CN113172887A - 一种仿生同轴3d打印喷头及具有缓释功能的同轴支架材料 - Google Patents

一种仿生同轴3d打印喷头及具有缓释功能的同轴支架材料 Download PDF

Info

Publication number
CN113172887A
CN113172887A CN202110277324.XA CN202110277324A CN113172887A CN 113172887 A CN113172887 A CN 113172887A CN 202110277324 A CN202110277324 A CN 202110277324A CN 113172887 A CN113172887 A CN 113172887A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nozzle
coaxial
printing
slurry
bionic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110277324.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113172887B (zh
Inventor
朱钰方
赵超前
吴成铁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Ceramics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority to CN202110277324.XA priority Critical patent/CN113172887B/zh
Publication of CN113172887A publication Critical patent/CN113172887A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113172887B publication Critical patent/CN113172887B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/18—Macromolecular materials obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明涉及一种仿生同轴3D打印喷头及具有缓释功能的同轴支架材料，所述仿生同轴3D打印喷头的结构包括：用于喷涂外层浆料的锥形外喷头，以及同轴设置在外喷头内部的用于喷涂内层浆料的内喷头；所述内喷头包括：一体成型的第一针头部和第一针管部；所述外喷头包括：一体成型的第二针头部和第二针管部；以第一针管部的出口为第一喷嘴，第二针管部的出口为第二喷嘴，所述第一喷嘴的内径为400μm～800μm，所述第二喷嘴内径为400μm～800μm；所述外喷头的长度＞内喷头的长度，且第一喷嘴和第二喷嘴的垂直距离≤3 mm。

Description

一种仿生同轴3D打印喷头及具有缓释功能的同轴支架材料
技术领域
本发明涉及一种仿生同轴3D打印喷头及使用该喷头3D打印制备的同轴支架材料，属于3D打印领域。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术，是将材料逐层堆积制造的技术。3D打印技术可以精准制备复杂且尺寸可控的结构，在航空航天、生物医疗、模具、教育、汽车和建筑等领域具有广泛的应用。聚焦精准医疗的目标，3D打印支架材料在组织修复与治疗等领域应用中产生了更多的需求，例如要求支架材料具有缓释的功能。同轴支架材料是实现支架缓释功能的理想构型之一，一方面内层材料可以缓释功能组分，另一方面外层材料起到进一步控制缓释功能组分的向外扩散速率并发挥力学支撑作用，从而实现结构与功能的统一。
目前，3D打印技术已经有同轴喷头问世，其可以制备一定类型的同轴支架材料，比如粘度较稀的水凝胶支架材料。但是这类同轴喷头有一定的劣势，即难以挤出高粘度浆料以及制备精细结构。主要原因在于这类同轴喷头的管道多采用直管，由此产生的阻力太大而不容易挤出浆料进行打印。另外，此类同轴喷头存在的结构设计问题，使得打印过程中的外层材料与内层材料尺寸差别较大而分离；最关键的是支架线宽较粗，多数在1mm以上，若是制备更细同轴纤维，喷头容易发生堵塞问题。以上这些因素导致了目前同轴喷头制备的支架材料精度较差。
仿生学是目前材料设计和制备研究的前沿与热点，最主要的原因是生物经过漫长的进化具有结构和功能的优势。学习自然与生物并理解其背后的原理，通过消化吸收和创造，有望解决诸多材料结构与功能中的难题。
