[發明專利]復合生物材料動態混合生物3D打印平臺

在審

• 申請號: 202010467436.7
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111607514A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 龔友平;畢志凱;王飛;戚金來;邵惠鋒;李文欣;劉海強;陳慧鵬;奚如如;周傳平;陳國金
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;B33Y30/00;C12N5/077
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發明公開了一種復合生物材料動態混合生物3D打印平臺。本發明包括動態混合擠出裝置和3D打印運動平臺，3D打印平臺用于控制動態混合擠出裝置進行三維運動，實現凝膠微球的制備。動態混合擠出裝置由動態混合打印噴頭、兩側的微型注射泵組成。動態混合打印噴頭主要用于含軟骨細胞的海藻酸鈉?膠原蛋白溶液均勻混合，微型注射泵用于控制生物材料溶液進液速度及進液量，一側的微型注射泵供給含細胞的海藻酸鈉溶液，另一側的微型注射泵供給膠原蛋白。本發明可以打印點、線、體三種結構的生物凝膠材料結構體；其混合腔體部分采用的結構材料具有一定的生物相容性，在其內部通入生物細胞，可以進行活性細胞生物3D打印的初期實驗。

技術領域

本發明屬于生物制造-生物3D打印設備技術領域，應用在細胞3D打印領域。具體包括一種動態混合擠出裝置及三維運動平臺，通過兩種結構的裝配實現海藻酸鈉-膠原蛋白生物復合材料的凝膠微球打印制造，進而實現軟骨細胞的3D培養。

背景技術

傳統的生物 3D 打印技術主要利用不含細胞的生物材料來制造醫學模型、金屬骨骼、生物陶瓷、組織工程支架等生物制品。生物 3D 打印延伸出的新分支細胞 3D 打印技術是通過增材制造的方式將生物兼容性材料、細胞和細胞所需的營養物質材料制造成復雜的三維功能性活體組織，實現從點、線、面制造維度到三維打印過程。在骨骼、皮膚、血管、心臟、腎臟、肝臟等組織等再生與重建、藥物篩選等領域具有廣闊的應用前景。

傳統的二維細胞培養是在培養皿或培養瓶的二維平面上進行，三維培養是用生物材料構造相應結構模擬細胞在體內的生長狀況及環境，使細胞在體外條件下進行三維生長。凝膠微球作為一種簡單對稱的結構，被廣泛用于細胞包裹、藥物釋放以及生物傳感器等方面。與藥用微球不同，用于組織工程的微球通常作為細胞支架，為細胞提供粘附和生長的載體，用于組織工程的微球應具有良好的生物相容性和可降解性；現有技術中的微球制備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為兩類：骨架材料和種子細胞。目前用于3D打印的骨架材料主要有水凝膠、聚乳酸羥基乙酸共聚物、丙烯酸鹽、纖維素、明膠、藻酸鹽等。種子細胞類型多樣，如臍帶血內皮細胞、血管內皮細胞、心肌細胞、成纖維細胞、軟骨細胞等。應用于3D打印技術的生物材料包括：1) 可生物降解聚合物，一類是天然材料，包括多糖(淀粉、藻酸鹽、殼質/殼聚糖、透明質酸衍生物)或蛋白質(大豆、膠原、纖維蛋白膠等)，這些天然材料可作為增強材料。另一類為合成的可生物降解聚合物。合成聚合物可以在控制條件下被制造；2)生物活性陶瓷，生物活性陶瓷包括磷酸鈣陶瓷、羥基磷灰石陶瓷；3)水凝膠，天然的親水性高分子包括多糖類(淀粉、纖維素、海藻酸、透明質酸，殼聚糖等水凝膠等)和多肽類(膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷氨酸等)。合成的親水高分子包括聚乙烯、醇、 丙烯酸及其衍生物類(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。

現有微混合器主要可分為動態混合器與靜態混合器，其主要區別在于有無主動的元件。動態微混合器需要通過主動元件的運動獲得混合動力，而靜態微混合器不需要依靠元件的運動，而是通過混合器自身的幾何結構來實現流體的混合效果。

常見的靜態微混合器有T型與Y型微混合器，通過對簡單的T型與Y型微混合器進行改進可獲得實現復雜功能的混合器。Liu等通過對常見的混合器進行改進設計了一種微混合器，其三維機構類似于蛇形，特點流體在彎道處的流動存在著與主體流動方向垂直的流動,可以使流體受力發生扭曲，從而増加了待混合流體間的接觸面積使得流體混合過程得到強化。在動態微混合器方面，包括超聲混合，動電學混合，離心混合以及交替脈沖流混合等方式的眾多微混合器，Lewis團隊設計以一款機械混合式的微混合器用于梯度材料的打印，其結構上包括錐形點膠針頭構成的混合腔、圓柱形金屬攪拌子、進液接頭以及攪拌電機。

發明內容