[發明專利]多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置及方法

有效

• 申請號: 201910270470.2
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN110004058B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 賀健康;梁紅濤;李滌塵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;B33Y30/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置，包括超凈實驗臺(1)，其特征在于：超凈實驗臺(1)內部放置打印裝置外殼(2)，在打印裝置外殼(2)內設有打印平臺(19)，打印平臺(19)能夠沿X-Y兩個方向運動，打印平臺(19)上通過軸承座(11)連接有接收滾筒(14)，接收滾筒(14)的端頭和電機(10)的輸出軸連接，接收滾筒(14)的上方設有同軸噴頭(13)和熔融靜電打印裝置(15)，同軸噴頭(13)和熔融打印裝置(15)均固定在Z軸移動平臺(18)上，同軸噴頭(13)的內噴頭與第二精密注射器(12)連接，外噴頭與第一精密注射器(9)連接，熔融打印裝置(15)與加熱裝置(16)連接，且熔融打印裝置(15)的針頭與高壓直流電源(20)的正極連接，打印裝置外殼(2)上安裝有溫度控制器(3)、光照系統(5)、濕度控制系統(6)、空氣凈化裝置(7)、滅菌紫外燈(8)和攝像監控裝置(17)；打印平臺(19)、Z軸移動平臺(18)、加熱裝置(16)、電機(10)、溫度控制器(3)、光照系統(5)、濕度控制系統(6)、空氣凈化裝置(7)、滅菌紫外燈(8)和攝像監控裝置(17)均與主機(21)連接；

所述的熔融打印裝置(15)用于實現管狀支架的打印，打印方式包括熔融靜電打印和熔融擠出成型，選擇高分子材料用于打印管狀支架；熔融靜電打印時，打開加熱裝置(16)，將高分材料加熱至熔融狀態，打開高壓直流電源(20)，調節電壓至0-20kV，在電場的輔助作用下從熔融打印裝置(15)的針頭處形成纖維射流，調節Z軸移動平臺(18)的高度和打印平臺(19)的位置，使熔融打印裝置(15)的針頭與接收滾筒(14)的豎直距離在0.3mm-10mm范圍內，并讓纖維均勻的沉積在接收滾筒(14)上，運行電機(10)和打印平臺(19)的運動程序，讓接收滾筒(14)既有旋轉運動又水平移動，實現管狀支架的熔融靜電打印，靜電打印微納纖維線寬為1-50μm；同理，熔融擠出成型時，重復熔融靜電打印步驟的同時，關閉高壓直流電源(20)，即實現管狀支架的熔融擠出成型，熔融擠出微納纖維線寬為60-300μm。

2.根據權利要求1所述的多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置，其特征在于：所述的高壓直流電源(20)可調節電壓幅值0-20kV。

3.根據權利要求1所述的多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置，其特征在于：所述的主機(21)根據需要實現溫度、濕度、光照強度的調節，按照預定編程，實現對打印平臺(19)、Z軸移動平臺(18)運動路徑的控制，通過層層疊加實現三維結構的打印。

4.根據權利要求1所述的多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置，其特征在于：所述的同軸噴頭(13)有多種規格，用于實現凝膠管狀組織的打印；選擇并配制細胞凝膠混合溶液I和細胞凝膠混合溶液II，將細胞凝膠混合溶液I和細胞凝膠混合溶液II分別裝入第二精密注射器(12)和第一精密注射器(9)中，并與同軸噴頭(13)的內外噴頭相連，運行兩個精密注射器，讓細胞凝膠混合溶液I和細胞凝膠混合溶液II從同軸噴頭的內外噴頭流出，根據需求調節凝膠交聯條件，讓同軸噴頭(13)的外噴頭中細胞凝膠混合溶液II及時成膠，并包裹細胞凝膠混合溶液I形成內外雙層的芯-殼凝膠纖維，調節Z軸移動平臺(18)的高度和打印平臺(19)的位置，讓芯-殼凝膠纖維均勻的沉積在接收滾筒(14)上，運行電機(10)和打印平臺(19)的運動程序，讓接收滾筒(14)既有旋轉運動又水平移動，實現活性管狀組織的打印。

5.根據權利要求1所述的多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置，其特征在于：所述的溫度控制器(3)實現0-50℃范圍內的溫度控制，光照系統(5)實現內部的照明，濕度控制系統(6)實現濕度控制，空氣凈化裝置(7)提供過濾后的空氣，提供無菌環境；滅菌紫外燈(8)進行內部消毒，保證無菌；攝像監控裝置(17)監測打印過程。