而且，目前3D支架材料的缓释方面的专利主要集中于药物和因子的缓释，实现的方法有涂层和包裹，而使用同轴3D打印支架作为其载体的研究还少见报道。与此同时，需要负载的药物和因子均是微量级的，而对大剂量物质(如葡萄糖)的负载较少涉及。由于需要负载的物质是水溶性的，如何实现其长期、稳定和大量的释放是难点所在。葡萄糖是骨细胞的主要能量来源之一，若能实现支架大剂量的葡萄糖的负载并能长效的缓释，将大大提高支架的骨修复效果。
发明内容
为此，本发明提供了一种仿蚕吐丝的仿生同轴3D打印喷头以及利用该喷头制备的具有缓释功能的同轴支架材料。
第一方面，本发明提供了一种仿生同轴3D打印喷头，所述仿生同轴3D打印喷头的结构包括：用于喷涂外层浆料的锥形外喷头，以及同轴设置在外喷头内部的用于喷涂内层浆料的内喷头；
所述内喷头包括：一体成型的第一针头部和第一针管部；
所述外喷头包括：一体成型的第二针头部和第二针管部；
以第一针管部的出口为第一喷嘴，第二针管部的出口为第二喷嘴，所述第一喷嘴的内径为400μm～800μm，所述第二喷嘴内径为400μm～800μm；
所述外喷头的长度＞内喷头的长度，且第一喷嘴和第二喷嘴的垂直距离≤3mm；
优选地，所述第一喷嘴和第二喷嘴的垂直距离为0.5～2mm。
在本发明人前期研究过程中，蚕丝具有精细的同轴结构，外层为丝胶蛋白和内层为丝素蛋白，其中丝胶蛋白具有保护和连接的作用，丝素蛋白则具有较高的机械强度。通过分析蚕吐丝器结构，发现其后丝腺会分泌丝素溶液，待丝素溶液进入到中丝腺后，会被中丝腺分泌的丝胶溶液所包裹，丝胶与丝素的复合溶液最终从前丝腺和吐丝口吐出而固化(如图1和图2所示)。
经过本发明人进一步研究发现：1、虽然可将蚕通道可认为是直通道，但是其很长且弯；2、蚕是通过丝腺分泌丝素蛋白溶液，丝素蛋白溶液进入丝胶溶液，然后二者一起被挤出，出口处固化。针对这种吐丝器结构的仿生，本发明人首先想到的是将同轴喷头的设计亦分为三段式结构，分别对应后丝腺、中丝腺和前丝腺(包括吐丝口)，参照图1和图2，从仿生学角度，2-5和2-9，2-6和2-10，2-7和2-11，2-8和2-12分别对应于1-4，1-5，1-6和1-7。但若是简单地蚕的吐丝结构进行简化，其结构简图如图11所示。该结构根本不能用于3D打印，主要原因在于11-2中丝腺太靠近11-3前丝腺和11-4吐丝口，致使侧料筒无处安放；流道均为直流道不利于浆料的挤出。因此，如何将蚕吐丝结构转换为3D打印用仿生喷头成为所要解决的技术问题。
为此，本发明人首先将外喷头做成锥形形状，可以容纳更多的外层浆料。同时将内喷头的针管继续延伸至外喷头的靠近喷嘴的位置。但是本发明人进一步发现，若是将外喷头的喷嘴和内喷头的喷嘴持平，其又与常规同轴喷头一致，还是会出现喷头堵塞情况。为此，本发明人通过将内喷头喷嘴远离外喷头的喷嘴一段距离，即使外针头的喷嘴内径≤内针头的喷嘴内径，此时不再出现堵喷头的情况。再进一步，本发明人继续将内喷头的喷嘴远离外喷头的喷嘴，发现虽然不再堵塞喷涂，但是所得同轴纤维又出现了内喷头的料堆积，导致内层浆料偏离中心，甚至与外层浆料混合的情况。
在外喷头的第二喷嘴的内径为400μm～800μm，内喷头的第一喷嘴的内径为400μm～800μm的基础上，本发明人设置内喷头的长度＞外喷头的长度，且内喷头喷嘴和外喷头喷嘴的垂直距离≤3mm(优选为0.5～2mm之间)，不仅防止了喷头堵塞，同时也制备得到同心且更加精细的纤维。
较佳的，所述内喷头包括：一体成型的第一针头部和第一针管部，且在第一针头部的上方或一侧设置有第一进料口；优选地，所述第一针管部的轴截面形状为锥形或矩形。简单来说，第一针管部的形状可为直通道和锥形通道，优选为锥形通道。
又，较佳的，所述仿生同轴3D打印喷头还包括连接在第一进料口的第一料筒。
较佳的，所述外喷头包括：一体成型的第二针头部、第二针管部，以及位于第二底部针管部一侧的第二进料口(参见图2中2-2)；优选地，所述第一料筒和第一进料口之间通过进料接口部件(图中为示出，其结构与图3中3-3基本相同)连接；更优选地，所述进料接口部件和第一进料口之间通过螺纹连接。
又，较佳的，所述仿生同轴3D打印喷头还包括连接在第二进料口的第二料筒(参见图2中2-1)；优选地，所述第二料筒和第二进料口之间通过进料接口部件(参见图3中3-2)连接；更优选地，所述进料接口部件和第二进料口之间通过螺纹连接。
较佳的，所述内喷头的第一喷嘴的内径≥外喷头的第二喷嘴的内径。
较佳的，所述内喷头和外喷头之间通过螺纹连接(参照图3中(b)和(c)，通过螺纹3-1-5和3-2-5实现密封和连接)。所述外喷头还包括连接在第二针管部上的第三针管部(图2中(d)中2-13)，所述第三针管的内径＝第二喷嘴的内径，第三针管的长度≤1mm，主要是为了保证浆料平稳。
