CN114603846B - 三维多层结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及先进制造技术领域，具体公开三维多层结构的制备方法。该制备方法以可固化液体作为组装介质，首先利用驻波驱动微模块组装单元形成特定的图案化结构，然后使液体固化使图案化结构固定。然后以所述固定后的图案化结构为组装腔室基底，在组装腔室中加入新的可固化液体和微模块组装单元，利用驻波驱动微模块组装形成第二层图案化结构，然后固化液体使所述第二层图案化结构固定。采用同样的步骤，可依次构建第三层和更高层图案化结构，从而实现三维多层图案化结构的制造。本发明的制备方法具有快速、可控、温和、非侵入的特点。

Description

三维多层结构的制备方法
技术领域
本发明涉及先进制造技术领域，特别涉及三维多层结构的制备方法。
背景技术
三维结构的制造方法可分为“自上而下”的减材制造和“自下而上”的增材制造两种基本策略。减材制造是指从原材料上去除多余部分，进而获得几何形状、尺寸精度和表面质量满足要求的三维结构；增材制造是指基于离散-堆积原理，由三维结构数据驱动材料逐渐累加的制造方法(巩水利.中国航空报，2013，T02，1-4.)。相较于传统的减材制造，增材制造方法具有可实现结构一体化生产成型、原材料利用率高以及能够制造形状复杂多样的精密构件等优势(陈杰.钢丝绳增强3D打印混凝土梁受力性能试验研究[D].浙江大学,2020.)。近年来，增材制造受到了学界和工业界的广泛关注，尤其是3D打印技术得到了快速的发展，在先进制造中显示出巨大的优势，在汽车、航空航天、土木工程、生物医学工程等多个领域崭露头角。然而，作为一项新兴的技术，3D打印技术还存在成型慢、精度低、材料种类少、墨水要求高、容易损伤细胞等缺点。研究人员一方面不断优化3D打印技术，一方面也在努力寻求新的增材制造方法。
法拉第波由英国物理学家Michael Faraday于1831年提出，定义为由液体层的上下垂直振荡产生的加速度所引起的非线性驻波(Faraday,M.Philosophical Transactionsof the Royal Society of London,1831,121,299-340)。2014年，Chen等首次利用法拉第波及其产生的辐射和流体动力驱动微球材料进行组装，获得图案化结构，这种图案化组装仅需几秒就能完成(Chen P,et al.Adv Mater,2014,26,5935-5941)。进一步研究发现法拉第波组装可以精确地操控多种微米级单元，包括细胞等生物活性材料，同时这种组装方式具有温和、非侵入的特点，有利于细胞等生物活性成分的维持(Agg A,et al.MaterialsToday Bio,2021,10.)。然而，受限于法拉第波在液体中的能量分布特征，现有的法拉第波驱动组装仅用于单层图案化结构的构建，尚无构建多层图案化结构的报道。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出三维多层结构的制备方法，采用法拉第波驱动组装构建图案化结构的原理，结合逐层组装的增材制造思想，能够基于法拉第波驱动微模块组装单元形成三维多层图案化结构。
同时，本发明还提供该制备方法的应用。
具体地，本发明采取如下的技术方案：
本发明的第一方面是提供三维多层结构的制备方法，包括如下步骤：
S1.将微模块组装单元分散到可固化液体中，得到预组装液；
S2.向所述预组装液施加驻波，使所述微模块组装单元在预组装液中形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第一层结构；
S3.使所述第一层结构位于另一预组装液的底部，然后施加驻波，使另一预组装液中的微模块组装单元形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第二层结构；
S4.重复步骤S3，得到三维多层结构。
本发明的三维多层结构制备方法利用驻波产生的辐射和流体动力精准驱动微模块组装单元进行组装，获得图案化结构，并对其固化定型，然后以层为单位实现高效地“逐层”累积，成功得到三维多层图案化结构。且该方法能够可在几秒内操控微模块组装单元一步式形成特定的图案化结构，简单快速；每一层结构的图案可通过改变法驻波的频率和振幅、微模块组装单元的化学组成和形态进行调控，从而实现复杂三维结构的制造。
在本发明的一些实例中，所述可固化液体含有可固化前驱体和引发剂。
在本发明的一些实例中，所述可固化前驱体包括甲基丙烯酸酐化高分子、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-乙基甲基丙烯酰胺和聚N-乙烯基异丁酰胺中的至少一种，所述甲基丙烯酸酐化高分子包括甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)。此类物质能够在光照下固化，从而对微模块组装单元形成的图案进行固定。
