[发明专利]复合生物材料动态混合生物3D打印平台

说明书

本发明公开了一种复合生物材料动态混合生物3D打印平台。本发明包括动态混合挤出装置和3D打印运动平台，3D打印平台用于控制动态混合挤出装置进行三维运动，实现凝胶微球的制备。动态混合挤出装置由动态混合打印喷头、两侧的微型注射泵组成。动态混合打印喷头主要用于含软骨细胞的海藻酸钠‑胶原蛋白溶液均匀混合，微型注射泵用于控制生物材料溶液进液速度及进液量，一侧的微型注射泵供给含细胞的海藻酸钠溶液，另一侧的微型注射泵供给胶原蛋白。本发明可以打印点、线、体三种结构的生物凝胶材料结构体；其混合腔体部分采用的结构材料具有一定的生物相容性，在其内部通入生物细胞，可以进行活性细胞生物3D打印的初期实验。

技术领域

本发明属于生物制造-生物3D打印设备技术领域，应用在细胞3D打印领域。具体包括一种动态混合挤出装置及三维运动平台，通过两种结构的装配实现海藻酸钠-胶原蛋白生物复合材料的凝胶微球打印制造，进而实现软骨细胞的3D培养。

背景技术

传统的生物 3D 打印技术主要利用不含细胞的生物材料来制造医学模型、金属骨骼、生物陶瓷、组织工程支架等生物制品。生物 3D 打印延伸出的新分支细胞 3D 打印技术是通过增材制造的方式将生物兼容性材料、细胞和细胞所需的营养物质材料制造成复杂的三维功能性活体组织，实现从点、线、面制造维度到三维打印过程。在骨骼、皮肤、血管、心脏、肾脏、肝脏等组织等再生与重建、药物筛选等领域具有广阔的应用前景。

传统的二维细胞培养是在培养皿或培养瓶的二维平面上进行，三维培养是用生物材料构造相应结构模拟细胞在体内的生长状况及环境，使细胞在体外条件下进行三维生长。凝胶微球作为一种简单对称的结构，被广泛用于细胞包裹、药物释放以及生物传感器等方面。与药用微球不同，用于组织工程的微球通常作为细胞支架，为细胞提供粘附和生长的载体，用于组织工程的微球应具有良好的生物相容性和可降解性；现有技术中的微球制备方法主要包括乳化分散法、凝聚法和聚合法。

3D生物打印的原材料可大致分为两类：骨架材料和种子细胞。目前用于3D打印的骨架材料主要有水凝胶、聚乳酸羟基乙酸共聚物、丙烯酸盐、纤维素、明胶、藻酸盐等。种子细胞类型多样，如脐带血内皮细胞、血管内皮细胞、心肌细胞、成纤维细胞、软骨细胞等。应用于3D打印技术的生物材料包括：1) 可生物降解聚合物，一类是天然材料，包括多糖(淀粉、藻酸盐、壳质/壳聚糖、透明质酸衍生物)或蛋白质(大豆、胶原、纤维蛋白胶等)，这些天然材料可作为增强材料。另一类为合成的可生物降解聚合物。合成聚合物可以在控制条件下被制造；2)生物活性陶瓷，生物活性陶瓷包括磷酸钙陶瓷、羟基磷灰石陶瓷；3)水凝胶，天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等水凝胶等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷氨酸等)。合成的亲水高分子包括聚乙烯、醇、 丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。

现有微混合器主要可分为动态混合器与静态混合器，其主要区别在于有无主动的元件。动态微混合器需要通过主动元件的运动获得混合动力，而静态微混合器不需要依靠元件的运动，而是通过混合器自身的几何结构来实现流体的混合效果。

常见的静态微混合器有T型与Y型微混合器，通过对简单的T型与Y型微混合器进行改进可获得实现复杂功能的混合器。Liu等通过对常见的混合器进行改进设计了一种微混合器，其三维机构类似于蛇形，特点流体在弯道处的流动存在着与主体流动方向垂直的流动,可以使流体受力发生扭曲，从而増加了待混合流体间的接触面积使得流体混合过程得到强化。在动态微混合器方面，包括超声混合，动电学混合，离心混合以及交替脉冲流混合等方式的众多微混合器，Lewis团队设计以一款机械混合式的微混合器用于梯度材料的打印，其结构上包括锥形点胶针头构成的混合腔、圆柱形金属搅拌子、进液接头以及搅拌电机。

发明内容