第二方面，本发明提供了一种含有上述仿生同轴3D打印喷头的3D打印机，所述3D打印机的结构为龙门式结构、三角洲式结构或Ultimaker式结构。
第三方面，本发明提供了一种同轴支架材料，所述同轴支架材料中同轴纤维的内层为天然高分子纤维，外层材料为高分子材料/无机陶瓷包覆层；优选地，所述同轴纤维的总直径为0.4～1.0mm，所述高分子材料/无机陶瓷包覆层的厚度为0.2～0.5mm；更优选地，所述高分子材料/无机陶瓷包覆层中高分子材料：无机陶瓷的质量比为5:1～1:1。
较佳的，所述同轴支架材料中同轴纤维的内层为淀粉纤维，外层材料为PLGA/β-TCP包覆层。较佳的，所述同轴纤维的总直径为0.4～1.0mm，所述PLGA/β-TCP包覆层的厚度为0.2～0.5mm。
较佳的，所述PLGA/β-TCP包覆层中PLGA：β-TCP的质量比为5：1～1：1。
较佳的，所述淀粉中分散有淀粉葡萄糖苷酶，淀粉葡萄糖苷酶的用量为50～200U/g淀粉；或者，所述PLGA/β-TCP中分散有淀粉葡萄糖苷酶，淀粉葡萄糖苷酶的用量为500U～2000U/g淀粉。
第四方面，本发明提供了一种上述同轴支架材料的打印方法，以淀粉浆料作为内层浆料，PLGA/β-TCP浆料作为外层浆料，通过所述仿生同轴3D打印喷头按照同轴支架材料的结构模型进行打印，得到坯体；再经过冷冻干燥，得到所述同轴支架材料。
较佳的，将淀粉和水的按照质量比为1：3～1：9混合后煮沸5～10分钟，得到所述淀粉浆料；所述PLGA/β-TCP浆料所用溶剂为二氯甲烷，其中二氯甲烷：(PLGA+β-TCP)的质量比值为3：1～1：1；优选地，在所得淀粉浆料或PLGA/β-TCP浆料中加入淀粉葡萄糖苷酶。
较佳的，通过气压控制器调控施加在内层浆料或外层浆料上气压大小作为挤出压力以实现3D打印，所述气压的范围为100kPa～1MPa；优选地，所述内层浆料的挤出压力为300kPa～600kPa，所述外层浆料的挤出压力为250kPa～550kPa，且内层浆料的挤出压力比外层浆料高50～100kPa。
较佳的，所述内层浆料和外层浆料的挤出速率为1～10mm/s，所述仿生同轴3D打印喷头的打印速率为1～10mm/s。
有益效果
本发明通过仿生蚕吐丝过程设计与制备仿生同轴3D打印喷头，该喷头应用于3D打印后显著降低了打印线宽和提高了3D打印同轴支架的精度；
本发明制备的同轴支架材料中，外层材料负责支撑，内层材料发挥功能，所制备的同轴支架可以发挥缓释的功能，拓展了3D打印支架的应用范围，有利于提高组织修复效果；
本发明制备的同轴支架材料具有缓释葡萄糖的功能，该功能的实现是通过淀粉葡萄糖苷酶催化淀粉产生。生物酶的应用使得支架具有长期、稳定和足量释放葡萄糖的能力。该支架在组织工程领域具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为蚕吐丝示意图(a)与吐丝器结构(b)，其中1-1为桑叶，1-2为桑蚕，1-3为蚕丝，1-4为后丝腺，1-5为中丝腺，1-6为前丝腺，1-7为吐丝口；
图2为同轴3D打印机及仿生同轴喷头，其中(b)表示内喷头的针管部分为直通道，2(c)表示内喷头的针管部分为锥形通道，(d)为(c)的部分放大图，其中2-1为第一料筒，2-2为第二料筒，2-3为仿生喷头，2-4为3D打印机，2-5和2-9为内喷头，2-6和2-10为外喷头，2-7-和2-11-仿生喷头流道，2-8-和2-12为仿生喷头喷嘴(外喷头的第二喷嘴)；
图3为可拆解同轴喷头(a)及分解结构(b-d)，其中3-1-内喷头，3-2-外喷头，3-3第二进料口的进料连接部件；
图4为参数不同的仿生喷头实物图，其中(a)表示常规喷头，(b)、(c)和(d)分别表示喷嘴直径D为0.8mm、0.6mm和0.4mm；
图5常规喷头制备的支架(a)及微观结构(b-d)；
图6为使用0.8mm喷头制备的支架(a)及微观结构(b-d)；
图7为使用0.6mm喷头制备的支架(a)及微观结构(b-d)；
图8为使用0.4mm喷头制备的支架(a)及微观结构(b-d)；
图9为具有缓释功能的同轴支架材料的葡萄糖释放曲线；
图10为仿生同轴3D打印喷头的结构示意图；
图11为蚕吐丝器结构简化图，其中，11-1为后丝腺，11-2为中丝腺，11-3为前丝腺，11-4为吐丝口；
图12为实施例5制备轴支架材料的实物照片；
图13为本发明实施例6制备的同轴支架材料的截面的SEM图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，通过内喷头和外喷头来控制同轴浆料内外两层材料的尺寸，特别是通过控制外喷头的喷嘴尺寸以及外喷头喷嘴和内喷头喷嘴的垂直距离，从而使得这种仿生同轴3D打印喷头可以制备更加精细的同轴支架材料。
