技术领域
[0001] 本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种挤出与光固化耦合的生物3D打印装置及方法。
相关背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 生物3D打印技术，是一种基于增材制造的思想，通过计算机三维模型指导，精确控制活细胞、生物材料、生化因子的空间位置，病逐层打印出复杂的仿生生物组织结构。在组织工程、再生医学和药物筛选等领域，生物3D打印技术已成为推动发展的关键工具。
[0004] 传统的挤出式生物3D打印技术，通过逐层挤出生物墨水形成三维结构，虽然在定制化生物组织构建中发挥了重要作用，但其打印效率相对较低。
[0005] 与此同时，投影光固化技术，如数字光处理(DLP)，可以快速固化GelMA等带光敏基团的水凝胶材料。虽然在速度和精度上具备显著优势，但这种技术对无光敏基团的材料适用性存在限制，即并非所有生物墨水都适合光固化过程。
[0006] 由于天然组织具有异质性的特点，理想的生物3D打印技术应当可以支持多种生物材料的同时打印，从而获得符合异质性需求的组织或材料，以便更准确地模拟天然组织的复杂结构特性。二传统的挤出式生物3D打印技术和投影光固化技术都只能打印单一的材料，无法满足有关异质性的需求。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0041] 正如背景技术中所介绍的，传统的挤出式生物3D打印技术和光固化耦合生物3D打印技术，难以打印出符合天然材料异质性的产品。
[0042] 因此，以下实施例给出一种挤出与光固化耦合的生物3D打印装置及方法，旨在提高打印速度，增强打印材料的多样性，并更有效地模拟天然组织的异质性，以满足组织工程、再生医学和药物开发等领域日益增长的技术需求。
[0043] 实施例一：
[0044] 一种挤出与光固化耦合的生物3D打印装置，包括：
[0045] 挤出模块，沿垂直方向运动，用于利用机械力挤压料筒，将挤出型生物墨水经过喷嘴逐层累积在沉积平台中，实现挤出打印；
[0046] 投影光固化模块，沿垂直方向运动，用于根据设定波长的光源，将预先配置的光固化型生物墨水经过喷嘴固化并逐层累积在沉积平台中，实现光固化打印；
[0047] 沉积平台，沿水平方向运动，用于承载预先配置的光固化型生物墨水，挤出模块和投影光固化模块的喷嘴均位于光固化型生物墨水液面以下；
[0048] 运动模块，通过带动挤出模块和投影光固化模块在垂直方向运动，以及带动沉积平台在水平方向运动，逐层打印所需工件。
[0049] 挤出模块具有料筒，用于装载挤出型生物墨水材料。料筒的开口连接到打印头的喷嘴中，确保生物墨水能以恒定的速度和压力挤出。此外，挤出模块还配有温控系统，以保持生物墨水在适宜的温度范围内。挤出模块中，挤出系统通过连接块7固定在装载台1上，如图1所示，连接块7上设有连接板2，连接板2上设有挤出系统驱动电机3，挤出系统驱动电机3的输出轴连接螺杆组件，螺杆组件末端设有固定板5，螺杆组件上活动连接推出板4。通过电机3驱动螺杆组件旋转使得推出板4沿直线运动。当需要某种生物墨水材料时，将材料装载在料筒中，料筒装载在挤出系统上。通过推出板4的直线运动挤压料筒使得挤出型生物墨水材料被挤出。
[0050] 光固化模块主要由高精度紫外光源组成，能够发射特定波长的紫外光线来激活光固化生物墨水中包含的光引发剂。通过精确控制紫外光的照射范围和时间，可以实现一层的快速且精确的固化。投影光固化模块中，多个DLP投影仪耦合在挤出模块的同一装载台1上。DLP投影仪由光源、光学元件、数字微镜器件、控制系统和冷却系统组成。其中，光源可以是不同的波长，以便固化不同机械性能要求的异质性组织。本实施例中，如图1所示，光固化模块的光固化投影头6通过连接块8连接在装载台1上，产生的不同波长的光源经打印头的喷嘴发出。
[0051] 沉积平台16由料槽和控温模块组成，如图2所示，料槽位于控温模块上方，料槽制备成圆柱的凹槽形状，盛放光固化载细胞生物墨水材料。控温模块主要由帕尔贴组成。
[0052] 运动模块17通过x，y，z三个方向上的电机驱动装载台1连同挤出模块和投影光固化模块运动，同时驱动沉积平台运动，通过共同协作，控制打印头的精确移动。
