[发明专利]制备三维图案化的多材料水凝胶异质结构的装置及方法

说明书

一种用于制备三维图案化的多材料水凝胶异质结构的装置及方法，该装置包括注射泵、工作液池、打印针嘴及三轴平移装置，注射泵作为液体双向驱动和计量装置，打印针嘴安装于三轴平移装置上，实现打印针嘴的移动和定位，工作液池包括原液池和打印液池，原液池中设置有多个储液槽，分别存放不同材料的水凝胶预配液。本发明以水凝胶微球作为构建单元的方式实现多材料图案化水凝胶结构的制备，采用“液滴序列生成‑液滴打印”的打印策略，对于水凝胶材料组分的种类数量具有良好的通用性，制备的多材料水凝胶异质结构具有较高的图案化分辨率，可制备较复杂的三维结构，如可用于水凝胶致动结构和类器官等的制备。

技术领域

本发明涉及多材料水凝胶结构制备领域，特别是涉及一种制备三维图案化的多材料水凝胶异质结构的装置及方法。

背景技术

水凝胶是一种由亲水的聚合物链组成的三维网络结构和在其中的水溶液组成的生物材料，由于其具有高含水量和较好的生物相容性，被认为是一种具有潜力的生物材料，被广泛用于生物制造领域的研究，受到了很多科学研究者的重视。各种新型的水凝胶被研发而应用于生物组织工程领域，比如用于组织修复和重建的水凝胶支架/敷料。其次，水凝胶材料也被广泛地作为生物研究载体，比如作为细胞培养基质和类器官模型，和药物递送载体，比如水凝胶微粒/微胶囊。另外由于不同的刺激-响应型材料被开发和合成和水凝胶的多功能化，水凝胶机器，包括水凝胶执行器、传感器、光学和电子元件等，也得到了广泛的研究。

而生物体中的组织和器官是由大量重复的功能单元组成，而且具有异质性(heterogeneity)和层次结构(hierarchical structure)特征。生物制造的最终目的是模拟体内组织，所以对于基于水凝胶的生物制造需要通过结合多种不同的水凝胶材料，即通过多材料水凝胶异质结构，模拟体内组织的异质性特征和微观结构。本发明将其称为“水凝胶异质结构的图案化”。

这里列举两个在不同应用领域的例子。第一个例子是在体外培养系统的应用，如在体外或者体内原位构建的用于修复病变和损坏的组织或者促进组织再生，以达到组织功能改善或重建的人造生物支架和敷料和被用于疾病病理、再生机制、精准医疗以及药物筛选等方面的研究的类器官，需要对生物体组织的内部微观结构或微环境进行模拟构建。

第二个例子是在水凝胶机器上的应用，例如通过不同刺激-响应型材料的结合，在不同的刺激条件下，不同材料有着不同的溶胀性响应，从而形成水凝胶结构上的应力的不均匀分布，形成致动动作，这就是基于多材料结合的水凝胶致动结构的原理。

目前用于水凝胶异质结构的制备方式有很多，包括基于微流控的水凝胶纤维和水凝胶微球的制备方法、基于挤出式或喷墨式等的水凝胶3d打印方法、基于光刻的水凝胶多层结构的制备方法等。这些方法都存在一些缺点，比如基于微流控的水凝胶纤维和水凝胶微球的制备方法扩展性差、不能制备一些复杂的形状；基于挤出式或喷墨式等的水凝胶3d打印方法受打印墨水材料的限制比较大，当凝胶速度过快时会导致喷嘴堵塞，而当凝胶速度过慢时形状保真性差，打印过程中需调控水凝胶的凝胶速度和打印性，当凝胶速度过快时会导致喷嘴堵塞，而当凝胶速度过慢时成形性和形状保真性差，可用于生物墨水的材料选择少。基于光刻的水凝胶多层结构的制备方法比较适用于材料的层间分布，且大多只用于制备较大尺寸的结构；等等。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术存在的缺陷，提供一种制备三维图案化的多材料水凝胶异质结构的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：