在可选的实施方式中，如图3中(b)所示，内喷头(3-1)包含一体成型的第一针头部(3-1-1)和第一针管部(3-1-2)，且在第一针头部的上方或一侧设置有第一进料口(3-1-3)。其中，第一针管部的轴截面形状为锥形，或者参照图2中(b)第一针管部的截面为矩形。其中，第一针管部(3-1-2)的底部为内喷头的喷嘴(3-1-4)。
在可选的实施方式中，如图3中(c)所示，外喷头(3-2)包含一体成型的第二针头部(3-2-1)、第二针管部(3-22)，以及位于第二底部针管部一侧的第二进料口(3-2-3)。其中，第二针管部(3-2-2)的底部为外喷头的喷嘴(3-2-4)。
在可选的实施方式中，仿生同轴3D打印喷头通过控制两个料筒(第一料筒和第二料筒)的进料量来控制内层浆料和外层浆料的挤出，两个料筒分别接两个气路。该气路可通过气压控制器。该气路的气压范围介于100kPa～1MPa(优选100kPa～600kPa)。其中，料筒可为通用点胶料筒，规格10ml-50ml。料筒可以为金属，比如不锈钢；亦可以为塑料，比如聚乙烯塑料。
在可选的实施方式中，仿生同轴3D打印喷头可以设计成可拆解结构，以方便加工以及3D打印后喷头清洗。各部分可以通过螺纹连接起来，以达到密封的效果。
在本发明中，通过选用不同尺寸的内外喷头，来制备不同规格的同轴支架材料。其中，外喷头中第二喷嘴的内径(D)尺寸介于400μm-800μm；内喷头中第一喷嘴内径(d)尺寸400-800μm；内喷头中第一喷嘴与外喷头中第二喷嘴的距离L介于0-3mm。
在本发明中，该仿生同轴3D打印喷头可应用在3D打印机中。所改进的3D打印机的结构可为通用型的龙门式结构。
在本公开中，利用仿生同轴3D打印喷头制备本发明中同轴支架材料。
在本发明中，内层浆料可为天然高分子浆料，如纯淀粉浆料。外层浆料可为高分子材料/无机陶瓷复合浆料，例如PLGA/β-TCP复合浆料。为了缓释葡萄糖，选择生物酶作为催化剂，例如淀粉葡萄糖苷酶等。该生物酶可加入至天然高分子浆料中，或可加入至高分子材料/无机陶瓷复合浆料之中。
本发明中同轴支架材料具有缓释功能(例如缓释葡萄糖)。其中，葡萄糖是由淀粉葡萄糖苷酶催化产生，该酶可以与内层淀粉浆料中混合后打印，也可以加入到外层PLGA/β-TCP复合浆料中。当淀粉葡萄糖苷酶与内层淀粉混合时，使用的量为50-200U/g淀粉。当淀粉葡萄糖苷酶与外层PLGA/β-TCP混合时，使用的量为500U-2000U/g淀粉。例如，生物酶可以与淀粉浆料或PLGA/β-TCP复合浆料于低温下(如0℃)混合，然后作为内外层浆料而被挤出。
其中，淀粉浆料的制备过程为淀粉与水的混合比例可为1：3-1：9，然后煮沸5-10min。
其中，PLGA/β-TCP复合浆料中PLGA：β-TCP的比可为5：1-1：1。使用的溶剂为二氯甲烷，其中二氯甲烷：(PLGA+β-TCP)质量比可为3：1-1：1。
当两种浆料同时挤出，其中内层浆料挤出时的压力大于外层浆料。同轴浆料的挤出速率需要与打印速度匹配。例如，内层浆料的挤出压力为300kPa-600kPa，外层浆料的挤出压力为250kPa-550kPa。内层浆料挤出压力比外层浆料高50-100kPa。挤出速率可为1-10mm/s，打印速度与之相匹配为1-10mm/s。3D打印线宽介于0.4-1.0mm。
总的来说，本发明中仿生同轴3D打印喷头设计源于仿生蚕丝吐丝过程和吐丝器结构解析，并通过简化和优化制造了仿生同轴喷头。本发明中，同轴支架材料外层材料为PLGA/β-TCP具有支撑的作用，而内层材料为淀粉材料具有缓释的功能。淀粉葡萄糖苷酶催化淀粉水解产生葡萄糖，该酶的使用赋予了同轴支架缓释葡萄糖的功能。仿生喷头使制备的同轴支架具有更高的精度，同时淀粉葡萄糖苷酶的催化功能赋予了同轴支架缓释葡萄糖的功能，该支架有望应用于骨组织工程。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.8mm，D＝0.8mm和L＝1mm的喷头，如图4中(b)所示：
PLGA/β-TCP浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.5g。室温下密封放置12h，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。在计算机上导入同轴支架结构模型文件，然后设置打印参数。其中打印速度为2mm/s，打印层厚为0.8mm，打印线宽为0.8mm。通2-1和2-2-料筒的气压为350kPa和300kPa；
打印好的支架放入-20℃冰箱中冷冻4h，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h。所制备的支架及微观图见图6。
实施例2