6.一種利用權利要求1所述的多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織3D打印裝置的打印方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)根據要求，選擇用于打印多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織的細胞凝膠混合溶液I、細胞凝膠混合溶液II以及用于打印管狀支架的高分子材料；細胞凝膠混合溶液I為細胞、凝膠、輔助材料的混合物，其中的凝膠為溫固化明膠、光固化明膠、膠原、絲素蛋白或牛纖維蛋白的蛋白類凝膠材料，濃度在0.5～20％之間，不同材料需要的濃度根據所需粘度的大小進行調節；細胞凝膠混合溶液II為細胞、凝膠、補充材料的混合溶液，其中的凝膠是海藻酸鈉、明膠或殼聚糖，濃度在0.5～15％之間；細胞種類為血管內皮細胞、胚胎干細胞、心肌細胞或成纖維細胞或平滑肌細胞，細胞的濃度在1×10⁵個/mL-5×10⁶/mL；輔助材料和補充材料為促使凝膠交聯成膠的交聯劑或促使細胞功能表達的生長因子；根據需要選取高分子材料用于打印管狀支架，高分子材料為聚己內酯、聚乳酸、聚丙烯、聚乳酸-羥基乙酸共聚物或乙烯/聚乙烯醇共聚物；

2)按照要求配制所需的細胞凝膠混合溶液I、細胞凝膠混合溶液II以及高分子材料；

3)將步驟2)配置好的細胞凝膠混合溶液I、細胞凝膠混合溶液II分別裝入第二精密注射器(12)和第一精密注射器(9)中；將高分子材料裝入熔融打印裝置(15)中；

4)根據需要在主機(21)中編寫打印程序，運行加熱裝置(16)，根據選取高分子材料的不同，調節加熱溫度至60-210℃將高分子材料融化，利用熔融擠出成型、熔融靜電打印或兩種方法的復合，實現管狀支架的打印；在打印的過程中，根據需要調節高壓直流電源20的電壓，電壓范圍在0-20kV，熔融打印裝置(15)的流量為10-1000μL/h；調節熔融打印裝置(15)的針頭與接收滾筒(14)的距離為0.3mm-10mm，運行電機(10)和打印平臺(19)，調節打印平臺(19)的X軸向移動速度和接收滾筒(14)的旋轉速度，X軸向移動速度范圍為0.5-40mm/s，接收滾筒(14)的旋轉速度為0.1-100r/min；根據力學性能需求調節熔融靜電打印微納纖維和熔融擠出成型微納纖維的打印層數，實現多尺度纖維的管狀支架的制造；

5)待步驟4)結束后，運行第二精密注射器(12)和第一精密注射器(9)，分別調節兩種細胞凝膠混合溶液的流量，其范圍在0～50ml/h；讓細胞凝膠混合溶液I和細胞凝膠混合溶液II在第二精密注射器(12)和第一精密注射器(9)的作用下分別從同軸噴頭(13)的內外噴頭擠入，并在同軸噴頭(13)的出口處一同擠出，調節交聯條件，讓細胞凝膠混合溶液II及時快速交聯成膠，并包裹細胞凝膠混合溶液I形成內外雙層的芯-殼凝膠纖維，調節Z軸移動平臺(18)距離接收滾筒(14)的高度為0.5mm-5mm，讓芯-殼凝膠纖維均勻的沉積在步驟4)打印的多尺度纖維的管狀支架上，再次調節接收滾筒(14)和打印平臺(19)的運動速度，接收滾筒的旋轉速度為0.1-100r/min，打印平臺的移動速度為移動速度范圍為0.05-40mm/s；讓接收滾筒(14)既有旋轉運動又水平移動，實現多尺度纖維增強的活性管狀組織的打印；

6)往復步驟4)-步驟5)實現多層多尺度纖維增強的活性管狀組織的打印，并且能夠改變同軸噴頭(13)中細胞凝膠混合溶液中的細胞種類，實現多種細胞的分層打印，用于模擬人體真實組織中的細胞分布；

7)將步驟6)制造的多層多尺度纖維增強的活性管狀組織從接收滾筒(14)上分離下來，并給予交聯條件，待其成膠完全后，加入培養液，放進培養箱進行培養；

8)經過培養，被細胞凝膠混合溶液II包裹的細胞凝膠混合溶液I中的細胞會逐漸發生鋪展和遷移行為，并在細胞的作用下，會率先發生分解并逐漸在內部形成微流道，最終實現多尺度纖維增強的微流道活性管狀組織的打印。