在本发明的一些实例中，所述引发剂包括光引发剂。所述光引发剂包括苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(LAP)、1-羟环己基苯酮、2-甲基-1-(4-甲硫基苯基)-2-吗啉基-1-丙酮、4-甲基二苯甲酮和异丙基噻吨酮中的至少一种。
在本发明的一些实例中，所述可固化液体中，可固化前驱体的质量体积浓度为2％～20％，优选5％～15％，更优选5％～10％。
在本发明的一些实例中，所述可固化液体中，引发剂的质量体积浓度为0.05％～1％，优选0.05％～0.5％，更优选0.1％～0.5％，进一步优选0.2％～0.3％。
在本发明的一些实例中，所述可固化液体还含有溶剂，所述溶剂包括水、水溶液、有机溶剂中的至少一种。所述水溶液可根据实际需要选择，只要不与微模块组装单元反应、不溶解微模块组装单元、不对可固化液体的固化产生副作用即可，例如磷酸盐溶液、醋酸溶液、氯化钠溶液、细胞培养液等。所述有机溶剂可根据实际情况进行选择，只要不与微模块组装单元反应、不溶解微模块组装单元、不对可固化液体的固化产生副作用，例如乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、四氢呋喃等。
在本发明的一些实例中，在进行步骤S3中使所述预组装液固化的步骤前，所述可固化液体、预组装液均置于避光环境下。
在本发明的一些实例中，所述微模块组装单元不溶于所述可固化液体中。
在本发明的一些实例中，所述微模块组装单元具有微米尺寸，其尺寸为10～500微米，优选50～400微米，更优选100～300微米。
在本发明的一些实例中，所述微模块组装单元包括细胞聚集体、天然高分子材料、合成高分子材料、无机金属材料和无机非金属材料中的至少一种。
在本发明的一些实例中，所述细胞聚集体包括由同种细胞组成的多细胞球体以及由不同细胞组成的共培养聚集体与类器官等。
在本发明的一些实例中，所述天然高分子材料可选壳聚糖、胶原、明胶、纤维素、海藻酸钠等以及这类物质的载细胞微球、载药微球，合成高分子可选聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、聚羟基脂肪酸脂等以及这类物质的载细胞微球、载药微球。作为示例，其中所述载细胞微球包括负载骨髓间充质干细胞(BMSC)的多孔明胶微球、负载小鼠胚胎瘤细胞(ATDC5)的多孔明胶微球、负载BMSC的多孔壳聚糖微球、负载ATDC5的多孔壳聚糖微球等。
在本发明的一些实例中，所述微模块组装单元的微观形貌包括微球形、方形、不规则形状中的至少一种。
在本发明的一些实例中，所述预组装液中，所述微模块组装单元的浓度为5～50mg/mL，优选10～30mg/mL，更优选15～30mg/mL，进一步优选20～30mg/mL。
在本发明的一些实例中，每一层结构中的微模块组装单元可以相同也可以不同。
在本发明的一些实例中，所述驻波包括线性驻波和非线性驻波中的至少一种，所述非线性包括法拉第波。
在本发明的一些实例中，所述驻波的波形包括正弦波、余弦波中的至少一种。
在本发明的一些实例中，所述驻波的频率为20～200Hz，30～100Hz，优选50～80Hz。在不同的频率下，可形成不同形状的图案，例如施加50Hz的正弦波能够使微模块组装单元组装成双环同心圆图案，施加80Hz的正弦波能够使微模块组装单元组装成花瓣形图案。
在本发明的一些实例中，所述驻波的振幅为0.5～5V，优选1～3V，更优选1～2V。
在本发明的一些实例中，向所述预组装液施加驻波前，所述微模块组装单元沉积在所述预组装液的底部。
在本发明的一些实例中，所述施加的驻波驱动预组装液上下垂直振动或横向振动，或垂直与横向交叉、交替振动。
在本发明的一些实例中，所述驻波由驻波发生装置发出。所述驻波发生装置包括信号发生器、功率放大器、激振器、示波器、加速度传感器和动态数据采集器。其中信号发生器发出电信号，功率放大器将该信号放大后传输给激振器，激振器将电信号转化为力学信号，驱动置于激振器上的微模块组装形成图案。示波器用于检测功率放大器放大后的电信号，数据可以直接显示在示波器的屏幕上。加速度传感器用于检测激振器发出的力学信号，动态数据采集器将加速度传感器采集的信号传输到电脑中显示出来。
在本发明的一些实例中，向所述预组装液施加驻波前，还包括将所述预组装液加入组装腔室中的步骤，所述组装腔室与所述驻波发生装置中的激振器连接。通过改变组腔室的形状、深度等，可对每一层结构的形状、厚度进行调整。所述组装腔室的形状、深度可视情况设计，例如组装腔室可设计为底面直径20mm、深度1～6mm的圆柱形空间。
在本发明的一些实例中，每一次施加驻波时，所述预组装液的液面与所述组装腔室的上缘齐平或者低于装腔室的上缘。
在本发明的一些实例中，步骤S3中，所述第一层结构的底面与所述组装腔室的底部紧密贴合。