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.6mm，D＝0.6mm和L＝1mm的喷头，如图4中(c)所示：
PLGA/β-TCP的浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.5g。室温下密封放置12h，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。在计算机上导入同轴支架结构模型文件，然后设置打印参数。其中打印速度为2.5mm/s，打印层厚为0.6mm，打印线宽为0.6mm。通2-1和2-2-料筒的气压为450kPa和400kPa；
打印好的支架放入-20℃冰箱中冷冻4h，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h。所制备支架及微观图见图7。
实施例3
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.6mm，D＝0.4mm和L＝1mm的喷头，如图4中(c)所示：
PLGA/β-TCP的浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.5g。室温下密封放置12h，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。在计算机上导入同轴支架结构模型文件，然后设置打印参数。其中打印速度为2mm/s，打印层厚为0.4mm，打印线宽为0.4mm。通2-1和2-2-料筒的气压为550kPa和500kPa；
打印好的支架放入-20℃冰箱中冷冻4h，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h。所制备的支架及微观图见图8。
实施例4
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.8mm，D＝0.6mm和L＝1mm的喷头，如图4中(c)所示。
PLGA/β-TCP的浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.0g。使用冰块将温度降至0℃，加入淀粉葡萄糖苷酶150U和0.5g去离子水，搅拌均匀。放置于0-4℃冰箱中，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。在计算机上导入同轴支架结构模型文件，然后设置打印参数。其中打印速度为2.5mm/s，打印层厚为0.6mm，打印线宽为0.6mm。通2-1和2-2-料筒的气压为450kPa和400kPa；
打印好的支架放入-20℃冰箱中冷冻4h，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥12h。
取上述制备的同轴支架，按支架重量：缓冲溶液为0.2g/ml取PBS缓冲液(pH＝7.4)，并将两者置于50ml的离心管中。然后将离心管放入37℃环境中，每24h取样0.5ml并更换新缓冲溶液，持续7天。
使用紫外分光光度计和标准葡萄糖溶液获取吸光度与浓度关系的标准曲线。将获取的支架浸泡溶液与DNS溶液混合，然后于沸水中煮沸10min，最后将获取吸光度值与标准曲线比对，而得到浸泡溶液的浓度值。同轴支架的葡萄糖释放曲线见图9。
实施例5
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.6mm，D＝0.6mm和L＝0mm的喷头：
PLGA/β-TCP的浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.5g。室温下密封放置12h，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。使用这种喷头，只能挤出淀粉浆料，不能挤出PLGA/β-TCP而无法获得同轴结构，只能从内喷头挤出淀粉浆料，如图12所示。
实施例6
根据仿生喷头的设计，制造了d＝0.6mm，D＝0.6mm和L＝3mm的喷头，如图4中(c)所示：
PLGA/β-TCP的浆料的配置：取1.5g PLGA和3.5gβ-TCP加入到100ml烧杯中，然后加入20g二氯甲烷。于室温下密封放置12h后，机械搅拌并将溶剂挥发至5g，待用；
淀粉浆料的配置：取1.5g马铃薯淀粉和10g去离子水加入到100ml烧杯中，然后使用加热器煮沸，并将去离子水蒸发至4.5g。室温下密封放置12h，待用；
同轴支架的3D打印：淀粉浆料加入到2-1-料筒中，PLGA/β-TCP浆料加入到2-2料筒中；将2-3-仿生喷头、2-1和2-2-料筒按照图2中(a)所示安装在2-4-3D打印机上。使用这种喷头，获得的同轴支架，内外层材料不同心，如图13所示。

