本發(fā)明涉及3d打印，具體為一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、生物3d打印技術(shù)，是一種基于增材制造的思想，通過計(jì)算機(jī)三維模型指導(dǎo)，精確控制活細(xì)胞、生物材料、生化因子的空間位置，病逐層打印出復(fù)雜的仿生生物組織結(jié)構(gòu)。在組織工程、再生醫(yī)學(xué)和藥物篩選等領(lǐng)域，生物3d打印技術(shù)已成為推動(dòng)發(fā)展的關(guān)鍵工具。

3、傳統(tǒng)的擠出式生物3d打印技術(shù)，通過逐層擠出生物墨水形成三維結(jié)構(gòu)，雖然在定制化生物組織構(gòu)建中發(fā)揮了重要作用，但其打印效率相對(duì)較低。

4、與此同時(shí)，投影光固化技術(shù)，如數(shù)字光處理(dlp)，可以快速固化gelma等帶光敏基團(tuán)的水凝膠材料。雖然在速度和精度上具備顯著優(yōu)勢(shì)，但這種技術(shù)對(duì)無光敏基團(tuán)的材料適用性存在限制，即并非所有生物墨水都適合光固化過程。

5、由于天然組織具有異質(zhì)性的特點(diǎn)，理想的生物3d打印技術(shù)應(yīng)當(dāng)可以支持多種生物材料的同時(shí)打印，從而獲得符合異質(zhì)性需求的組織或材料，以便更準(zhǔn)確地模擬天然組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性。二傳統(tǒng)的擠出式生物3d打印技術(shù)和投影光固化技術(shù)都只能打印單一的材料，無法滿足有關(guān)異質(zhì)性的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置及方法，提高打印速度，增強(qiáng)打印材料的多樣性，并更有效地模擬天然組織的異質(zhì)性，以滿足組織工程、再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，包括：

4、擠出模塊，沿垂直方向運(yùn)動(dòng)，用于利用機(jī)械力擠壓料筒，將擠出型生物墨水經(jīng)過噴嘴逐層累積在沉積平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)擠出打??；

5、投影光固化模塊，沿垂直方向運(yùn)動(dòng)，用于根據(jù)設(shè)定波長(zhǎng)的光源，將預(yù)先配置的光固化型生物墨水經(jīng)過噴嘴固化并逐層累積在沉積平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)光固化打??；

6、沉積平臺(tái)，沿水平方向運(yùn)動(dòng)，用于承載預(yù)先配置的光固化型生物墨水，擠出模塊和投影光固化模塊的噴嘴均位于光固化型生物墨水液面以下；

7、運(yùn)動(dòng)模塊，通過帶動(dòng)擠出模塊和投影光固化模塊在垂直方向運(yùn)動(dòng)，以及帶動(dòng)沉積平臺(tái)在水平方向運(yùn)動(dòng)，逐層打印所需工件。

8、進(jìn)一步的，擠出模塊連接在裝載臺(tái)上，具有用于裝載擠出型生物墨水的料筒，料筒開口連接打印頭，料筒接收來自推出板的機(jī)械力，使擠出型生物墨水經(jīng)過打印頭擠出到沉積平臺(tái)中。

9、進(jìn)一步的，投影光固化模塊連接在裝載臺(tái)上，具有光源，光源發(fā)出設(shè)定波長(zhǎng)的紫外光線經(jīng)投影頭，到達(dá)光固化生物墨水液面以下的噴嘴，對(duì)預(yù)先配置的光固化型生物墨水進(jìn)行固化。

10、進(jìn)一步地，光固化打印頭和連接桿表面使用聚四氟乙烯涂層，防止在插入液面之后生物墨水和打印頭互粘，影響打印效果。其中，聚四氟乙烯具備極低的摩擦系數(shù)和表面能，是防止粘附的理想選擇。

11、進(jìn)一步的，打印頭具有多組，每一組打印頭分別對(duì)應(yīng)不同光固化型生物墨水的固化光波長(zhǎng)，并且每一組打印頭均具有噴出擠出型生物墨水的噴嘴。

12、進(jìn)一步的，沉積平臺(tái)包括料槽和控溫模塊，料槽用于盛放預(yù)先配置的光固化型生物墨水，控溫模塊保持料槽維持在設(shè)定溫度范圍。

13、進(jìn)一步的，運(yùn)動(dòng)模塊通過x，y，z三個(gè)方向上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝載臺(tái)連同擠出模塊和投影光固化模塊實(shí)現(xiàn)垂直面z方向的運(yùn)動(dòng)，以及驅(qū)動(dòng)沉積平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平面x和y向的運(yùn)動(dòng)。

14、進(jìn)一步的，光固化型生物墨水材料至少包括水、甲基丙烯?；髂z(gelma)、光引發(fā)劑、角質(zhì)形成細(xì)胞和成纖維細(xì)胞骨形成的混合物。

15、進(jìn)一步的，擠出型生物墨水材料至少包括水、明膠、彈性蛋白、透明質(zhì)酸、膠原蛋白和成纖維細(xì)胞形成的混合物。

16、進(jìn)一步的，打印完成后，去除打印生物組織前驅(qū)體，清洗表面殘余生物墨水，并經(jīng)交聯(lián)處理得到最終的生物3d打印工件。

17、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種擠出與光固化耦合的生物3d打印方法，包括以下步驟：

