[發明專利]連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法、打印系統和應用

在審

• 申請號: 202211082302.9
• 申請日: 2022-09-06
• 公開（公告）號: CN115476508A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 阮長順;屈華偉
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: B29C64/165
• 分類號: B29C64/165;B29C64/393;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y50/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 劉建偉

本發明提供一種連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法、打印系統和應用，屬于生物醫學工程技術領域，本發明的連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法，建立打印速度與纖維的截面面積的函數關系，確定擠出頭高度與纖維狀態的對應關系；通過設計打印路徑各處的打印速度和/或擠出頭高度，形成變打印速度和/或變擠出頭高度打印，實現連續變直經纖維的逐層堆積成型，精確控制成型后各處的纖維直徑。本發明提出的變打印速度、變擠出頭高度的連續變纖維直徑擠出式3D打印的方法，用于制備可控梯度孔隙支架，突破了現有擠出式3D打印產品各處填充纖維直徑均相同的制約，拓展了擠出式3D打印技術的應用領域和場景。

技術領域

本發明涉及生物醫學工程技術領域，特別涉及連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法、打印系統和應用。

背景技術

在擠出式3D打印過程中，自動化切片是打印系統的重要組成單元，纖維分布對樣品的孔隙結構起到決定性作用，傳統擠出式3D打印的技術特點為擠出頭在各處的擠出氣壓、移動速度、打印高度保持不變，這就導致擠出式3D沉積纖維的直徑在整個打印路徑中均是相同的。雖然這種恒定纖維直徑擠出式3D打印策略可以十分容易完成對模型的自動化切片和打印路徑的規劃，并且由于參數處處一致，其所涉及的不確定因素也較少，有助于提高擠出式3D打印樣品的成功率。但是這也嚴重限制了擠出式3D打印技術在梯度孔隙支架領域的應用和拓展，難以實現對如擠出壓強、打印速度、擠出頭高度等關鍵打印參數的精確控制，無法滿足對梯度孔隙支架日益迫切的需求。

對于擠出式3D打印系統的現有研究，主要為恒定打印速度和恒定擠出頭高度下的恒定直徑纖維的逐層堆積成型，所得擠出式3D打印樣品通常為各處均勻孔隙的樣品，對于擠出式3D打印在梯度孔隙支架的研究較為較少。盡管有研究通過調整打印速度的方式獲得層間不同的纖維直徑支架，進而得到軸向梯度孔隙結構，但是對于如何實現模仿天然組織的復雜徑向梯度孔隙結構(如天然骨的“松質骨-皮質骨”梯度孔隙結構)的研究較為缺失。

目前現有技術雖然可以通過調整層間纖維直徑尺寸的方式來獲得擠出式3D打印軸向梯度孔隙支架，但是其難以完成徑向梯度孔隙結構的制備。盡管Moroni團隊(Di LucaA,Longoni A,Criscenti G,et al.Toward mimicking the bone structure:design ofnovel hierarchical scaffolds with a tailored radial porosity gradient[J].Biofabrication,2016,8(4):15)和Mikos團隊(Diaz-Gomez L,Kontoyiannis P D,Melchiorri A J,et al.Three-dimensional printing of tissue engineeringscaffolds with horizontal pore and composition gradients[J].TissueEngineering Part C-Methods,2019,25(7):411-420)通過在擠出式3D打印目標模型的徑向不同區域設置不同的纖維直徑和間距來獲得徑向梯度孔隙，但是該方法難以基于傳統擠出式3D打印技術實現高精度、連續、可控的梯度孔隙支架，且該方法所得徑向梯度效果并不顯著。

因此，如何設計和制備基于擠出式3D打印的可控梯度孔隙支架是目前擠出式3D打印技術所面臨的一大難題。

發明內容

本發明的目的在于解決現有擠出式3D打印技術制備梯度孔隙支架的不足，特別是對于徑向梯度孔隙結構而言，提供一種連續變纖維直徑的擠出式3D打印方法、打印系統和應用，提出了變打印速度、變擠出頭高度的連續變纖維直徑擠出式3D打印的方法，用于制備可控梯度孔隙支架，突破了現有擠出式3D打印產品各處填充纖維直徑均相同的制約，拓展了擠出式3D打印技術的應用領域和場景。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：