复合生物3D打印装置及其打印方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及增材制造技术与生物组织培养领域，更具体地涉及一种复合生物3D打印装置及其打印方法。所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，其包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，其包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，其具有用于收集生物墨水纤丝和静电纺丝纳米纤维的收集面。该复合生物3D打印装置及其采用的打印方法能够实现在单根生物墨水纤丝上包裹静电纺丝纳米纤维，在更为精细的尺度(例如纳米级)上将生物墨水纤丝和纳米纤维结合起来，最终实现精密的三维结构，同时解决了现有生物墨水的固化方式不利于细胞迁移生长的问题。

【技术实现步骤摘要】
复合生物3D打印装置及其打印方法
本专利技术涉及增材制造技术与生物组织培养领域，更具体地涉及一种复合生物3D打印装置及其打印方法。
技术介绍
增材制造技术是一种自下而上的、通过层层累积得到三维成品的技术。增材制造技术具有制造方式自由、成型速度快以及几乎百分之百的材料利用率等优点。目前，金属、无机非金属、高分子材料均可以通过增材制造技术进行成型，该技术被广泛地应用于制造、设计、航天、医疗等领域。生物3D打印技术属于增材制造技术的一种。在医疗领域内，它利用例如挤出等现有的制造手段，将由天然高分子材料或水凝胶配置成的具有生物活性或含有活细胞的生物墨水按照预设的图形层层累积形成组织工程支架或活细胞生物模型。但是按照这种方式打印后，组成生物墨水的天然高分子材料或水凝胶在收集板上需要固化成型，而目前使用的固化手段主要是化学交联剂固化、光交联固化、冷冻固化等，这些手段都会对生物墨水的生物相容性或所含有的细胞造成一定的伤害。当生物墨水中含有细胞时，固化后生物墨水粘度剧增，细胞在生物墨水的伸展和迁移受阻；当在固化后的组织工程支架或生物模型上种植细胞时，细胞很难进入到生物墨水内部，只能在表面迁移，而微米级或毫米级的生物墨水纤丝不利于细胞的粘附和迁移。静电纺丝技术也属于增材制造技术的一种，它利用高压电场力将高分子材料拉伸、细化成为纳米纤维，该技术是一种方便地模拟细胞外基质三维纳米纤维网络结构的手段，利用静电纺丝技术制备的组织工程支架或活细胞生物模型已被证明有利于细胞的粘附、迁移和生长。但是单独的静电纺丝技术无法实现精密的三维结构。
技术实现思路
基于上述现有技术的缺陷而实现了本专利技术。本专利技术的专利技术目的在于提供一种复合生物3D打印装置及其打印方法，其能够实现在单根生物墨水纤丝上包裹静电纺丝纳米纤维，在更为精细的尺度(例如纳米级)上将生物墨水纤丝和纳米纤维结合起来，以实现精密的三维结构，同时解决现有生物墨水的固化方式不利于细胞迁移生长的问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下的技术方案。本专利技术提供了一种如下的复合生物3D打印装置，所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，所述生物墨水挤出系统包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，所述静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纤丝和所述静电纺丝纳米纤维的收集面；其中，所述挤出针头的轴线与所述收集面的交点和所述收集电极的轴线与所述收集面的交点重合，所述收集部件以所述收集面与所述挤出针头的轴线正交的方式配置，在与所述挤出针头的轴线正交的方向上，所述挤出针头与所述电纺针头一起能够相对于所述收集部件进行相对运动，在所述相对运动的方向上，所述电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方，并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的具有所述收集面的一侧，所述收集电极位于所述收集部件的与所述一侧相反的另一侧，所述收集电极的轴线与所述挤出针头的轴线共轴。通过采用该技术方案，根据本专利技术的复合生物3D打印装置使生物3D打印技术和静电纺丝技术相结合，可以制备既具有大孔径的精密的三维结构，又能促进细胞粘附生长的组织工程支架或含细胞生物模型，可以实现更为精细地将生物墨水和纳米纤维结合起来并解决生物墨水的固化问题的目的。优选地，所述收集面水平配置，所述挤出针头和所述电纺针头竖直配置，并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的上方，所述收集电极位于所述收集部件的下方。