[0053] 其中，xy平面运动的电机驱动沉积平台，z轴运动的电机驱动挤出模块和光固化模块，并带着打印头上下移动。运动模块由步进电机、传动系统、导轨和滑块、运动控制器和限位开关、框架结构和传感器组成。
[0054] 其中，挤出模块和投影光固化模块的喷嘴布置在打印头上，喷嘴位于沉积平台16中光固化型生物墨水的液面以下，通过运动模块17带动打印头在光固化型生物墨水液面内的上下移动，配合沉积平台的水平运动，完成每层光固化型生物墨水的固化，而挤出型生物墨水则可以通过打印头更换的方式，利用喷嘴直接挤出到光固化型生物墨水的液面以下，并与固化后的光固化型生物墨水耦合，实现异质型工件的3D打印，适合生物工程中的一些具备异质性的零件制造。
[0055] 关于打印头更换，打印头集成了多种喷嘴，至少包括挤出型生物墨水的喷嘴和不同波长的光固化型生物墨水的喷嘴，同一层打印只可以调用一种喷嘴进行动作，每一层打印完成后，根据工件结构的需要，更换到下一层打印所需的喷嘴。在结构上，打印头具有一个被电机带动进行旋转运动的喷嘴座，喷嘴座上安装了多个喷嘴，通过电机带动喷嘴座旋转到设定位置，使得相应的喷嘴到达打印工作位置，配合打印头整体的升降运动调节喷嘴与工件之间的间隙完成打印头更换的动作。
[0056] 本实施例中，如图3和图4所示，运动模块包括z轴驱动电机9、y轴运动电机11和x轴运动电机12，z轴驱动电机9通过活动组件经连接构件14连接装载平台15，装载平台15包括装载台1和连接在装载台1上的挤出模块以及投影光固化模块；通过z轴驱动电机9实现装载平台15的垂直运动；
[0057] x轴运动电机12通过活动组件连接沉积台连接板13，沉积台连接板13连接沉积平台16；通过x轴运动电机12实现沉积平台16水平面的x向运动；
[0058] y轴运动电机11通过活动组件连接x轴运动电机12、沉积台连接板13连同沉积平台16，通过y轴运动电机11实现沉积平台16水平面的y向运动。
[0059] 这里的活动组件不限制具体结构，例如可以是滚珠丝杠结构，利用相应方向的电机带动丝杠转动，推动丝杠上的滚珠滑块做相应的z向、x向和y向运动。
[0060] 运动模块使沉积平台16完成挤出打印和光固化时的平面运动，以及挤出模块释放生物墨水材料时的垂直运动。
[0061] 通过耦合挤出式生物打印技术和投影光固化技术的优势，可以在一次打印过程中使用多种材料，不仅能够快速实现复杂结构的构建，还能模拟天然组织的异质性。通过调节固化光源的波长、材料浓度(包括光固化材料和挤出材料)以及打印参数，可以精确控制生物组织的异质性，从而实现更接近真实组织特性的生物构建组织。这一技术结合了挤出式打印的灵活性和光固化技术的高效性，极大地提升了生物3D打印的应用潜力。
[0062] 本实施例中，连接板2和挤出系统连接块使用螺钉连接，光固化投影头6和光固化连接模块8使用焊接的方式。装载台中有驱动电机，可以进行转动以便转换打印头中的喷嘴，从而在挤出打印和光固化打印之间切换。连接板和挤出系统连接块通过螺钉连接，而光固化投影头和光固化模块连接块则通过焊接的方式固定，这是为了确保在打印过程中的稳定性和耐用性。这种设计允许打印机在不同打印技术之间灵活切换，以满足不同的打印需求。
[0063] 本实施例中，z轴驱动电机带动装载台进行上下移动，xy轴驱动电机带动沉积平台进行平面运动。整个运动模块协同工作，使得打印机能够精确地控制打印头的位置，从而在三维空间内逐层构建物体。z轴驱动电机控制打印头的垂直移动，而xy轴驱动电机则控制沉积平台在水平面上的移动，这样可以实现精确的逐层打印。沉积台连接板则确保了构建平台的稳定性和精确移动。
[0064] 通过精确控制打印参数和温度，这种装置可以用于打印各种生物材料，包括细胞、生长因子和生物相容性材料，以形成复杂的三维结构。
[0065] 本实施例中，光固化型生物墨水材料为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、羟基磷灰石(HA)、角质形成细胞、成纤维细胞和骨髓间充质干细胞形成的混合物。在打印完成后使用405nm紫外光进行交联固化后处理。
[0066] 本实施例中，挤出型生物墨水材料为明胶、弹性蛋白、透明质酸、胶原蛋白、成纤维细胞和血管内皮细胞形成的混合物。
[0067] 本实施例中，后处理为水性交联剂溶液或紫外固化光源。
