[0001] 本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种用于悬浊液与梯度多材料3D打印的墨水供应系统及打印方法。

[0002] 挤出式3D打印是最常见的3D打印技术之一，它通过逐层堆叠的方式来构建三维物体，成本相对较低，易于使用和维护，材料选择多样，可以打印复杂的几何形状。在组织替代物与再生支架的制造中，也得到了广泛应用。

[0003] 水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子材料，能够吸收并保持大量水分而不溶解。由于其独特的物理和化学性质，水凝胶在生物医学领域，尤其是在组织修复和再生医学中，展现出广泛的应用潜力。在硬组织修复中，往往需要在水凝胶中载入骨粉或合成羟基磷灰石以提高成骨能力。在临床上，骨粉或羟基磷灰石通常以颗粒的形式与胶原一起用于硬组织修复，骨粉或羟基磷灰石的占比高达90％。然而目前在3D打印中骨粉或合成羟基磷灰石的装载量非常有限，并且要求以粉末的形式装载，而以颗粒的形式形成悬浊液会产生沉降。

[0004] 天然组织通常具有梯度结构与梯度组分，为了模拟天然组织的梯度组分，目前研发出了多喷头打印机以实现材料的梯度分布。然而这种梯度分布要求每种比例配制一个专用喷头，限制了梯度组合的数量，且仅能实现步进式梯度变化而非连续变化。

[0005] 为了利用载骨粉颗粒水凝胶实现具有连续梯度骨粉浓度变化支架的挤出式3D打印，研发一种用于悬浊液与梯度多材料3D打印的墨水供应系统具有重要意义。

[0032] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

[0033] 如图1所示，本发明提供了一种适用于悬浊液3D打印与梯度多材料3D打印的墨水供应系统，由多个墨水存储单元1、一个多通道独立控制蠕动泵模块2、墨水混匀模块3、超声池4以及打印料筒5构成。

[0034] 如图2所示，墨水存储单元1由电机1‑1、联轴器1‑2、搅拌轴1‑3、料筒盖1‑4、控温模块1‑5以及存储料筒1‑6构成；搅拌轴1‑3上均匀分布3组搅拌扇叶，每组4片；搅拌轴1‑3通过料筒盖1‑4上的圆孔伸出料筒外与通过联轴器1‑2连接与电机1‑1相连接；金属料筒1‑6在侧壁上方设有入料口，通过开关控制导通与否；金属料筒1‑6底部为出料口，与多通道独立控制蠕动泵模块2的通道入口相连接；控温模块1‑5为包裹在存储料筒1‑6表面的加热垫。

[0035] 多通道独立控制蠕动泵模块具有多条独立且互不干涉的墨水流通通道，每条墨水流通通道上均设置有一个蠕动泵，每条墨水流通通道的入口处均与一个墨水存储单元连接；如图3所示，墨水混匀模块3具有与墨水存储单元1数量相同的入口与一个出口，入口与出口之间为流体混合流道，在本发明的一个具体实施例中，流体混合流道为特斯拉阀结构；墨水混匀模块3的入口与多通道独立控制蠕动泵模块2的通道出口相连接，即多通道独立控制蠕动泵模块2将墨水存储单元1中的多种材料定速输送到墨水混匀模块3用于混合，单材料打印时墨水混匀模块3也可以进一步辅助维持悬浊液墨水的均匀性；墨水混匀模块3的出口经过单向阀与分流器接到打印料筒5的两个进料口。

[0036] 打印料筒5由打印活塞5‑1、料筒盖5‑2、加热垫5‑3以及料筒外壳5‑4构成；料筒外壳5‑4底部呈圆锥状，用于减少墨水剪切应力；打印活塞5‑1具有2个进料管，其进口通过单向阀与分流器和墨水混匀模块3出口相连，其出口导通金属料筒5‑4内部；打印活塞5‑1具有与料筒外壳5‑4的底部一致的圆锥形态，以便实现墨水的完全挤出；料筒外壳5‑4固定在挤出式打印机运动平台，打印活塞5‑1由固定在打印机运动平台的电动推杆驱动；料筒盖5‑2上在打印活塞5‑1的驱动杆以及进料管道相应的位置设置圆孔以允许打印活塞5‑1的驱动杆以及进料管道与料筒外壳5‑4的相对位移；加热垫5‑3包裹在料筒外壳5‑4表面进行加热。

[0037] 本发明所提出的墨水供应系统可进行单材料悬浊液打印，以打印孔隙率50％的20mm X20mm X 5mm的骨支架为例，一个支架约需要1毫升墨水，其制备包括以下步骤：