Claims (15)

1.一种仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述仿生同轴3D打印喷头的结构包括：用于喷涂外层浆料的锥形外喷头，以及同轴设置在外喷头内部的用于喷涂内层浆料的内喷头；
所述内喷头包括：一体成型的第一针头部和第一针管部；
所述外喷头包括：一体成型的第二针头部和第二针管部；
以第一针管部的出口为第一喷嘴，第二针管部的出口为第二喷嘴，所述第一喷嘴的内径为400μm～800μm，所述第二喷嘴内径为400μm～800μm；
所述外喷头的长度＞内喷头的长度，且第一喷嘴和第二喷嘴的垂直距离≤3 mm；
优选地，所述第一喷嘴和第二喷嘴的垂直距离为0.5～2 mm。
2.根据权利要求1所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述内喷头还包括：在第一针头部的上方或一侧设置有第一进料口；优选地，所述第一针管部的轴截面形状为锥形或矩形。
3.根据权利要求1或2所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述外喷头还包括：位于第二底部针管部一侧的第二进料口。
4.根据权利要求1所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述第一喷嘴的内径≥第二喷嘴的内径。
5.根据权利要求2所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述仿生同轴3D打印喷头还包括连接在第一进料口的第一料筒；优选地，所述第一料筒和第一进料口之间通过进料接口部件连接；更优选地，所述进料接口部件和第一进料口之间通过螺纹连接。
6.根据权利要求3所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述仿生同轴3D打印喷头还包括连接在第二进料口的第二料筒；优选地，所述第二料筒和第二进料口之间通过进料接口部件连接；更优选地，所述进料接口部件和第二进料口之间通过螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的仿生同轴3D打印喷头，其特征在于，所述内喷头和外喷头之间通过螺纹连接；所述外喷头还包括连接在第二针管部上的第三针管部，所述第三针管的内径=第二喷嘴的内径，第三针管的长度≤1mm。
8.一种含有权利要求1-7中任一项所述的仿生同轴3D打印喷头的3D打印机，其特征在于，所述3D打印机的结构为龙门式结构。
9.一种同轴支架材料，其特征在于，所述同轴支架材料中同轴纤维的内层为天然高分子纤维，外层材料为高分子材料/无机陶瓷包覆层；优选地，所述同轴纤维的总直径为0.4～1.0 mm，所述高分子材料/无机陶瓷包覆层的厚度为0.2～0.5mm；更优选地，所述高分子材料/无机陶瓷包覆层中高分子材料：无机陶瓷的质量比为5:1～1:1。
10.根据权利要求9所述的同轴支架材料，其特征在于，所述天然高分子纤维为淀粉纤维，所述高分子材料为PLGA，所述无机陶瓷为β-TCP。
11.根据权利要求10所述的同轴支架材料，其特征在于，所述淀粉中分散有生物酶，淀生物酶的用量为50～200U/g淀粉；或者，所述PLGA/β-TCP中分散有生物酶，生物酶的用量为500U～2000U/g淀粉；优选地，所述生物酶为淀粉葡萄糖苷酶。
12.一种权利要求10或11所述的同轴支架材料的打印方法，其特征在于，以淀粉浆料作为内层浆料，PLGA/β-TCP浆料作为外层浆料，通过所述仿生同轴3D打印喷头按照同轴支架材料的结构模型进行打印，得到坯体；再经过冷冻干燥，得到所述同轴支架材料。
13.根据权利要求12所述的打印方法，其特征在于，将淀粉和水的按照质量比为1:3～1:9混合后煮沸5～10分钟，得到所述淀粉浆料；所述PLGA/β-TCP浆料所用溶剂为二氯甲烷，其中二氯甲烷：（PLGA+β-TCP）的质量比值为3:1～1:1；优选地，在所得淀粉浆料或PLGA/β-TCP浆料中加入淀粉葡萄糖苷酶。
14.根据权利要求12或13所述的打印方法，其特征在于，通过气压控制器调控施加在内层浆料或外层浆料上气压大小作为挤出压力以实现3D打印，所述气压的范围为100 kPa～1MPa；优选地，所述内层浆料的挤出压力为300kPa～600kPa，所述外层浆料的挤出压力为250kPa～550kPa，且内层浆料的挤出压力比外层浆料高50～100 kPa。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述内层浆料和外层浆料的挤出速率为1～10mm/s，所述仿生同轴3D打印喷头的打印速率为1～10mm/s。