[0068] 本实施例中，打印头的喷嘴内径为0.16‑0.33mm，长度为5‑20mm。
[0069] 本实施例中，光源波长分别为405nm和365nm。
[0070] 本实施例中，光源波长405nm对应光引发剂为TOP‑L，光源波长为365nm对应光引发剂为TOP。
[0071] 本实施例中装置的工作过程为：预先配置光固化型生物墨水，并转移至沉积平台的料槽内备用。配置挤出型生物墨水，并转移至料筒内备用，并调节温控组件，使之处于合适的粘流态。将设计三维模型导入，并确定使用装载何种材料的打印头。打印遵循示意图5进行。打印完成之后使用紫外光或交联剂进行交联。
[0072] 打印参数选取为：挤出模块打印气压为10‑20N；挤出模块打印速度为50‑300mm/min；光固化模块打印使用的曝光时间为1‑3秒/层；光固化模块打印使用的层厚为50um‑100um；光固化模块打印使用的升降速度为1‑5mm/s；光固化光源的波长为405nm和365nm。
[0073] 通过耦合挤出式生物打印技术和投影光固化技术，可以在一次打印过程中使用多种材料，不仅显著提高打印效率和精度，还能更好地模拟天然组织的异质性。挤出式打印技术可以处理高粘度的生物墨水，而投影光固化技术则能在短时间内实现高精度固化，二者结合可以支持更广泛的生物材料，增强打印结构的功能性和生物学效用。通过精确控制固化光源的波长、材料浓度以及打印参数，最大限度地保护细胞活力，优化打印过程并提高结构稳定性。此外，这种耦合技术还能显著降低成本，提高材料利用率，并拓展应用领域，更好地满足组织工程、再生医学和药物开发等领域的多样化需求。
[0074] 实施例二：
[0075] 一种挤出与光固化耦合的生物3D打印的方法，包括以下步骤：
[0076] 配置挤出型生物墨水并储存在料筒中，通过调节温度使其处于设定的粘流状态；
[0077] 配置光固化型生物墨水并盛放于沉积平台的料槽中，调节液位和温度处于设定范围；
[0078] 确定需要打印的第一层材料使用挤出式打印或光固化式打印，通过打印头沿垂直方向下降并执行相应的打印；打印完成之后若不更换打印头，则当前打印头在已打印的第一层材料上继续打印下一层材料；若更换打印头，则打印头沿垂直方向上升的同时更换打印头，再沿垂直方向下降完成下一层打印；
[0079] 重复打印操作，直至完成所需的工件，经后处理得到最终的生物3D打印工件。
[0080] 后处理，具体为：打印完成之后，从载细胞生物墨水中去除打印生物组织前驱体，使用PBS(磷酸盐缓冲溶液)清洗表面残余生物墨水，至于紫外光下交联或者交联剂中交联。
[0081] 优选的，交联剂为水性交联剂溶液。
[0082] 进一步优选的，水性交联剂溶液中，EDC(1‑乙基‑(3‑二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺)的浓度为20‑50mg/ml，NHS(N‑羟基琥珀酰亚胺)的浓度为2‑5mg/ml。
[0083] 交联剂溶液的溶剂为60‑80％酒精；水性交联剂溶液的制备方法为，将EDC和NHS溶于60‑80％(％为体积百分数)酒精水溶液中，在20‑30℃，1000rpm条件下混合20‑40min。
[0084] 本实施例中，挤出模块打印推出力为10‑20N。
[0085] 本实施例中，挤出模块打印速度为50‑300mm/min。
[0086] 本实施例中，光固化模块打印使用的曝光时间为1‑15秒/层。
[0087] 本实施例中，光固化模块打印使用的层厚为50um‑100um。
[0088] 本实施例中，光固化模块打印使用的升降速度为1‑5mm/s。
[0089] 实施例三：
[0090] 采用实施例一的装置进行生物3D打印的方法，包括以下步骤：
[0091] 组装挤出模块。将料筒安装在装载台上，之后将喷嘴安装在料筒出口处，确保喷嘴能够与料筒紧密连接。将温控组件安装在料筒附近，确保可以精确控制温度。在装载台上方，安装活塞组件，并调整定位，确保可以顺畅挤出生物墨水。
[0092] 组装光固化模块。将光源安装在指定位置，确保光源与投影头对齐，调整投影头的位置，确保投影图像清晰。
[0093] 组装机械组件。将xy平面运动组件安装在沉积平台上，确保各轴运动平稳。将装载多个打印头的装载台安装在z轴上，确保z轴的自由移动。