[0038] 1)明胶、海藻酸钠与磷酸盐缓冲液以5：2：93的比例在37摄氏度下溶解混合得到明胶海藻酸钠溶液，然后按照明胶海藻酸钠溶液：骨粉为100：63的比例使用匀质机混匀明胶海藻酸钠溶液与骨粉，从而制备用于打印骨支架的墨水；

[0039] 2)将所配制墨水存储于墨水存储单元1，温控装置设置为30摄氏度，可以保证溶液具有较低的粘度与较好的流动性；

[0040] 3)搅拌轴1‑3的转速设置为60转/分钟，进而维持配置好的悬浊液墨水处于均匀状态，不会发生沉降

[0041] 4)设置多通道独立控制蠕动泵模块2所用通道的流速为20毫升/分钟；

[0042] 5)定量的墨水经过墨水混匀模块3输送至打印料筒5墨水混匀模块3进一步辅助维持悬浊液墨水的均匀性，随后在打印料筒5中进行挤出打印；

[0043] 6)打印过程中，超声池4温控模块开启，设置为30摄氏度，避免墨水在管道中降温导致粘度提高、流动性下降；

[0044] 7)打印结束后，通过电动推杆驱动打印活塞5‑1将打印料筒中的墨水挤入墨水储放瓶回收墨水；

[0045] 8)将料筒外壳5‑4底部打印头导通废液桶，开启超声，温控设置均调整为55摄氏度，从墨水存储单元1进料口供水从而进行系统自清洁。冲洗过程进行5分钟，超声频率20千赫兹和40千赫兹交替，每次5秒钟。

[0046] 本发明所提出的墨水供应系统可进行梯度多材料悬浊液打印，以打印孔隙率50％的20mm X 20mm X 5mm的骨软骨界面支架为例，一个支架约需要1毫升墨水，其制备包括以下步骤：

[0047] 1)明胶、海藻酸钠与磷酸盐缓冲液以5：2：93的比例在37摄氏度下溶解混合得到明胶海藻酸钠溶液，然后按照明胶海藻酸钠溶液：骨粉为100：63的比例使用匀质机混匀明胶海藻酸钠溶液与骨粉，从而制备用于打印骨组织层的一号墨水；明胶、海藻酸钠与磷酸盐缓冲液以5：2：93的比例在37摄氏度下溶解混合制备用于打印软组织层的二号墨水；

[0048] 2)将所配制墨水存储于墨水存储单元1，温控装置设置为30摄氏度，可以保证溶液具有较低的粘度与较好的流动性；

[0049] 3)搅拌轴1‑3的转速设置为60转/分钟，进而维持配置好的悬浊液墨水处于均匀状态，不会发生沉降。

[0050] 4)将一号墨水的初始流速设置为20毫升/分钟，以0.11毫升/秒的速度降低，二号墨水的初始流速设置为0毫升/分钟，以0.11毫升/秒的速度提高。

[0051] 5)一号墨水和二号墨水经过墨水混匀模块3的特斯拉结构实现混匀，输送至打印料筒5，随后在打印料筒5中进行挤出打印；

[0052] 6)打印过程中，超声池4温控模块开启，设置为30摄氏度，避免墨水在管道中降温导致粘度提高、流动性下降；

[0053] 7)打印结束后，通过电动推杆驱动打印活塞5‑1将打印料筒中的墨水挤入墨水储放瓶回收墨水；

[0054] 8)将料筒外壳5‑4底部打印头导通废液桶，开启超声，温控设置均调整为55摄氏度，从墨水存储单元1进料口供水从而进行系统自清洁。冲洗过程进行5分钟，超声频率20千赫兹和40千赫兹交替，每次5秒钟。

[0055] Aylin Kara et al 2024Biofabrication 16 025027发表的文献中记载：挤出式3D打印技术制造骨粉水凝胶时，当骨粉尺寸在0.1mm以下时，骨粉：水凝胶粉末比例为40：60；当骨粉尺寸在0.045mm以下时，骨粉：水凝胶粉末比例可以达到57：43；而采用本发明的墨水供应系统后可以实现尺寸在0.1‑0.3mm间的骨粉水凝胶打印，骨粉：水凝胶粉末比例可以达到90：10。克服了现有挤出式3D打印技术中无法装载大量骨粉或合成羟基磷灰石等不溶材料的问题，同时克服了现有挤出式3D打印技术中无法装载0.1mm以上的颗粒形式骨粉的问题。

[0056] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。