[发明专利]液相旋涂式3D打印方法

说明书

液相旋涂式3D打印方法，该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，采用液相旋涂法将液体生物墨水涂在底模表面，生物墨水在挤出时处于液相范围内；挤出过程中，生物墨水保持液态；挤出完成后，使生物墨水固化，获得底面与底模吻合的待成型件。本发明的优点在于能够通过自动化3D打印制作出表面光洁度高的具有复杂曲面的空心结构。

技术领域

本发明涉及一种能够精确成型出具有复杂曲面的空心结构的3D打印方法及打印机。

背景技术

随着生物制造技术的发展，3D打印技术已经成为组织器官修复、移植和重大疾病治疗、研究的重要方法之一。角膜、心房、肾小球、卵巢等，都是具有复杂曲面的空心结构，以角膜为例说明。

角膜移植供体短缺是国际上眼盲治疗领域的重大挑战，其中我国就超过500万，而且每年至少增加10万例新患，其中94.7%的角膜盲患者可以通过移植角膜恢复，但每年供体捐献仅能维持月5000个移植术。供体严重不足导致角膜患者与日俱增，因此，角膜体外生物制造方法研究有待突破。传统组织工程、脱细胞等方法由于难以实现精确多层成型、屈光度不可控以及功能差异性一直未得到广泛应用。

角膜是眼球壁外层前部透明部分，其结构如图1所示，承担人眼主要保护和屈光功能（角膜屈光功能占总屈光力的70~75%），屈光功能主要和角膜的形状、曲率、厚度等形貌参数有关，角膜损伤会导致角膜盲，形貌控制不好容易产生屈光不正、散光等多种角膜疾病。因此，屈光度可控的定制化角膜替代物才能有效保障角膜的光学功能。角膜替代物体外构建主要是依据其结构和屈光特性进行构建，角膜分为5层：上皮细胞层、Bowman层、基质层、Descemet膜、内皮细胞层。上皮层具有3~5层上皮细胞，起到保护内部结构作用，基质层占角膜总厚度的90%，由角膜基质细胞及高透明度胶原板层构成，角膜的透明度、形状的完整性、厚度以及曲率半径是影响角膜屈光能力的关键因素。

传统角膜替代物制造方法主要分为两类，非生物假体机械加工法，生物膜类细胞和组织工程制备法。非生物假体机械加工法采用不可降解的非生物材料制造，分为光学镜柱和支架两部分，中央光学镜柱要求光学性能好，提供眼视光通道，常为透明塑料制品，无法屈光，支架主要用来固定光学部件，与受体组织相结合，通常采用金属或自体骨。假体部分主要依靠机械加工方法制备，可实现一定光学功能，目前均按照统一参数制备，由于采用硬质材料导致自体组织产生严重磨损，移植手术过程极其复杂，术后视野受限，无法与自体组织结合，外观十分不理想，仅适用于终末期角膜病患者。Dohlman等学者首次报道的波士顿型角膜假体以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）镜柱和钛背板支架结合，镜柱和支架结合方式类似螺母，然而这种方法通常产生微小缝隙，容易导致术后感染。Strampelli等学者首次报道的骨-角膜瓣假体以患者自身的牙根和牙槽骨支撑光学圆柱体，需要手术取用自体组织，制备方法非常复杂。因此，角膜假体局限性很大，难以推广。

生物膜类制备法通常采用生物材料，接近天然角膜，但由于膜结构去逛能力不可控。常规组织工程的方法主要存在以下问题：1、平面膜结构，其变曲率曲面形貌难以精确控制，仅能获得有一定透光率的平面角膜，无法提供任何屈光能力；应用到临床中，只能为患者提供光亮，无法提供清晰的视觉。2、动物角膜脱落细胞基质：制备过程难以完全脱除有毒试剂，具有排斥反应，并且其结构无法与受体眼球完全匹配，导致屈光问题。3、制备工艺复杂、周期长，难以根据个体形貌差异定制、舒适度差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够制造出复杂曲面空心结构的生物3D打印方法，该打印方法先制作出底模，底模具有复杂曲面；再将液相生物墨水涂在底模表面，使生物墨水固化，获得具有具有复杂曲面的空心结构。空心结构的内表面与底模的外表面吻合，在成型空心结构时，底模对生物墨水起到支撑作用，因此球壳不会坍塌，并且具有精确的曲面形状。本发明还提供一种能实现上述打印方法的3D打印机。