CN110549597A - 一种静电纺丝曲丝打印及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电纺丝曲丝打印及应用，包括以下步骤：通过在计算机中绘制三维模型，对所述三维模型进行分层处理，获取所述三维模型的各层截面的轮廓数据和填充数据；选取多种适用于静电纺丝的高分子材料，利用热熔或溶剂溶解的方法获取多份用于静电纺丝的3D打印材料，将获取的多份用于静电纺丝的3D打印材料分别对应装入到多个纺丝喷头内；静电纺丝装置对合成高分子材料或生物材料进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置。有益效果：从而更好的制备适合的内植物或填充材料，满足临床的需求。

Description

一种静电纺丝曲丝打印及应用
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体来说，涉及一种静电纺丝曲丝打印及应用。
背景技术
在过去3D打印的研究与应用当中，使用不同的打印方式具有不同的效果，常用的有激光打印，熔融堆积打印，喷涂式打印，电纺打印等方式。在其中，最常用的为熔融堆积打印，但是熔融堆积打印精度较差，单丝直径大，孔隙率低，很难达到良好的效果。而电纺打印精度高，单丝直径小，孔隙率高，更适合于生物打印使用。
在过去，使用不同材料如PCL、PLGA、PLLA等，通过静电喷涂或者拉丝可以形成电纺膜，多层电纺膜叠加形成三维结构，可用于损伤覆盖，组织修复、重建等。但在这项技术中，由于静电喷涂和拉丝技术限制，喷头多为高电压定点工作，所打印的电纺膜极为致密，孔隙率较低，不能很好地应用于生物作用。
在过去的打印技术中，很难实现较为精准且多样性的结构打印，如采用 FDM打印，现丝径最低约为200um，精度较差，而采用单纯电纺打印，则难以获得合适的微观结构和整体的力学属性。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种静电纺丝曲丝打印及应用，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种静电纺丝曲丝打印及应用，包括以下步骤：
通过在计算机中绘制三维模型，对所述三维模型进行分层处理，获取所述三维模型的各层截面的轮廓数据和填充数据；
选取多种适用于静电纺丝的高分子材料，利用热熔或溶剂溶解的方法获取多份用于静电纺丝的3D打印材料，将获取的多份用于静电纺丝的3D 打印材料分别对应装入到多个纺丝喷头内；
静电纺丝装置对高分子材料进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；
在静电打印的基础上，通过调整各种参数，控制打印出丝的形态，调整工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作距离，设置工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作电压；
其中，在打印间距较低时，电压较低，打印速度较快时，丝线呈直线运行；降低速度并相应调整后呈曲线；进一步降低后可成无规则曲线；
同时，调整打印间距、电压、出料速度，可以控制丝线直径；
通过调控的方法，控制丝线形态，在支架的合适的位置打印出适当的结构，为后续做基础；
采用电纺曲丝打印技术，在不同的部位采用输入不同的打印参数，得到不同的结构，最终形成所得的支架；
支架打印过程中，通过对于打印墨水的更换及调节；配合将打印完成后针对不同位置增加不同的生长因子或其他具有生物学功能的物质，使打印支架具有分层、分区的效果，获得更加多样化且贴合应用的支架。
进一步的，所述3D打印材料的流出速度为0.1-10ml/h。
进一步的，所述沉积材料每层的层厚为0.01-0.5毫米。
进一步的，所述有机高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺中的任一种或多种，所用高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的任一种或多种。
进一步的，静电纺丝的电压范围为1-50千伏,所述静电纺丝产物从所述静电纺丝装置的喷头喷出到沉积到所述打印基底上之间经过的距离不超过 50厘米。
进一步的，静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。
进一步的，一种静电纺丝曲丝打印及应用，提供了一种所述支架为半月板时，针对半月板的不同位置，采用多种层次结构。
本发明的有益效果为：通过控制电纺打印丝径的形态及打印路径，借助静电纺丝打印特性，打印制备不同形态的支架。并可利用支架在不同区域负载不同的细胞、生物因子等物质，从而形成可控的孔隙率、较大的表面积、良好的生物相容性、打印丝线相互交织形成的良好力学属性等特性。利用该支架替代修复组织，为正常组织的损伤修复提供基础。基于静电纺丝3D打印技术，通过控制不同参数使得打印材料呈不同的曲丝状态，并在打印过程中相互交联，增加力学和生物学特性，用于制备不同的内植物或填充材料。通过控制不同的打印丝径和弯曲程度，从而改变单丝强度和交联程度，进而改变打印物整体的力学性质，孔隙率以及生物学特性。从而更好的制备适合的内植物或填充材料，满足临床的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的打印流程示意图；