CN202110277324.XA 2021-03-15 2021-03-15 一种具有缓释功能的同轴支架材料 Active CN113172887B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110277324.XA CN113172887B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种具有缓释功能的同轴支架材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110277324.XA CN113172887B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种具有缓释功能的同轴支架材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113172887A true CN113172887A (zh) 2021-07-27
CN113172887B CN113172887B (zh) 2023-04-07

Family

ID=76922033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110277324.XA Active CN113172887B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种具有缓释功能的同轴支架材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113172887B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989000045A1 (en) * 1987-06-30 1989-01-12 Riker Laboratories, Incorporated Pellets with enzymatically controlled drug release
CN102817105A (zh) * 2012-08-24 2012-12-12 上海交通大学 核壳结构合成高分子-天然高分子复合纤维的制备方法
CN205251765U (zh) * 2015-12-30 2016-05-25 四川蓝光英诺生物科技股份有限公司 生物打印机
CN105997945A (zh) * 2016-07-08 2016-10-12 四川大学 可传送两种或两种以上药物的高分子纳米粒制备方法
CN106671408A (zh) * 2017-03-11 2017-05-17 河南理工大学 一种新型柔性3d生物打印同轴喷头及其制作使用方法
CN107031045A (zh) * 2017-06-09 2017-08-11 合肥智格电子信息科技有限公司 一种3d打印机的打印头
CN108000867A (zh) * 2017-12-26 2018-05-08 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种可控的熔丝沉积型混合3d打印喷头及打印机
CN108215165A (zh) * 2018-01-25 2018-06-29 清华大学 一种皮芯结构纤维智能图案及其打印方法和应用
CN207983993U (zh) * 2018-03-05 2018-10-19 郑州智高电子科技有限公司 一种3d打印机及其打印头
US20190255770A1 (en) * 2015-12-30 2019-08-22 Revotek Co., Ltd Bioprinter spray head assembly and bioprinter
CN111923410A (zh) * 2020-10-13 2020-11-13 季华实验室 3d打印机喷头
CN112109324A (zh) * 2019-06-20 2020-12-22 中国科学院福建物质结构研究所 一种具有三明治结构双组份材料及其基于3d打印的制备方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989000045A1 (en) * 1987-06-30 1989-01-12 Riker Laboratories, Incorporated Pellets with enzymatically controlled drug release
CN102817105A (zh) * 2012-08-24 2012-12-12 上海交通大学 核壳结构合成高分子-天然高分子复合纤维的制备方法
