电流体喷射装置及打印三维生物支架的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于打印三维生物支架的装置及其方法。所述打印方法包括如下步骤：将与冰乙酸混合均匀的聚己内酯(PCL)溶液加入到所述溶液供给系统中；通过运动控制系统设置打印时所述运动平台的运动速度和路径，调整所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离，并设置溶液注射速率；调节电源，在所述喷针与所述载物台之间施加电压。通过所述方法打印的具有多种螺旋结构的微形貌的三维生物支架具有更高的强度、更大的接触面积和孔隙率，因而更有利于接种细胞时的细胞吸附以及细胞培养过程中的分化与增殖。

An electric current ejector and a method for printing three dimensional biological scaffolds

【技术实现步骤摘要】
电流体喷射装置及打印三维生物支架的方法
本专利技术属于电纺微纳米纤维工程领域，具体地，涉及用于打印微形貌的三维生物支架的电流体喷射装置及打印三维生物支架的方法。
技术介绍
组织工程是应用生命科学和工程学的原理开发功能性替代物以重建、修复或提高组织功能。组织工程在过去二十年、尤其是最近十年间得到了快速发展,有潜力修复和重建许多人体组织和器官，例如：皮肤、骨和软骨、肝脏、心脏瓣膜和血管、膀胱、胰腺、神经、角膜以及其他的一些软组织等等。组织工程包含三个要素：种子细胞、组织工程支架以及组织构建(或生长因子)。其中，多孔支架发挥着重要作用。为了达到成功修复组织的目的，组织工程支架需要具备一些重要特征。一是支架必须有连通的多孔结构以利于细胞的长入和物质的传输。细胞的长入对于新生组织的形成起着关键作用；另外，营养物质和氧气需要能够传输到支架内部,代谢产物以及支架材料的降解产物也要能有效地排出。二是支架需要具备与具体应用相匹配的力学性能。不同的组织所对应的支架的力学性能不尽相同，这就需要考虑力学性能的匹配。三是支架材料具有良好的生物相容性和降解性,以避免引起免疫反应。为了满足支架的这些重要特征,诸多支架打印方法被不断地开发出来。静电纺丝技术作为三维生物支架打印的方法之一，其关键原理是对于高分子溶液施加高电压，使得高分子溶液在喷头针头口处形成泰勒锥。当电压继续增加时，带电液体就会在泰勒锥尖端处形成喷射流。喷射流下落过程中，随着溶剂的蒸发，纤维得以形成，随后由于静电力的作用落在收集器上。然而，目前，通过静电纺丝技术喷出的纤维难以构成纤维排布方向可控的支架且其具有孔隙率低、力学性能差、纤维精细程度低、结构单调等缺点。这些缺点导致所构成的生物支架不利于细胞均匀分布和细胞外基质的分泌和形成，也不能满足不同尺寸的细胞的粘附和生长需要。因此，需要对利用静电纺丝技术打印三维生物支架的方法进行改进以打印具有多种螺旋结构的微形貌的三维生物支架。
技术实现思路
基于此，针对现有技术存在的上述问题，提供一种电流体喷射装置及所述装置打印的利于细胞粘附和生长的三维生物支架的方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种用于打印三维生物支架的电流体喷射装置，包括：溶液供给系统，其包括喷针；运动平台，所述运动平台可由驱动机构驱动沿X、Y、Z轴运动；运动控制系统，其与所述驱动机构连接并控制所述驱动机构的运动；载物台，其面向所述喷针的喷嘴，并连接至所述运动平台以可随所述运动平台沿X、Y轴运动；电源，其分别连接至所述载物台和所述溶液供给系统，所述电源在所述载物台和所述溶液供给系统的喷针之间施加电压以形成电场。在一个实施例中，所述喷针连接于所述运动平台的Z轴上，并通过所述运动控制系统控制所述驱动机构使所述运动平台沿Z轴运动来调节所述喷针与所述载物台之间的距离。在一个实施例中，所述溶液供给系统还包括注射器、塑料软管以及注射泵，所述注射泵、所述注射器、所述塑料软管和所述喷针依次连接；所述电源的接地极连接至所述喷针，所述电源的正极连接所述载物台。在一个实施例中，所述电流体喷射装置还包括用于调控所述运动平台所在区域温度的温控装置，所述温控装置包括加热管以及电连接所述加热管的控温开关。根据本专利技术的另一方面，提供一种利用上述电流体喷射装置打印三维生物支架的方法，所述电流喷射装置的载物台上设有抛光硅晶体基底，所述方法包括：ⅰ)将与冰乙酸混合均匀的聚己内酯(PCL)溶液加入到所述溶液供给系统中；ⅱ)通过所述运动控制系统设置打印时所述运动平台的运动速度和路径，调整所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离，并设置溶液注射速率；ⅲ)开启所述电源，在所述喷针与所述载物台之间施加电压。在一个实施例中，所述PCL溶液中PCL的浓度为70％wt。在一个实施例中，所述打印三维生物支架的方法还包括将所述运动平台所在区域的温度设置为26℃～30℃。在一个实施例中，在开启所述电源，在所述喷针与所述载物台之间施加电压的步骤后，所述喷针与所述载物台之间得到鞭动射流。在一个实施例中，所述喷针与所述载物台之间的电压设置为2kV～4kV，所述运动平台在X、Y轴的运动速度均设置为10mm/s～300mm/s，所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离设置为2.5mm～5mm，所述溶液注射速率设置为0.1μl/min～10μl/min。在一个实施例中，所述喷针与所述载物台之间的电压设置为2.55kV，所述运动平台在X、Y轴的运动速度均分别设置为60mm/s，所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离设置为3.5mm，所述溶液注射速率设置为1μl/min。在一个实施例中，所述喷针与所述载物台之间的电压设置为2.55kV，所述运动平台在X、Y轴的运动速度均分别设置为100mm/s，所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离设置为3.5mm，所述溶液注射速率设置为1μl/min。在一个实施例中，所述喷针与所述载物台之间的电压设置为2.55kV，所述运动平台在X、Y轴的运动速度均分别设置为80mm/s，所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离设置为3.5mm，所述溶液注射速率设置为1μl/min。在一个实施例中，所述喷针与所述载物台之间的电压设置为3.5kV，所述运动平台在X、Y轴的运动速度均分别设置为60mm/s，所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离设置为3.5mm，所述溶液注射速率设置为6μl/min。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的电流体喷射装置能够打印出具有多元螺旋微形貌的三维生物支架，该多元螺旋微形貌的三维生物支架有利于不同尺寸的细胞在接种打印时的吸附，使细胞均匀分布在支架上。在同样的培养条件和培养周期下，细胞在具有多元螺旋微结构的三维生物支架上的吸附和增殖效果显著优于在网格支架上的吸附和增殖效果。(2)本专利技术的电流体喷射装置能制造出分辨率高、导向性好、结构复杂的微米级的纤维。(3)本专利技术的电流体喷射装置通过运动控制系统控制运动平台的运动，精确控制纤维的空间格局和方向，制造具有仿生三维结构的组织工程支架。(4)利用本专利技术的电流体喷射装置打印的多元螺旋微形貌三维支架的孔隙率高、接触面积大且孔径连通性好，有利于细胞外基质的分泌和形成以及培养液的正常灌注，为细胞后续的生长、分化和增值提供良好的环境。(5)本专利技术制造的多元微形貌三维生物支架所用的材料具有良好的生物相容性，不会干扰机体的免疫机制，也不会引起免疫排斥反应。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施例的电流体喷射装置的结构示意图；图2为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印多元螺旋微形貌三维生物支架的原理示意图；图3为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印的具有正弦波微形貌的三维支架的光学图片；图4为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印的具有相离型圆圈微形貌的、多级微米尺度结构的生物支架的光学图片；图5为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印的具有相邻型圆圈微形貌的、多级微米尺度结构的生物支架的光学图片；图6为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印的具有交错型圆圈微形貌的、多级微米尺度结构的生物支架的光学图片；图7为根据本专利技术的一个实施例的利用电流体喷射装置打印的具有双层正弦波微形貌的三维生物支架的光学图片；图8为根据本专利技术的一个实施例的利用电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于打印三维生物支架的电流体喷射装置，包括：溶液供给系统(1)，其包括喷针(8)；运动平台(2)，所述运动平台可由驱动机构驱动沿X、Y、Z轴运动；运动控制系统(3)，其与所述驱动机构连接并控制所述驱动机构的运动；载物台(16)，其面向所述喷针的喷嘴，并连接至所述运动平台以可随所述运动平台沿X、Y轴运动；电源(4)，其分别连接至所述驱动机构和所述溶液供给系统，所述电源给所述驱动机构和所述溶液供给系统供电。

