[发明专利]采用含多喷嘴的同轴喷头装置生物CAD/CAM/3D打印综合成型系统

说明书

本发明公开了一种采用含多喷嘴的同轴喷头装置生物CAD/CAM/3D打印综合成型系统，用于组织工程结构生物3D打印技术领域。通过采用含多喷嘴的同轴喷头装置，结合生物CAD/CAM/3D打印综合成型系统，利用气体辅助压力供料，由“时间‑压力”模型挤出成型工艺原理，经由控制系统控制成型台、三维运动机构的运动、喷射装置的喷料以及静电纺丝装置的喷料，实现多物质组分在三维支架空间定点定量挤出制作具有复杂外形轮廓的生物结构体支架，并能实现生物材料、细胞、生长因子等多组分材料的多梯度打印，对组织工程支架的复杂梯度制备具有重要意义。该系统具有可控性好、高度自动化、简单可靠、工艺性好、生产成本低、安全性高。

技术领域

本发明采用含多喷嘴的同轴喷头装置生物CAD/CAM/3D打印综合成型系统，用于组织工程结构生物3D打印技术领域。

背景技术

生物3D打印是生命科学、材料科学、制造科学交叉融合的新兴产物，在生物体外构建具有一定生物功能的组织和器官，用于病损组织和器官的修复与替代。生物3D技术是以计算机三维模型为基础，通过离散-堆积的方法，将生物材料或细胞按仿生形态、生物体功能、细胞特定微环境等要求，用增材制造法打印出同时具有复杂结构与功能的生物三维结构、体外三维生物功能体、再生医学模型等生物医学产品的3D打印技术，该技术在生命科学领域的应用日益广泛，现已成为21世纪最具发展潜力的前沿技术之一。

组织工程研究的主要内容为细胞、生物材料、生长因子以及构建组织结构的技术与方法。首先，细胞在组织工程支架上的粘附和生长一直以来是这一领域的研究热点，实现了细胞的良性生长，组织工程结构才可能具有临床意义。近年来，生物学研究已由单细胞培养逐渐转向多细胞联合培养的研究，以模拟组织结构在人体内的多细胞环境。其次，生物材料植入体内后发挥组织修复、功能重建作用，依赖于生物材料良好的组织相容性和生物活性。生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。此外，生长因子是具有诱导和刺激细胞增殖、维持细胞存活等生物效应的蛋白类物质,其对促进细胞增殖、组织或器官的修复和再生都具有重要的促进作用，是组织工程的重要影响因素。

此外，构建复杂组织结构的技术也是组织工程研究的主要热点方向之一。人体内生物环境极其复杂，人工构建的再生支架若要发挥良好的功能，需要同时考虑支架的结构特征以及与细胞和生长因子之间的共同作用。在体外人工构建再生支架时，在支架内部构建出能够有效模拟组织内部血管网功能的微通道网络，对促进营养物质、生长因子和氧气的输送，以及细胞代谢产物(乳酸、二氧化碳、氢离子等)的排出具有重要作用，对促进再生支架有效血管化也具有重要意义。为使构建的人工组织及器官更贴近原生组织成分以及更好地模拟人体的实际生理微环境，对以上的内容的探索一直是近年来组织工程技术研究努力的方向。

在生物支架上进行多细胞培养时，为给细胞提供充分的营养物质、氧气和适宜生长粘附的空间，结构允许时一般多采用多孔支架。多孔支架成型工艺中，传统方法的工艺方法包括纤维粘合法、溶剂浇铸法/颗粒滤粒法、熔融法、气体发泡法、相分离法、烧结微球法等。由传统方法制备的生物支架因其力学强度较低、孔隙的相互贯通程度低、孔隙率与孔分布的可控性差等原因，直接影响细胞的在支架上的粘附增殖和组织血管化。

在生物结构体支架成型过程中：

按供料的喷射方式，可以将供料分为离散喷射式喷头与连续喷射式喷头。离散性喷射可以将液体材料离散成微点进行喷射打印，具有良好的调节性和启停响应，主要适合喷射打印粘性低、流动性好的液体材料。离散性喷射的方法挤出的材料单元很小，是一种数字化程度更高的成型过程；而对于连续性喷射，由于离散式喷头成型材料的限制，若成型材料为粘性大的粘稠态材料，很多供料系统难以将材料以离散的形式喷射出来，则需要采用连续式喷射的方式。

按材料(药物、细胞、活性因子等功能性物质)加载方式：

(1)支架主体材料与功能性物质混合挤出；

(2)先成型支架材料然后后期加载/移植功能性物质；