CN205251765U (zh) * 2015-12-30 2016-05-25 四川蓝光英诺生物科技股份有限公司 生物打印机
US20190255770A1 (en) * 2015-12-30 2019-08-22 Revotek Co., Ltd Bioprinter spray head assembly and bioprinter
CN105997945A (zh) * 2016-07-08 2016-10-12 四川大学 可传送两种或两种以上药物的高分子纳米粒制备方法
CN106671408A (zh) * 2017-03-11 2017-05-17 河南理工大学 一种新型柔性3d生物打印同轴喷头及其制作使用方法
CN107031045A (zh) * 2017-06-09 2017-08-11 合肥智格电子信息科技有限公司 一种3d打印机的打印头
CN108000867A (zh) * 2017-12-26 2018-05-08 华中科技大学鄂州工业技术研究院 一种可控的熔丝沉积型混合3d打印喷头及打印机
CN108215165A (zh) * 2018-01-25 2018-06-29 清华大学 一种皮芯结构纤维智能图案及其打印方法和应用
CN207983993U (zh) * 2018-03-05 2018-10-19 郑州智高电子科技有限公司 一种3d打印机及其打印头
CN112109324A (zh) * 2019-06-20 2020-12-22 中国科学院福建物质结构研究所 一种具有三明治结构双组份材料及其基于3d打印的制备方法
CN111923410A (zh) * 2020-10-13 2020-11-13 季华实验室 3d打印机喷头

Also Published As

Publication number Publication date
CN113172887B (zh) 2023-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101543645B (zh) 聚己内酯pcl静电纺丝神经导管及其制备和应用
CN104874027B (zh) 多药物可控负载梯度再生骨支架的制备方法
CN110004058B (zh) 多尺度纤维增强的微流道活性管状组织3d打印装置及方法
KR101569680B1 (ko) 인공 혈관 제조 장치 및 제조 방법
CN104207859B (zh) 利用旋转堆积法制备组织器官的方法及专用设备
CN103088442A (zh) 一种同轴静电纺丝制备中空纤维的方法
CN107898533B (zh) 人工载药同轴再生血管支架及其复合工艺制备方法
CN106510898A (zh) 一种基于多通道喷嘴的多组分三维生物打印装置和方法
KR101437850B1 (ko) 융합형 세포배양지지체 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 세포배양지지체
CN108570768A (zh) 一种制备复合抑菌纳米纤维膜的方法和装置
CN113172887B (zh) 一种具有缓释功能的同轴支架材料
CN109853054A (zh) 一种同轴静电纺丝三维打印生物支架的装置及搭建方法
CN106762219A (zh) 一种新式二元塞式喷管
CN111607514A (zh) 复合生物材料动态混合生物3d打印平台
CN110575607A (zh) 一种药物球囊
KR101320932B1 (ko) 세포배양지지체 제조 장치
US20140343662A1 (en) Method and Device for Producing a Bioartificial Tissue Construct
US20150359621A1 (en) Synthetic scaffolds
CN113274557A (zh) 一种具有单侧药物释放能力载药血管支架覆膜及其制备方法
CN107281548B (zh) Y型含细胞的神经导管制备方法
CN104963025A (zh) 丝素-聚己内酯双组分超细纤维的同轴静电纺丝工艺
CN112659551A (zh) 一种半柔性自定心同轴喷头及其制作方法
KR101417749B1 (ko) 인공혈관 코팅시스템
KR20130119627A (ko) 세포배양스캐폴드 제조장치 및 이를 이용하여 제조된 세포배양스캐폴드
CN113135769B (zh) 表面包覆改性多孔磷酸钙陶瓷微球及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant