连续变纤维直径的挤出式3D打印方法、打印系统和应用技术方案

本发明专利技术提供一种连续变纤维直径的挤出式3D打印方法、打印系统和应用，属于生物医学工程技术领域，本发明专利技术的连续变纤维直径的挤出式3D打印方法，建立打印速度与纤维的截面面积的函数关系，确定挤出头高度与纤维状态的对应关系；通过设计打印路径各处的打印速度和/或挤出头高度，形成变打印速度和/或变挤出头高度打印，实现连续变直经纤维的逐层堆积成型，精确控制成型后各处的纤维直径。本发明专利技术提出的变打印速度、变挤出头高度的连续变纤维直径挤出式3D打印的方法，用于制备可控梯度孔隙支架，突破了现有挤出式3D打印产品各处填充纤维直径均相同的制约，拓展了挤出式3D打印技术的应用领域和场景。用领域和场景。用领域和场景。

【技术实现步骤摘要】
连续变纤维直径的挤出式3D打印方法、打印系统和应用


[0001]本专利技术涉及生物医学工程
，特别涉及连续变纤维直径的挤出式3D打印方法、打印系统和应用。

技术介绍

[0002]在挤出式3D打印过程中，自动化切片是打印系统的重要组成单元，纤维分布对样品的孔隙结构起到决定性作用，传统挤出式3D打印的技术特点为挤出头在各处的挤出气压、移动速度、打印高度保持不变，这就导致挤出式3D沉积纤维的直径在整个打印路径中均是相同的。虽然这种恒定纤维直径挤出式3D打印策略可以十分容易完成对模型的自动化切片和打印路径的规划，并且由于参数处处一致，其所涉及的不确定因素也较少，有助于提高挤出式3D打印样品的成功率。但是这也严重限制了挤出式3D打印技术在梯度孔隙支架领域的应用和拓展，难以实现对如挤出压强、打印速度、挤出头高度等关键打印参数的精确控制，无法满足对梯度孔隙支架日益迫切的需求。
[0003]对于挤出式3D打印系统的现有研究，主要为恒定打印速度和恒定挤出头高度下的恒定直径纤维的逐层堆积成型，所得挤出式3D打印样品通常为各处均匀孔隙的样品，对于挤出式3D打印在梯度孔隙支架的研究较为较少。尽管有研究通过调整打印速度的方式获得层间不同的纤维直径支架，进而得到轴向梯度孔隙结构，但是对于如何实现模仿天然组织的复杂径向梯度孔隙结构(如天然骨的“松质骨
‑
皮质骨”梯度孔隙结构)的研究较为缺失。
[0004]目前现有技术虽然可以通过调整层间纤维直径尺寸的方式来获得挤出式3D打印轴向梯度孔隙支架，但是其难以完成径向梯度孔隙结构的制备。尽管Moroni团队(Di Luca A,Longoni A,Criscenti G,et al.Toward mimicking the bone structure:design of novel hierarchical scaffolds with a tailored radial porosity gradient[J].Biofabrication,2016,8(4):15)和Mikos团队(Diaz
‑
Gomez L,Kontoyiannis P D,Melchiorri A J,et al.Three
‑
dimensional printing of tissue engineering scaffolds with horizontal pore and composition gradients[J].Tissue Engineering Part C
‑
Methods,2019,25(7):411
‑
420)通过在挤出式3D打印目标模型的径向不同区域设置不同的纤维直径和间距来获得径向梯度孔隙，但是该方法难以基于传统挤出式3D打印技术实现高精度、连续、可控的梯度孔隙支架，且该方法所得径向梯度效果并不显著。
[0005]因此，如何设计和制备基于挤出式3D打印的可控梯度孔隙支架是目前挤出式3D打印技术所面临的一大难题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有挤出式3D打印技术制备梯度孔隙支架的不足，特别是对于径向梯度孔隙结构而言，提供一种连续变纤维直径的挤出式3D打印方法、打印系统和应用，提出了变打印速度、变挤出头高度的连续变纤维直径挤出式3D打印的方法，用于制备
可控梯度孔隙支架，突破了现有挤出式3D打印产品各处填充纤维直径均相同的制约，拓展了挤出式3D打印技术的应用领域和场景。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0008]本专利技术提供一种连续变纤维直径的挤出式3D打印方法，建立打印速度与纤维的截面面积的函数关系，确定挤出头高度与纤维状态的对应关系；通过设计打印路径各处的打印速度和/或挤出头高度，形成变打印速度和/或变挤出头高度打印，实现连续变直经纤维的逐层堆积成型，精确控制成型后各处的纤维直径。