[0094] 机械组件安装完成之后检查并测试各轴运动，确保无异常。
[0095] 配置挤出生物墨水材料和光固化生物墨水材料。将RO水、明胶、透明质酸、弹性蛋白按计算好的比例混合，在65℃、950rpm条件下搅拌30分钟，得到预混液(明胶、透明质酸、弹性蛋白的浓度分别为7.5wt％、0.5wt％、2wt％)。在混合的预混液中加入血管内皮细胞，细胞密度为106cel ls/ml，获得挤出生物墨水材料。随后，将挤出生物墨水材料装载至料筒中。
[0096] 将RO水和GelMA粉末、光引发剂TPO和TPO‑L按计算好的比例混合，在60℃、850rpm条件下搅拌30分钟，得到预混液(GelMA浓度为10wt％、光引发剂浓度均为1wt％)。在预混液中加入成纤维细胞和角质形成细胞，细胞密度分别为5×106cells/ml和106cells/ml。随后，将光固化生物墨水材料装载至沉积平台的料槽内。
[0097] 使用搭载365nm光源的打印头，先固化一层，固化厚度50um，曝光时间1秒，固化完成，装载台以3mm/s的速度上升至离沉积平台10cm处，转换成挤出式打印头。转换完成之后，打印头下降至沉积平台已经固化好的一层上，打印单层0.16mm厚度的血管层，打印推出力15N，打印速度100mm/min，打印完成之后，打印头上升，再次转换成365nm光源的打印头，同样的参数固化一层，之后循环5次同样操作，完成第一部分打印。
[0098] 接着，转换成405nm光源的打印头，固化两层，固化厚度为50um每层，曝光时间为3秒。
[0099] 打印完成之后，使用PBS清洗表面残留的生物墨水，并使用405nm的官员进行后处理，照射5分钟。得到了最终的打印皮肤组织前驱体，之后将前驱体至于37℃，5％CO2条件下进行组织培养，14天之后取出获得打印的类人皮肤。
[0100] 实施例四：
[0101] 采用实施例一的装置进行生物3D打印的方法，具体步骤如下：
[0102] 组装挤出模块。将料筒安装在装载台上，之后将喷嘴安装在料筒出口处，确保喷嘴能够与料筒紧密连接。将温控组件安装在料筒附近，确保可以精确控制温度。在装载台上方，安装活塞组件，并调整定位，确保可以顺畅挤出生物墨水。
[0103] 组装光固化模块。将光源安装在指定位置，确保光源与投影头对齐，调整投影头的位置，确保投影图像清晰。
[0104] 组装机械组件。将xy平面运动组件安装在沉积平台上，确保各轴运动平稳。将装载多个打印头的装载台安装在z轴上，确保z轴的自由移动。
[0105] 机械组件安装完成之后检查并测试各轴运动，确保无异常。
[0106] 配置挤出生物墨水材料和光固化生物墨水材料。将RO水、明胶、透明质酸、弹性蛋白按计算好的比例混合，在50℃、950rpm条件下搅拌30分钟，得到预混液(明胶、透明质酸、弹性蛋白的浓度分别为5wt％、1.5wt％、1wt％)。在混合的预混液中加入血管内皮细胞，细胞密度为105cells/ml，获得挤出生物墨水材料。随后，将挤出生物墨水材料装载至料筒中。
[0107] 将RO水和GelMA粉末、光引发剂TPO‑L和羟基磷灰石粉末按计算好的比例混合，在50℃、850rpm条件下搅拌20分钟，得到预混液(GelMA浓度为15wt％、光引发剂浓度均为
1wt％、羟基磷灰石浓度为20wt％)。在预混液中加入成纤维细胞和骨髓间充质干细胞，细胞密度分别为5×106cells/ml和107cells/ml。随后，将光固化生物墨水材料装载至沉积平台的料槽内。
[0108] 使用搭载405nm光源的打印头，固化厚度100um，曝光时间2秒，固化完成，装载台以2mm/s的速度上升至离沉积平台10cm处，转换成挤出式打印头。转换完成之后，打印头下降至沉积平台已经固化好的结构上，打印单层0.16mm厚度的血管层，打印推出力10N，打印速
200mm/min，打印完成之后，打印头上升，再次转换成405nm光源的打印头，参数进行固化，直至完成打印。
[0109] 打印完成之后，使用PBS清洗表面残留的生物墨水，并使用405nm的光源进行后处理，照射5分钟。得到了最终的打印骨组织前驱体，之后将前驱体至于37℃，5％CO2条件下进行组织培养，14天之后取出获得打印的骨组织。
[0110] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
