刻后用保鲜膜封口，在室温下静置溶胀2-3h；溶胀完成后放入60℃的电子磁力水浴锅中加热搅拌；待溶液完全溶解后取出烧杯，置于超声波中超声振荡1-2h去除气泡；然后用一次性注射管吸取烧杯中的溶液注入到3D打印机的专用料筒中，获得生物油墨B(Gt-Alg-nHA溶液)，置于4℃冰箱中待用。
(3)制备生物油墨C：按质量百分比称取明胶15％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水82％置于烧杯中，用玻璃棒轻轻搅拌片刻后用保鲜膜封口，在室温下静置溶胀2-3h；溶胀完成后放入60℃的电子磁力水浴锅中加热搅拌；待溶液完全溶解后取出烧杯，置于超声波中超声振荡1-2h去除气泡；然后用一次性注射管吸取烧杯中的溶液注入到3D打印机的专用料筒中，获得生物油墨C(Gt-nHA溶液)，置于4℃冰箱中待用。
(4)将制备好的生物油墨料筒分别装入3D打印机的相应位置，然后将设计加工完成的“三孔一体”喷嘴安装到3D打印机上，并确保进料口①②③分别与对应的生物油墨A、B、C的料筒相连接。
(5)设置油墨料筒的预加热温度为60℃，为了便于生物油墨材料从方形“三孔一体”喷嘴中均匀挤出；设置打印平台的温度为4℃，为了将打印出的多层凝胶初步固化，有助于实现较好的打印结构精度。
(6)调整3D打印机的速度、压强、丝间距等打印参数，选用最佳的参数直接一次性平铺打印出三层凝胶结构，保证最下层是生物油墨C(Gt-nHA溶液)，最上层是生物油墨A(Alg-nHA溶液)；在打印过程中，每打印完一层就立即用纳米喷雾器喷洒氯化钙溶液，使最上层的Alg-nHA溶液获得初步交联。
(7)将打印完成的“三层凝胶仿生组织结构”置于4℃储存箱中1-2h，使复合材料在低温下通过结晶交联固化。
(8)从低温储存箱中取出“三层凝胶仿生组织结构”浸入到3％的CaCl2溶液中5h，使复合材料进一步通过离子交联固化。
(9)将试样从CaCl2溶液中取出后用PBS洗涤30min，以去除试样中多余的钙离子(Ca2+)。
(10)将制备好的“三层凝胶仿生组织结构”试样放入盛去离子水的密封袋中保存。
通过“三孔一体”方形喷嘴成功打印出20*20*3mm的三层仿生组织结构(Alg-nHA/Gt-Alg-nHA/Gt-nHA)，其拉伸强度大于用普通喷嘴打印的单层仿生结构的拉伸强度，且层与层之间的结合强度高于材料自身的强度，拉伸后在材料断面没有出现分层现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三孔一体的3D生物打印喷嘴制备多层凝胶的方法，其特征在于：所述三孔一体的3D生物打印喷嘴包括底部的方形喷嘴及其上部分别与其连通的三个油墨仓：浅表层材料仓、中间层材料仓、深层材料仓，用于存储三种复合油墨材料：生物油墨A、生物油墨B、生物油墨C；其中，垂直设置的方形喷嘴上方套接一竖直套管，中间层材料仓设置在套管顶部，浅表层材料仓、深层材料仓依次环套连接在套管上；
上部的中间层材料仓，其顶部开设油墨B进料口，下部通过油墨B下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；中部的浅表层材料仓，其左侧开设油墨A进料口，下部通过油墨A下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；底部的深层材料仓，其右侧开设油墨C进料口，下部通过油墨C下料管贯穿连通至底部的方形喷嘴；所述油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管在套管内由左至右依次紧密设置；
所述三种复合油墨材料的质量百分比分别为：
生物油墨A：海藻酸钠10%，纳米羟基磷灰石3%，去离子水87%；
生物油墨B：明胶8%，海藻酸钠4%，纳米羟基磷灰石3%，去离子水85%；
生物油墨C：明胶15%，纳米羟基磷灰石3%，去离子水82%；
油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管的尺寸分别为0.6mm*0.6mm*25mm、1.5mm*1.5mm*35mm、0.9mm*0.9mm*15mm；油墨A下料管、油墨B下料管、油墨C下料管的流速比例为1:1:1；
该三孔一体的3D生物打印喷嘴的制备多层凝胶的方法包括以下步骤：
(1) 制备生物油墨A、B、C按比例称取原料混合均匀，经静置溶胀、加热搅拌及超声振荡后，获得生物油墨A、B、C，注入到3D打印机的生物油墨料筒中，4℃保存；
(2) 将制备好的生物油墨料筒分别对应连接装入3D打印机的三个进料口，将该三孔一体喷嘴安装到3D打印机上；
(3) 设置油墨料筒的预加热温度为60℃、打印平台的温度为4℃；
(4) 调整3D打印机的打印参数，平铺打印出三层凝胶仿生组织结构，由下至上依次为：生物油墨C、B、A；在打印过程中，每挤出一条凝胶丝就立即用纳米喷雾器喷洒氯化钙CaCl2溶液，使最上层的海藻酸钠-纳米羟基磷灰石油墨获得初步交联；
(5) 将打印完成的三层凝胶仿生组织结构置于4℃储存箱中1-2h，使复合材料在低温下通过结晶交联固化；
(6) 从低温储存箱中取出三层凝胶仿生组织结构浸入到CaCl2溶液中5h，使复合材料进一步通过离子交联固化；
(7) 将试样从CaCl2溶液中取出后用磷酸盐缓冲液PBS洗涤30min；
(8) 将制备好的三层凝胶仿生组织结构试样放入盛去离子水的密封袋中保存。
2.根据权利要求1所述的三孔一体的3D生物打印喷嘴制备多层凝胶的方法，其特征在于：所述的氯化钙溶液为质量百分比3%的水溶液。
3.根据权利要求1所述的三孔一体的3D生物打印喷嘴制备多层凝胶的方法，其特征在于：所述的磷酸盐缓冲液PBS的组分及其重量比包括：磷酸二氢钾0.68%、氢氧化钠0.12%，其余为水。
4.根据权利要求1所述的三孔一体的3D生物打印喷嘴制备多层凝胶的方法，其特征在于：制备生物油墨A、B、C的方法为：按质量百分比称取各生物油墨的原料置于烧杯中，用玻璃棒搅拌后用保鲜膜封口，在室温下静置溶胀2-3h；溶胀完成后放入60℃的电子磁力水浴锅中加热搅拌；待溶液完全溶解后取出烧杯，置于超声波中超声振荡1-2h去除气泡，获得生物油墨A、B、C；用一次性注射管吸取烧杯中的溶液注入到3D打印机的生物油墨料筒中，置于4℃冰箱中待用。
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