【技术特征摘要】
1.一种用于打印三维生物支架的电流体喷射装置，包括：溶液供给系统(1)，其包括喷针(8)；运动平台(2)，所述运动平台可由驱动机构驱动沿X、Y、Z轴运动；运动控制系统(3)，其与所述驱动机构连接并控制所述驱动机构的运动；载物台(16)，其面向所述喷针的喷嘴，并连接至所述运动平台以可随所述运动平台沿X、Y轴运动；电源(4)，其分别连接至所述驱动机构和所述溶液供给系统，所述电源给所述驱动机构和所述溶液供给系统供电。2.根据权利要求1所述的电流体喷射装置，其特征在于：所述喷针(8)连接于所述运动平台的Z轴上，并通过所述运动控制系统(3)控制所述驱动机构使所述运动平台的Z轴运动来调节所述喷针(8)与所述载物台之间的距离。3.根据权利要求1所述的电流体喷射装置，其特征在于：所述溶液供给系统还包括注射器(6)、塑料软管(7)以及注射泵(9)，所述注射泵、所述注射器、所述塑料软管和所述喷针依次连接；所述电源的接地极连接至所述喷针，所述电源的正极连接所述载物台。4.根据权利要求1所述的电流体喷射装置，其特征在于：所述电流体喷射装置还包括用于调控所述运动平台所在区域温度的温控装置(5)，所述温控装置包括加热管(10)以及电连接所述加热管的控温开关(11)。5.一种利用权利要求1至4中任一项所述电流体喷射装置打印三维生物支架的方法，所述电流喷射装置的载物台上设有抛光硅晶体基底，所述方法包括：ⅰ)将与冰乙酸混合均匀的聚己内酯(PCL)溶液加入到所述溶液供给系统中；ⅱ)通过所述运动控制系统设置打印时所述运动平台的运动速度和路径，调整所述喷针到所述抛光硅晶体基底的距离，并设置溶液注射速率；ⅲ)开启所述电源，在所述喷针与所述载物台之间施加电压。6.根据权利要求5所述的打印三维生物支架的方法，其特征在于，所述PCL溶液中PCL的浓度为70％wt。7.根据权利要求5所述的打印三维生物支架的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙捷，舒振，刘航，王丹丹，傅盈西，吴洋，
申请(专利权)人：苏州工业园区新国大研究院，新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32