更优选地，所述收集电极从所述收集部件的下方与所述收集部件接触。优选地，所述静电纺丝挤出系统具有多个电纺针头，在所述相对运动的方向上，始终使得所述多个电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方。更优选地，所述多个电纺针头绕着所述挤出针头配置，且所述多个电纺针头与所述收集部件之间的距离相等，并且所述多个电纺针头中的每一个电纺针头的轴线与所述挤出针头的轴线之间的垂直距离相等，相邻的两个所述电纺针头之间的距离相等。进一步，优选地，所述静电纺丝挤出系统包括四个电纺针头，所述四个电纺针头以所述挤出针头为中心、相邻两个间隔90度中心角的方式配置。更优选地，所述复合生物3D打印装置还包括三维运动系统，所述三维运动系统具有能够驱动所述收集部件在相互正交的两个方向上运动而实现所述相对运动的X-Y轴运动平台。进一步，优选地，所述三维运动系统还包括Z轴运动平台，所述Z轴运动平台能够调节所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件在所述挤出针头的轴线方向上的距离。优选地，所述挤出针头和所述电纺针头之间设置有静电屏蔽部件。优选地，所述电纺针头和所述收集电极由非绝缘材料制成，所述复合生物3D打印装置的除了所述电纺针头和所述收集电极的其它组件均由绝缘材料或者经过绝缘处理的材料制成。另外，本专利技术还提供了一种采用上述技术方案中任意一项技术方案所述的复合生物3D打印装置的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：S1：绘制待打印的对象的三维模型，对所述三维模型进行分层处理得到所述三维模型的每一层的截面的图形；S2：选择适用于进行3D打印的材料以将该材料溶解于第一溶剂中制成所述生物墨水，并且选择适用于进行静电纺丝的材料以将该材料溶解于第二溶剂中制成所述静电纺丝液；S3：将所述生物墨水和所述静电纺丝液分别供给到所述挤出针头和所述电纺针头；S4:调整所述挤出针头和所述电纺针头之间的距离，并且调整所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件之间的距离，对所述电纺针头和所述收集电极供给预定的电压；S5：根据获得的所述三维模型的一层的截面的图形，控制所述相对运动并使得所述挤出针头同步挤出所述生物墨水，同时始终控制位于所述挤出针头在所述相对运动方向后方的所述电纺针头进行静电纺丝，使得静电纺丝纳米纤维在所述收集电极的引导下被收集到所述收集部件上的生物墨水纤丝的表层形成纤维层；S6：当按照所述三维模型的一层的截面的图形打印完成之后，使得所述挤出针头和所述电纺针头在远离所述收集面的方向上移动与所述一层的厚度相同的距离，并提取下一层的截面的图形并继续进行步骤S5直至打印完成整个三维模型。优选地，在所述步骤S2中，适用于进行3D打印的材料为明胶、胶原、透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠、丝素、纤维蛋白、果胶、淀粉及其衍生物、纤维素及其醚化物、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或适用于静电纺丝的材料为聚乳酸、聚ε-己内酯、聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物、聚乳酸-聚乙二醇共聚物、聚ε-己内酯与聚乳酸或聚乙二醇的共聚物、聚二氧六环酮、聚酸酐中的一种或几种按任意比例混合的混合物；和/或所述第一溶剂为水、钙盐水溶液、镁盐水溶液、细胞培养基、磷酸盐缓冲液、硝酸盐缓冲液、Tris缓冲液中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液；和/或所述第二溶剂为水、乙醇、甲醇、六氟异丙醇、丙酮、四氢呋喃、甲酸、醋酸、二氧六环、三氟乙酸中的任意浓度的溶液或几种按任意比例混合的混合溶液。优选地，在所述步骤S4中，对所述电纺针头供给的用于进行静电纺丝的电纺电压为5kV～30kV，对所述收集电极供给的收集电压为0kV～5kV，该电纺电压与该收集电压的极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合生物3D打印装置，其特征在于，所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，所述生物墨水挤出系统包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，所述静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头，和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