[0009]优选地，将β
‑
TCP和分子量为14000的PCL按重量比1∶4的混合，制备成β
‑
TCP/PCL墨水。
[0010]优选地，挤压参数为：挤出气压为400kPa，挤出头内径尺寸为400μm，加热温度为72℃时，打印速度与β
‑
TCP/PCL纤维的截面面积的函数关系建立过程如下：
[0011]基于质量守恒定律，考虑单位时间内通过挤出头的墨水体积和沉积纤维的单位长度，如下(式1.1)所示：
[0012][0013]式中，V为单位时间内β
‑
TCP/PCL墨水被挤出的体积(mm3)；Q为挤出头的流量(mm3/s)，可由公式(1.2)确定，Q＝3.75mm3/s；Δt为单位时间(s)；S为挤出式3D打印β
‑
TCP/PCL纤维的截面面积(mm2)；Δl为单位时间内挤出式3D打印β
‑
TCP/PCL纤维的长度(mm)；
[0014][0015]式中，Q为β
‑
TCP/PCL墨水被挤出的流量(mm3/s)；m为180s的时间内被挤出墨水的质量(g)，通过电子天平称量获得；ρ为β
‑
TCP/PCL墨水的密度(kg/m3)，忽略相变对其密度的影响；t为挤出β
‑
TCP/PCL墨水所用的时间，t＝180s；
[0016][0017]式中，U为β
‑
TCP/PCL墨水挤出的流速(mm/s)；Q为β
‑
TCP/PCL墨水挤出的流量(mm3/s)；D为挤出头内径尺寸，D＝400μm；
[0018]由(式1.1)可得打印速度和纤维截面面积的关系，如下(式1.4)所示：
[0019][0020]式中，v为打印速度(mm/s)；S为β
‑
TCP/PCL纤维的截面面积(mm2)。
[0021]优选地，始终控制打印速度为β
‑
TCP/PCL墨水挤出的流速的2
‑
20倍。
[0022]优选地，始终控制挤出头高度为挤出头内径的0.4
‑
1.0倍。
[0023]优选地，墨水材料为PCL，或GelMA。
[0024]优选地，挤出式3D打印为常温挤出式3D打印或低温冷冻挤出式3D打印。
[0025]本专利技术还提供一种采用如上所述的连续变纤维直径的挤出式3D打印方法的3D打
印系统，包括用于装入墨水的打印头，位于所述打印头的下端用于挤出墨水的挤出头，以及用于放置打印产品的支撑平台和控制装置；所述挤出头与支撑平台之间的垂直距离为挤出头高度，所述挤出头的运动速度称为打印速度；其中，挤出头高度和打印速度根据所述控制装置进行调整变化。
[0026]本专利技术还提供一种如上所述的连续变纤维直径的挤出式3D打印方法在打印梯度孔隙组织工程支架中的应用，所述支架包括骨组织工程支架、软骨组织工程支架、半月板组织工程支架和血管组织工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续变纤维直径的挤出式3D打印方法，其特征在于，建立打印速度与纤维的截面面积的函数关系，确定挤出头高度与纤维状态的对应关系；通过设计打印路径各处的打印速度和/或挤出头高度，形成变打印速度和/或变挤出头高度打印，实现连续变直经纤维的逐层堆积成型，精确控制成型后各处的纤维直径。2.根据权利要求1所述的连续变纤维直径的挤出式3D打印方法，其特征在于，将β
‑
TCP和分子量为14000的PCL按重量比1∶4的混合，制备成β
‑
TCP/PCL墨水。3.根据权利要求2所述的连续变纤维直径的挤出式3D打印方法，其特征在于，挤压参数为：挤出气压为400kPa，挤出头内径尺寸为400μm，加热温度为72℃时，打印速度与β
‑
TCP/PCL纤维的截面面积的函数关系建立过程如下：基于质量守恒定律，考虑单位时间内通过挤出头的墨水体积和沉积纤维的单位长度，如下(式1.1)所示：式中，V为单位时间内β
‑
TCP/PCL墨水被挤出的体积(mm3)；Q为挤出头的流量(mm3/s)，可由公式(1.2)确定，Q＝3.75mm3/s；Δt为单位时间(s)；S为挤出式3D打印β
‑
TCP/PCL纤维的截面面积(mm2)；Δl为单位时间内挤出式3D打印β
‑
TCP/PCL纤维的长度(mm)；式中，Q为β
‑
TCP/PCL墨水被挤出的流量(mm3/s)；m为180s的时间内被挤出墨水的质量(g)，通过电子天平称量获得；ρ为β
‑
TCP/PCL墨水的密度(kg/m3)，忽略相变对其密度的影响；t为挤出β
‑
TCP/PCL墨水所用的时间，t＝180s；式中，U为β
‑
TCP/PCL墨水挤出的流速(mm/s)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮长顺，屈华伟，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：