[发明专利]基于静电纺丝与喷雾的3D打印制备功能梯度涂层的方法

说明书

一种基于静电纺丝与喷雾的3D打印制备功能梯度涂层的方法，采用一种基于静电纺丝和喷雾的混合型3D打印系统，包括：第一注射泵21、第二注射泵22、第一喷嘴31、第二喷嘴32、高压电源4、芯棒收集器5、控制器1、电机6和变速器7；其中，第一注射泵21、第一喷嘴31、高压电源4、芯棒收集器5和控制器1构成静电纺丝子系统；第二注射泵22、第二喷嘴32、高压电源4、芯棒收集器5和控制器1形成静电喷雾子系统；控制器控制静电纺丝子系统生成第一物料涂层；控制器控制静电喷雾子系统生成第二物料涂层。本发明的3D打印系统利用其静电纺丝和喷雾双喷头设计，能够连续不断地制造个性化设计的功能梯度涂层。

技术领域

本发明涉及组织工程技术，特别是涉及基于静电纺丝与喷雾的3D打印制备功能梯度涂层的方法。

背景技术

传统的3D打印机是基于喷墨打印机的原理而开发的，其使用一个连续喷墨喷头，选择性地在粉末材料层上喷射沉积液体粘结剂来粘结粉末，可由有序印刷的二维粉末层堆积形成三维结构。3D打印技术因其在复杂微三维结构制造过程中制造成本低、制造过程灵活等特点已被广泛应用于微小结构的制造，特别在生物医学的组织工程领域，因其能够实现个性化的结构成型而更具独特优势。

在组织工程技术中，如何修复或者替换人体软骨是当前研究的热点。软骨仿生支架采用的材料是一种具有梯度结构的功能材料，不同的结构层根据其特性具有各自独特的功能：多孔表层强度较低，但能吸收释放关节滑液，起到减磨作用；中间层具有一定的强韧性，能承受冲击和吸收震荡；底层发生钙化，能与人体骨形成牢固的生物链接。这种多层结构优化了关节软骨整体生物力学性质。

肌腱作为一种软骨，是肌肉与骨骼的连接载体，其能够实现运动及力的传递。肌腱与骨头的连接部位(腱-骨交界组织)是一个复杂的梯度结构，该结构分四层(肌腱，非钙化软骨，钙化软骨，骨骼)，由软组织渐变为硬组织，在生物学中是一个功能梯度组织结构。该组织在肌腱与骨骼的连接中起到至关重要的作用，可以将力从肌腱传递到骨骼，同时减少应力集中，并支持不同种细胞间的生物联系，因此，众多学者都在致力于仿生功能梯度结构的可替换研究。

目前，针对腱-骨交界组织的仿生制造方法有很多，代表性的有Xiaoran Li等人采用的渗透法，在纳米纤维结构上通过渗透的方法在纳米纤维膜的表层以及底层渗透钙磷酸盐，形成具有梯度结构的涂层，但是此种方法成型过程比较费时且只能在表层及底层呈现梯度结构；Cevat Erisken等人采用双螺旋挤出机构制造功能梯度涂层，此方法是采用双螺旋挤出机构把β-三钙磷酸盐(β-TCP)分散到聚合物聚己内酯(PLC)中从而形成功能梯度结构，但是此双螺旋机构结构复杂且不易操作；Satyavrata Samavedi等人通过混合静电纺丝的方法获得了梯度涂层结构，此结构制作工艺简单，生物相容性好，但是此种方法目前只生成了3层的梯度结构，远不能满足多层功能梯度涂层的要求。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的上述问题，提供一种基于静电纺丝与喷雾的3D打印制备功能梯度涂层的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于静电纺丝与喷雾的3D打印制备功能梯度涂层的方法，该方法采用一种基于静电纺丝和喷雾的混合型3D打印系统，该混合型3D打印系统包括：

第一注射泵、第二注射泵、第一喷嘴、第二喷嘴、高压电源、芯棒收集器、控制器、电机和变速器；其中，所述第一注射泵、所述第一喷嘴、所述高压电源、所述芯棒收集器和所述控制器构成静电纺丝子系统，该静电纺丝子系统利用所述高压电源产生第一高压静电场，使得从所述第一喷嘴喷射出的第一物料在该第一高压静电场的作用下形成物料细丝，所述芯棒收集器收集该物料细丝从而形成第一物料涂层；所述第二注射泵、所述第二喷嘴、所述高压电源、所述芯棒收集器和所述控制器形成静电喷雾子系统，该静电喷雾子系统利用所述高压电源产生第二高压静电场，使得从所述第二喷嘴喷射出的第二物料在该第二高压静电场的作用下定向运动，所述芯棒收集器收集该第二物料从而形成第二物料涂层；

所述方法包括以下步骤：