纤丝和所述静电纺丝纳米纤维的收集面；其中，所述挤出针头的轴线与所述收集面的交点和所述收集电极的轴线与所述收集面的交点重合，所述收集部件以所述收集面与所述挤出针头的轴线正交的方式配置，在与所述挤出针头的轴线正交的方向上，所述挤出针头与所述电纺针头一起能够相对于所述收集部件进行相对运动；在所述相对运动的方向上，所述电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方；并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的具有所述收集面的一侧，所述收集电极位于所述收集部件的与所述一侧相反的另一侧，所述收集电极的轴线与所述挤出针头的轴线共轴。

【技术特征摘要】
1.一种复合生物3D打印装置，其特征在于，所述复合生物3D打印装置包括：生物墨水挤出系统，所述生物墨水挤出系统包括利用生物墨水来进行3D打印的挤出针头；静电纺丝挤出系统，所述静电纺丝挤出系统包括利用静电纺丝液来进行静电纺丝的电纺针头，和用于加载收集电压以收集静电纺丝纳米纤维的收集电极；以及收集部件，所述收集部件具有用于收集生物墨水纤丝和所述静电纺丝纳米纤维的收集面；其中，所述挤出针头的轴线与所述收集面的交点和所述收集电极的轴线与所述收集面的交点重合，所述收集部件以所述收集面与所述挤出针头的轴线正交的方式配置，在与所述挤出针头的轴线正交的方向上，所述挤出针头与所述电纺针头一起能够相对于所述收集部件进行相对运动；在所述相对运动的方向上，所述电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方；并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的具有所述收集面的一侧，所述收集电极位于所述收集部件的与所述一侧相反的另一侧，所述收集电极的轴线与所述挤出针头的轴线共轴。2.根据权利要求1所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述收集面水平配置，所述挤出针头和所述电纺针头竖直配置，并且所述挤出针头和所述电纺针头位于所述收集部件的上方，所述收集电极位于所述收集部件的下方。3.根据权利要求2所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述收集电极从所述收集部件的下方与所述收集部件接触。4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述静电纺丝挤出系统具有多个电纺针头，在所述相对运动的方向上始终使得所述多个电纺针头中的至少一个电纺针头位于所述挤出针头的后方。5.根据权利要求4所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述多个电纺针头绕着所述挤出针头配置，且所述多个电纺针头与所述收集部件之间的距离相等，并且所述多个电纺针头中的每一个电纺针头的轴线与所述挤出针头的轴线之间的垂直距离相等，相邻的两个所述电纺针头之间的距离相等。6.根据权利要求5所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述静电纺丝挤出系统包括四个电纺针头，所述四个电纺针头以所述挤出针头为中心、相邻两个间隔90度中心角的方式配置。7.根据权利要求4所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述复合生物3D打印装置还包括三维运动系统，所述三维运动系统具有能够驱动所述收集部件在相互正交的两个方向上运动而实现所述相对运动的X-Y轴运动平台。8.根据权利要求7所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述三维运动系统还包括Z轴运动平台，所述Z轴运动平台能够调节所述挤出针头和所述电纺针头两者与所述收集部件在所述挤出针头的轴线方向上的距离。9.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述挤出针头和所述电纺针头之间设置有静电屏蔽部件。10.根据权利要求1至3中任一项所述的复合生物3D打印装置，其特征在于，所述电纺针头和所述收集电极由非绝缘材料制成，所述复合生物3D打印装置除了所述电纺针头和所述收集电极的其它组件均由绝缘材料或者经过绝缘处理的材料制成。11...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，邓坤学，袁玉宇，
申请(专利权)人：广州迈普再生医学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44