[发明专利]一种复合生物材料3D打印系统及打印方法

说明书

本发明提供一种复合生物材料3D打印系统及打印方法。一种复合生物材料3D打印系统，其中，包括第一料筒和第二料筒，所述第一料筒下方设有用于产生连续状态的增强纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置包括设在第一料筒底部的高电压喷嘴以及设在高电压喷嘴下方的接地环，高电压喷嘴和接地环之间形成电场；所述接地环下方设有混合喷嘴，所述第二料筒与所述混合喷嘴之间设有转接管，所述转接管一端连接所述第二料筒的底部，另一端连接所述混合喷嘴的上端。本发明结构简单，使用方便，可以实现多种材料和细胞的准确成型，提高打印结构体的力学性能和细胞活性，并且有力促进细胞的附着、迁徙和增殖。

技术领域

本发明涉及生物组织工程技术领域，更具体地，涉及一种复合生物材料3D打印系统及打印方法。

背景技术

组织工程是融合工程学、生命科学和材料科学等学科，通过模仿人体组织器官形成的过程在体外构建和培养具有生物活性的结构体。这其中，3D打印技术因为其可使用多种材料成型任何复杂的三维结构，成为组织工程领域最有力的研究手段。3D打印技术的原理就是分层制造，层层累积。传统的细胞打印喷头就是将细胞与生物材料混合后并挤出形成一条丝线状，在多次往复形成面，面的堆积继而形成相应的三维结构。这其中典型的喷头就是电机助推式喷头。

图1是传统的电机助推式喷头三维结构剖分示意图，直线步进电机固定在运动装置支架上，螺杆在直线步进电机的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴挤出，加热棒和隔热外套安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。

此种设计虽然简单可靠，但是也有以下不足之处：1)打印结构体的力学性能不佳，与细胞混合的一般是具有良好生物相容性的生物天然高分子材料，比如明胶、胶原和纤维蛋白原等，其力学性能较弱，在打印出来后在培养液中经过长时间的浸泡甚至不能拿出来检测；2)细胞活性不高，传统的打印喷头通过电机助推挤出，这种体积式的控制方法对细胞通过狭小喷嘴时产生极大的剪切力，造成细胞膜的破裂与死亡；3)为了使相关材料具有一定的成型性能，明胶等混合细胞的生物材料使用的浓度较高，在这种情况下，细胞在其中的迁徙和增殖造成困难。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种复合生物材料3D打印系统，所述3D打印系统的结构简单，使用方便，可以实现多种材料和细胞的准确成型。

本发明的另一目的在于提供所述复合生物材料的打印方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合生物材料3D打印系统，其中，包括第一料筒和第二料筒，所述第一料筒下方设有用于产生连续状态的增强纤维的静电纺丝装置，所述静电纺丝装置包括设在第一料筒底部的高电压喷嘴以及设在高电压喷嘴下方的接地环，这样高电压喷嘴和接地环之间就会形成电场，所述接地环下方设有混合喷嘴，所述第二料筒与所述混合喷嘴之间设有转接管，所述转接管一端连接所述第二料筒的底部，另一端连接所述混合喷嘴的上端，所述第一料筒中盛装用于生成连续状态静电纺丝纤维的生物合成高分子材料溶液，由于高电压喷嘴和接地环之间形成有电场，基于静电纺丝原理，生物合成高分子材料溶液通过高电压喷嘴形成微米级的射流，也就是最终的连续状态的静电纺丝纤维，然后经接地环进入混合喷嘴，生物合成高分子材料具有良好的力学性能，其生成的连续状态静电纺丝纤维在复合生物材料中起到骨架支撑作用；所述第二料筒中盛装用于生成生物活性材料的细胞和生物天然高分子材料混合液，包括细胞的生物天然高分子材料具有良好的生物相容性，能为细胞提供合适的生存微环境，该混合液经转接管进入混合喷嘴，包裹在从第一料筒中出来的静电纺丝纤维外围，最后两者一起从混合喷嘴中喷出。

进一步的，所述第一料筒和第二料筒外围分别设有第一温控装置和第二温控装置，第一温控装置和第二温控装置能够分别为第一料筒和第二料筒内部提供最合适的温度环境，以保证第一料筒和第二料筒中盛装的材料及细胞的最佳活性。