18、配置擠出型生物墨水并儲(chǔ)存在料筒中，通過調(diào)節(jié)溫度使其處于設(shè)定的粘流狀態(tài)；

19、配置光固化型生物墨水并盛放于沉積平臺(tái)的料槽中，調(diào)節(jié)液位和溫度處于設(shè)定范圍；

20、確定需要打印的第一層材料使用擠出式打印或光固化式打印，通過打印頭沿垂直方向下降并執(zhí)行相應(yīng)的打?。淮蛴⊥瓿芍笕舨桓鼡Q打印頭，則當(dāng)前打印頭在已打印的第一層材料上繼續(xù)打印下一層材料；若更換打印頭，則打印頭沿垂直方向上升的同時(shí)更換打印頭，再沿垂直方向下降完成下一層打印；

21、重復(fù)打印操作，直至完成所需的工件，經(jīng)后處理得到最終的生物3d打印工件。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，以上一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案存在以下有益效果：

23、1、將擠出型3d打印和光固化型3d打印結(jié)合在一起，能夠在一個(gè)工件中使用不同的材料制備工件，能夠模擬出天然生物組織的異質(zhì)性，以滿足組織工程、再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的需求。

24、2、擠出型3d打印的材料預(yù)先保存在容器中，而光固化型3d打印的材料則成放在沉積平臺(tái)的料槽中，兩部分材料分開保存，在未固化時(shí)不產(chǎn)生交叉，并且能夠分別獨(dú)立控制各自材料的溫度和流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)一步模擬出天然生物組織的異質(zhì)性。

25、3、光固化型3d打印的材料在未固化前保存在沉積平臺(tái)的料槽中，使其固化的噴嘴和擠出型打印的噴嘴均位于光固化型3d打印材料的液面以下，使得逐層固化后的光固化型3d打印材料以及擠出型3d打印材料，能夠在液面以下實(shí)現(xiàn)良好的耦合，未固化的光固化型3d打印材料經(jīng)過一次性添加即可，不需要頻繁的材料添加動(dòng)作。

技術(shù)特征：

1.一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述擠出模塊連接在裝載臺(tái)上，具有用于裝載擠出型生物墨水的料筒，料筒開口連接打印頭，料筒接收來自推出板的機(jī)械力，使擠出型生物墨水經(jīng)過打印頭擠出到沉積平臺(tái)中。

3.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述投影光固化模塊連接在裝載臺(tái)上，具有光源，光源發(fā)出設(shè)定波長(zhǎng)的紫外光線經(jīng)投影頭，使沉積平臺(tái)中預(yù)先配置的光固化型生物墨水被固化。

4.如權(quán)利要求2所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述打印頭具有多組，每一組打印頭分別對(duì)應(yīng)不同光固化型生物墨水的固化光波長(zhǎng)，并且每一組打印頭均具有噴出擠出型生物墨水的噴嘴。

5.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述沉積平臺(tái)包括料槽和控溫模塊，料槽用于盛放預(yù)先配置的光固化型生物墨水，控溫模塊保持料槽維持在設(shè)定溫度范圍。

6.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)模塊通過x，y，z三個(gè)方向上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝載臺(tái)連同擠出模塊和投影光固化模塊實(shí)現(xiàn)垂直面z方向的運(yùn)動(dòng)，以及驅(qū)動(dòng)沉積平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平面x和y向的運(yùn)動(dòng)。

7.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述光固化型生物墨水材料至少包括水、甲基丙烯?；髂z、光引發(fā)劑、角質(zhì)形成細(xì)胞和成纖維細(xì)胞骨形成的混合物。

8.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，所述擠出型生物墨水材料至少包括水、明膠、彈性蛋白、透明質(zhì)酸、膠原蛋白和成纖維細(xì)胞形成的混合物。

9.如權(quán)利要求1所述的一種擠出與光固化耦合的生物3d打印裝置，其特征在于，打印完成后，去除打印生物組織前驅(qū)體，清洗表面殘余生物墨水，并經(jīng)交聯(lián)處理得到最終的生物3d打印工件。

10.基于權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述裝置實(shí)現(xiàn)生物3d打印的方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種擠出與光固化耦合的生物3D打印裝置及方法，包括執(zhí)行擠出打印模塊和投影光固化模塊，沉積平臺(tái)沿水平方向運(yùn)動(dòng)，用于承載預(yù)先配置的光固化型生物墨水，并在其固化后接收擠出模塊產(chǎn)生的擠出型生物墨水；運(yùn)動(dòng)模塊通過帶動(dòng)擠出模塊和投影光固化模塊在垂直方向運(yùn)動(dòng)，以及帶動(dòng)沉積平臺(tái)在水平方向運(yùn)動(dòng)，逐層打印所需工件。將擠出型3D打印和光固化型3D打印結(jié)合在一起，能夠在一個(gè)工件中使用不同的材料制備工件，能夠模擬出天然生物組織的異質(zhì)性，以滿足組織工程、再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：王真,李波文,黃傳真,徐龍華,黃水泉,曲美娜,許征凱,張迪嘉,郭保蘇,馬榮青
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19