在本发明的一些实例中，所述组装腔室的材质包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
在本发明的一些实例中，使所述预组装液固化的方法包括物理交联和化学交联中的至少一种。例如，可通过对预组装液进行光照使其发生物理交联和/或化学交联。所述光照时间可使液体的固化情况确定，例如10～120s，优选30～120s，或者其他时间，至少确保液体充分，使微模块组装单元形成的图案被固定不动。
在本发明的一些实例中，所述三维多层结构中，每一层的厚度独立为0.5～5mm。
在本发明的一些实例中，所述三维多层结构中，每一层中微模块组装单元形成的图案为中心对称图形，包括但不限于同心圆环、花瓣形、方格形等。
本发明的第二方面是提供上述三维多层结构的制备方法在制备组织器官模型、组织修复材料中的应用。
本发明在预制的组装腔室中，以可固化液体作为组装介质，首先利用驻波(如法拉第波)驱动微模块组装单元形成特定的图案化结构，然后使液体固化使图案化结构固定。然后以所述固定后的图案化结构为组装腔室基底，在组装腔室中加入新的可固化前驱液和微模块组装单元，利用驻波驱动微模块组装形成第二层图案化结构，然后固化液体使所述第二层图案化结构固定。采用同样的步骤，可依次构建第三层和更高层图案化结构，从而实现三维多层图案化结构的制造。相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)相较于3D打印技术的“逐点”累积，本发明提供的方法可在几秒内操控微模块组装单元一步式形成特定的图案化结构，并以层为单位实现高效地“逐层”累积。
(2)每一层图案化结构的图案可通过改变驻波(例如法拉第波)的频率和振幅、微模块组装单元的化学组成和形态进行调控，从而实现复杂三维结构的制造。
(3)本发明提供的方法具有温和、非侵入特点，有利于细胞等生物活性组分的维持，在涉及细胞等生物活性组分的先进制造领域(如组织工程等)具有显著的优势。
附图说明
图1为实施例1制备的图案化结构；
图2为实施例2制备的图案化结构；
图3为实施例3制备的图案化结构；
图4为实施例4制备的图案化结构。
具体实施方式
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺。
实施例1：法拉第波驱动壳聚糖粉末组装构建三层同心圆结构
(1)可固化前驱液的制备：
首先配制引发剂溶液，将适量LAP引发剂固体粉末溶解于磷酸盐平衡生理盐水(PBS)中，使其浓度为0.25％(W/V)，以40～50℃水浴加热溶解15分钟，期间振荡数次，获得引发剂溶液。随后称取适量GelMA溶解于引发剂溶液中，以60～70℃水浴避光加热溶解20～30分钟，期间振荡数次，获得GelMA浓度为8％(W/V)的可固化前驱液。
(2)壳聚糖粉末预组装液的制备：
以壳聚糖粉末为微模块组装单元，称取适量的壳聚糖粉末加入到可固化前驱液中，充分混匀，获得壳聚糖浓度为25mg/mL的壳聚糖粉末预组装液。
(3)法拉第波驱动壳聚糖粉末单层图案化组装：
向预制的1.5mm厚的PMMA组装腔室中加入0.6mL浓度为25mg/mL的壳聚糖粉末预组装液，使液面与腔室上缘齐平，静置10～60s。待壳聚糖粉末沉降至组装腔室底部，将组装腔室与自行搭建的法拉第波发生装置相连接，通过法拉第波驱动组装腔室中的液体上下垂直振动，其中信号波形为正弦波，频率为50Hz，经功率放大器放大后的振幅为1.5～2V。待壳聚糖粉末在液体底部聚集形成同心圆图案后，停止法拉第波驱动，通过蓝光照射可固化前驱液45s使图案固定，获得组装形成的单层同心圆结构(图1a)。
(4)三层图案化结构的构建：
将步骤(3)得到的单层同心圆结构转移至另一底面积相同但深度为3mm的组装腔室中，使单层图案化结构的底面与组装腔室的底部紧密贴合，随后向组装腔室中加入0.6mL浓度为25mg/mL的壳聚糖粉末预组装液，使液面与腔室上缘齐平，静置10～60s。待壳聚糖粉末沉降至单层图案化结构表面，采用步骤(3)的方法，通过法拉第波驱动微模块组装形成同心圆结构并固化，获得由壳聚糖组装形成的双层同心圆结构(图1b)。重复这一步骤，将双层同心圆结构转移至另一底面积相同但深度为4.5mm的组装腔室中，进而获得由壳聚糖粉末组装形成的三层同心圆结构(图1c,d，其中c为俯视图，d为侧视图)。
实施例2：法拉第波驱动明胶微球组装构建三维多层同心圆结构
以实施例1为基础，不同点为：将微模块组装单元壳聚糖粉末换为多孔明胶微球，其直径为100～300微米。为便于区分不同层的组装结构，分别使用染料将第二层和第三层微球染为蓝色和红色。其余步骤均与实施例1相同，结果如图2所示。
图2中，a为单层同心圆结构；b为双层同心圆结构，其中第二层多孔明胶微球被染为蓝色；c和d分别为三层同心圆结构的俯视图和侧视图，其中第三层多孔明胶微球被染为红色。
实施例3：法拉第波驱动明胶微球组装构建三维多层图案化结构(不同图案)