图2是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的不同曲丝形态示意图；
图3是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的单层曲丝交联网络示意图；
图4是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的多层曲丝交联网络示意图；
图5是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的多层复合半月板支架示意图
图6是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的多层复合软骨支架示意图
图7是根据本发明实施例的一种静电纺丝曲丝打印及应用的多层复合骨缺损修复支架示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种静电纺丝曲丝打印及应用。
如图1-4所示，根据本发明实施例的静电纺丝曲丝打印及应用，包括以下步骤：
步骤S101，通过在计算机中绘制三维模型，对所述三维模型进行分层处理，获取所述三维模型的各层截面的轮廓数据和填充数据；
步骤S103，选取多种适用于静电纺丝的高分子材料，利用热熔或溶剂溶解的方法获取多份用于静电纺丝的3D打印材料，将获取的多份用于静电纺丝的3D打印材料分别对应装入到多个纺丝喷头内；
步骤S105，静电纺丝装置对高分子材料进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；
步骤S107，在静电打印的基础上，通过调整各种参数，控制打印出丝的形态，调整工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作距离，设置工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作电压；
步骤S109，其中，在打印间距较低时，电压较低，打印速度较快时，丝线呈直线运行；降低速度并相应调整后呈曲线；进一步降低后可成无规则曲线；
步骤S1011，同时，调整打印间距、电压、出料速度，可以控制丝线直径；
步骤S1013，通过调控的方法，控制丝线形态，在支架的合适的位置打印出适当的结构，为后续做基础；
步骤S1015，采用电纺曲丝打印技术，在不同的部位采用输入不同的打印参数，得到不同的结构，最终形成所得的支架；
步骤S1017，支架打印过程中，通过对于打印墨水的更换及调节；配合将打印完成后针对不同位置增加不同的生长因子或其他具有生物学功能的物质，使打印支架具有分层、分区的效果，获得更加多样化且贴合应用的支架。
在一个实施例中，所述3D打印材料的流出速度为0.1-10ml/h。
在一个实施例中，所述沉积材料每层的层厚为0.01-0.5毫米。
在一个实施例中，所述有机高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺中的任一种或多种，所用高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的任一种或多种。
在一个实施例中，静电纺丝的电压范围为1-50千伏,所述静电纺丝产物从所述静电纺丝装置的喷头喷出到沉积到所述打印基底上之间经过的距离不超过50厘米。
在一个实施例中，静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。
在一个实施例中，一种静电纺丝曲丝打印及应用，提供了一种所述支架为半月板时，针对半月板的不同位置，采用多种层次结构。
借助于上述技术方案，通过打印单丝形态的变化，在静电打印的基础上，通过调整各种参数，从而控制打印出丝的形态，在打印间距较低时，电压较低，打印速度较快时，丝线呈直线运行；降低速度并相应调整后呈曲线；进一步降低后可成无规则曲线。同时，调整打印间距、电压、出料速度，可以控制丝线直径。通过这种调控方法，控制丝线形态，在支架的合适的位置打印出适当的结构，为后续做基础。支架结构的差异性变化，采用电纺曲丝打印技术，针对希望得到的支架，在不同的部位采用不同的打印参数，从而得到不同的结构。通过这种方式，可以制备特殊的，适合于所形成结构的复合支架。如制造半月板支架时，针对半月板的不同位置的不同需求，可以采用多种层次结构，进一步增加精度的同时具有更加合理的结构特性。支架加工的变化，在支架打印过程中，可以通过对于打印墨水的更换或调节；或者与打印完成后针对不同位置增加不同的生长因子或其他具有生物学功能的物质，采用这种方式可以使打印支架具有分层、分区的效果，进而获得更加多样化且贴合应用的支架。
实施例一：
如图5所示，采用电纺打印制备多层复合半月板支架，打印支架如图所示，使用PCL材料，65℃熔融电纺打印，底层采用网格型直丝打印，维持形态，同底层关节面相固定，减少同周围组织磨损；中层采用曲丝打印，增加打印交联程度(如图3所示)，增加弹性支撑力，为整体形态提供更好的力学支撑，上层采用直丝30°向性打印，从而更好的减少同股骨关节面的摩擦。并且在制备后支架上添加附着TGF-β生长因子，诱导并促进组织的修复生长。种植MSC细胞体外诱导成软骨后，行手术植入体内，替代原本损伤半月板。提供支撑的同时减少关节表面磨损。
实施例二：
如图6所示，采用电纺打印制备多层复合软骨支架，打印支架如图所示，使用PLGA为主体材料，120℃熔融电纺打印，分三层打印，底层同中层采用曲丝打印，增加打印交联程度(如图3所示)，增加弹性支撑力，为整体形态提供更好的力学支撑，同时，底层材料混合10％HA，促进骨形成及相互连接，中层混合TGF-β同IGF-1，上层采用直丝30°向性打印，混合TGF-β同 BMP-7，诱导表层软骨形成并向性分布，从而更好的减少同关节面的摩擦。种植MSC细胞体外诱导成软骨后，行手术植入体内，替代原本损伤半月板。提供支撑的同时减少关节表面磨损。
实施例三：
如图7所示，采用电纺打印制备多层复合骨缺损修复支架，打印支架如图所示，使用PLLA为主体材料，二氯甲烷溶解制成30％PLLA+5％β-TCP溶液，电纺打印，同心圆形三层打印，外层采用同心圆形堆积打印，限制支架范围，同时易于骨膜爬行蔓延生长，中层采用曲丝打印，增加打印交联程度增加弹性支撑力，为整体形态提供更好的力学支撑，内层使用网格状打印，易于内骨膜形成及骨髓血通过，干细胞富集并再生。
工作原理：采用生物相容性好的材料，包括但不限于生物材料(如脱细胞基质、水凝胶等)；有机高分子材料(如PCL，PLGA，PLLA等)，并可采用熔融或有机溶剂溶解的方式制备打印墨水，结合静电纺丝3D打印，同时控制平台或者打印针头在三维空间中位移，位移过程中不断调整各种参数，进而控制打印物体的形态结构，使之更加切合于应用需求。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过控制电纺打印丝径的形态及打印路径，借助静电纺丝打印特性，打印制备不同形态的支架。并可利用支架在不同区域负载不同的细胞、生物因子等物质，从而形成可控的孔隙率、较大的表面积、良好的生物相容性、打印丝线相互交织形成的良好力学属性等特性。利用该支架替代修复组织，为正常组织的损伤修复提供基础。基于静电纺丝3D打印技术，通过控制不同参数使得打印材料呈不同的曲丝状态，并在打印过程中相互交联，增加力学和生物学特性，用于制备不同的内植物或填充材料。通过控制不同的打印丝径和弯曲程度，从而改变单丝强度和交联程度，进而改变打印物整体的力学性质，孔隙率以及生物学特性。从而更好的制备适合的内植物或填充材料，满足临床的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，包括以下步骤：
通过在计算机中绘制三维模型，对所述三维模型进行分层处理，获取所述三维模型的各层截面的轮廓数据和填充数据；
选取多种适用于静电纺丝的高分子材料，利用热熔或溶剂溶解的方法获取多份用于静电纺丝的3D打印材料，将获取的多份用于静电纺丝的3D打印材料分别对应装入到多个纺丝喷头内；
静电纺丝装置对高分子材料进行静电纺丝，使静电纺丝产物在电场力的作用下向打印基底运动，按预定轮廓沉积到所述打印基底上的特定位置；
在静电打印的基础上，通过调整各种参数，控制打印出丝的形态，调整工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作距离，设置工作平台与多个纺丝喷头之间的不同工作电压；
其中，在打印间距较低时，电压较低，打印速度较快时，丝线呈直线运行；降低速度并相应调整后呈曲线；进一步降低后可成无规则曲线；
同时，调整打印间距、电压、出料速度，可以控制丝线直径；
通过调控的方法，控制丝线形态，在支架的合适的位置打印出适当的结构，为后续做基础；
采用电纺曲丝打印技术，在不同的部位采用输入不同的打印参数，得到不同的结构，最终形成所得的支架；
支架打印过程中，通过对于打印墨水的更换及调节；配合将打印完成后针对不同位置增加不同的生长因子或其他具有生物学功能的物质，使打印支架具有分层、分区的效果，获得更加多样化且贴合应用的支架。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，所述3D打印材料的流出速度为0.1-10ml/h。
3.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，所述沉积材料每层的层厚为0.01-0.5毫米。
4.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，所述有机高分子材料为聚乳酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、尼龙、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚己内酯、聚谷氨酸、纤维素、聚酰亚胺中的任一种或多种，所用高分子溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、甲酸、二甲基甲酰胺、N,N-二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮中的任一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，静电纺丝的电压范围为1-50千伏,所述静电纺丝产物从所述静电纺丝装置的喷头喷出到沉积到所述打印基底上之间经过的距离不超过50厘米。
6.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印，其特征在于，静电纺丝时的环境温度控制在0-35摄氏度，环境相对湿度控制在5-50％。
7.根据权利要求1所述的一种静电纺丝曲丝打印及应用，其特征在于，所述支架为半月板时，针对半月板的不同位置，采用多种层次结构。
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