以实施例1为基础，不同点为：将微模块组装单元壳聚糖粉末换为多孔明胶微球，其直径为100～300微米。为便于区分不同层的组装结构，分别使用染料将第二层和第三层微球染为黄色和红色。组装第一层时，信号波形为正弦波，频率为80Hz，经功率放大器放大后的振幅为1.5～2V，得到花瓣形图案。组装第二层时，频率为50Hz，得到双环同心圆图案。组装第三层时，频率为75Hz，得到三环同心圆图案。其余均与实施例1相同。结果如图3所示。
图3中，a为单层图案化结构，图案为花瓣形；b为双层图案化结构，其中第一层为花瓣形结构，第二层为双环同心圆结构，第二层多孔明胶微球被染为黄色；c和d分别为三层图案化结构的俯视图和侧视图，其中第一层为花瓣形结构，第二层为双环同心圆结构，第三层为三环同心圆结构，第二层多孔明胶微球被染为黄色，第三层多孔明胶微球被染为红色。
实施例4：法拉第波驱动明胶微球与壳聚糖粉末组装构建双层复合图案化结构
以实施例1为基础，不同点为：组装第一层所用微模块组装单元为多孔明胶微球，组装频率为80Hz，得到花瓣形图案。组装第二层所用微模块组装单元为壳聚糖粉末，组装频率为50Hz，得到双环同心圆图案。其余均与实施例1相同，结果如图4所示。
图4中，a为单层图案化结构，其中组装单元为明胶微球，图案为花瓣形；b为双层图案化结构，其中第一层组装单元为明胶微球，图案为花瓣形，第二层组装单元为壳聚糖粉末，图案为双环同心圆。
综上，本发明通过采用法拉第波驱动组装构建图案化结构的原理，结合逐层组装的增材制造思想，能够高效地制备多层图案化结构，通过改变法拉第波的频率和振幅、微模块的化学组成和形态进行调控，从而实现复杂三维结构的制造，满足不同结构要求，可应用于组织工程领域制备组织器官模型、组织修复材料等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.三维多层结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.将微模块组装单元分散到可固化液体中，得到预组装液；
S2.将所述预组装液加入组装腔室中，向所述预组装液施加驻波，使所述微模块组装单元在预组装液中形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第一层结构；
S3.改变所述组装腔室深度，使所述第一层结构位于另一预组装液的底部，然后施加驻波，使另一预组装液中的微模块组装单元形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第二层结构；
S4.重复步骤S3，得到三维多层结构；
所述可固化液体含有可固化前驱体和引发剂，所述可固化前驱体包括甲基丙烯酸酐化高分子、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-乙基甲基丙烯酰胺和聚N-乙烯基异丁酰胺中的至少一种；
所述微模块组装单元包括天然高分子材料、合成高分子材料中的至少一种；
所述天然高分子材料选自壳聚糖、胶原、明胶、纤维素、海藻酸钠以及对应的载细胞微球、载药微球；所述合成高分子材料选自聚乳酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、聚羟基脂肪酸脂以及对应的载细胞微球、载药微球。
2.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述微模块组装单元具有微米尺寸，其尺寸为10~500微米。
3.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述驻波包括线性驻波和非线性驻波中的至少一种。
4.根据权利要求3所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述驻波的波形包括正弦波、余弦波中的至少一种。
5.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述驻波的频率为20~200Hz。
6.根据权利要求5所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述驻波的振幅为0.5~5V。
7.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述驻波驱动预组装液上下垂直振动或横向振动，或垂直与横向交叉、交替振动。
8.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：使所述预组装液固化的方法包括物理交联和化学交联中的至少一种。
9.权利要求1~8任一项所述三维多层结构的制备方法在制备组织器官模型、组织修复材料中的应用。
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