复合3D打印成型系统、成型方法及血管支架与流程

本发明涉及组织工程领域，特别地涉及一种结合3D打印技术与静电纺丝技术的复合3D打印成型系统、成型方法及血管支架。

背景技术：

当前，心血管疾病严重地影响着人类的健康，为了治疗此类疾病，血管移植是一种常见的方案。血管移植方法中所使用的血管来源包括：自体血管，异体血管和人造血管。其中，自体血管的效果最好，但是其来源有限且对供体部位伤害较大，而异体血管则存在免疫排斥和来源受限等问题。基于仿生学原理，通过组织工程构建仿生的人造血管才是最终的解决办法。并且，人造血管也是其它大尺寸人工组织和器官成功构建和存活的基础。现有的人造血管的构建有脱细胞基质法、细胞膜片法、微流体法、3D打印和静电纺丝等多种技术，这其中的各种技术都有其各自的优势和应用领域，相应的也有各自的局限。

其中，3D打印技术是通过将三维结构分割为二维加工数据，然后通过层层成型，逐层累积的原理来加工成型的。3D打印技术可以精确成型复杂的三维结构体，但是对于小直径多分支的血管系统的构建却有着困难：例如利用温度相变制造的人工血管，因为工艺的原因，若用明胶、纤维蛋白原和海藻酸钠等天然高分子材料，得到的人工血管其力学性能不足；若是用PLGA、PU等合成高分子材料，只有将其堆积到毫米级的厚度时才会具有一定的力学性能，但这种毫米级的结构体与天然血管有着较大的差别，不能很好地用于病变血管的修复与再生。静电纺丝技术可以喷射出纳米级纤维，形成力学强度和生物相容性都很优秀的薄膜，为后续的种植细胞的粘附、生长和迁徙提供良好的微观环境，但是其必须以模具为基础，在模具表面成型出特定的形状，单独的静电纺丝装置并不能精确成型复杂的三维结构。

技术实现要素：

基于上述现有技术的缺陷而实现了本发明。本发明的一发明目的在于提供一种复合3D打印成型系统，其结合了3D打印技术与静电纺丝技术，综合了3D打印技术和静电纺丝技术两者的优势，使得能够实现具有精确的三维结构以及优秀的力学性能和生物相容性的组织支架。

本发明的另一发明目的在于提供一种根据本发明的复合3D打印成型系统所采用的成型方法。

本发明的又一发明目的在于提供一种采用根据本发明的成型方法通过根据本发明的3D打印成型系统得到的血管支架，能够成型仿生自然的多分支多层人工血管。

为了实现上述的发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供了一种如下的复合3D打印成型系统，所述复合3D打印成型系统包括：3D打印系统，所述3D打印系统包括至少一个3D打印喷头；静电纺丝系统，所述静电纺丝系统包括多自由度移位机构以及设置于该多自由度移位机构的自由端的静电纺丝喷头；成型台，所述成型台能够在所述3D打印系统与所述静电纺丝系统之间移动，所述成型台设置有制冷平台；以及控制系统，所述控制系统至少用于控制所述3D打印系统、所述静电纺丝系统和所述成型台；其中，所述3D打印系统通过所述至少一个3D打印喷头能够在所述成型台的所述制冷平台上打印作为中间芯材的3D模型，并且所述静电纺丝系统能够通过所述多自由度移位机构使所述静电纺丝喷头对准所述3D模型的任意部位，以通过所述静电纺丝喷头在所述3D模型的表面纺丝成膜。

优选地，所述多自由度移位机构为具有至少三个自由度的移位机构。优选地，所述多自由度移位机构为机械臂，所述机械臂的端部设置有静电纺丝喷头。

优选地，所述制冷平台与温度控制装置连接，方便控制制冷平台的温度。

更优选地，所述3D打印系统、所述静电纺丝系统和所述成型台均设置于安装面，所述成型台设置于所述3D打印系统和所述静电纺丝系统之间且能够在所述3D打印系统和所述静电纺丝系统之间移动。进一步，优选地，所述3D打印系统固定于所述安装面，所述3D打印系统还包括：Z轴运动系统，所述Z轴运动系统使得所述至少一个3D打印喷头能够沿着与所述安装面正交的正交方向运动；以及Y轴运动系统，所述Y轴运动系统使得所述至少一个3D打印喷头能够在与所述安装面平行的一个方向上自由运动。

优选地，所述Y轴运动系统设置于所述Z轴运动系统上。

优选地，所述成型台和所述制冷平台均能够旋转，进一步有利于所述3D打印系统和所述静电纺丝系统在工作过程中精确定位。

更优选地，所述3D打印系统包括多个3D打印喷头，所述多个3D打印喷头能够绕着与所述正交方向和所述一个方向正交的方向转动。

进一步，优选地，所述多个3D打印喷头设置于同一转轴的一端且能够绕着该转轴转动，所述转轴设置于所述Y轴运动系统上。

优选地，所述多个3D打印喷头的顶端与所述转轴的中心轴线的距离相等。

进一步，优选地，所述多个3D打印喷头包括多个喷阀，所述喷阀为螺杆阀、高压阀、电机助推式阀中的一种或两种以上组合。

优选地，所述成型台设置于X轴运动系统，该X轴运动系统使得所述成型台能够沿着与所述正交方向和所述一个方向正交的方向运动。

本发明还提供一种以上技术方案中任意一项技术方案所述的复合3D打印成型系统的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括如下的步骤：

1)所述成型台移动到所述3D打印系统，所述3D打印系统在所述制冷平台上打印作为中间芯材的所述3D模型；

2)所述成型台移动到所述静电纺丝系统，所述静电纺丝系统的多自由度移位机构带动所述静电纺丝喷头在所述3D模型上纺丝成膜；

3)溶解所述中间芯材以形成中空结构的组织支架。

优选地，用于打印所述3D模型的材料为明胶和海藻酸钠混合溶液，海藻酸钠溶液和明胶分别溶于去离子水中，质量浓度为1％-5％w/v、10％-30％w/v，然后两种溶液按体积1:1均匀混合，或者用于打印所述3D模型的材料为蔗糖、麦芽糖和葡萄糖的混合溶液，麦芽糖、葡萄糖和蔗糖质量6:1:3均匀混合，并且所述静电纺丝系统所使用的作为静电纺丝液的溶液为聚氨酯，聚羟基乙酸乙酯或聚乳酸。

本发明还提供了一种使用上述技术方案所述的成型方法通过上述技术方案所述的复合3D打印成型系统成型的血管支架。

通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种复合3D打印成型系统，其结合了3D打印技术与静电纺丝技术，综合了3D打印技术和静电纺丝技术两者的优势，使得能够实现具有精确的三维结构以及优秀的力学性能和生物相容性的组织支架，并且本发明还提供了一种该复合3D打印成型系统所采用的成型方法以及通过该成型方法和复合3D打印成型系统得到的血管支架。进一步地，本发明通过利用多喷头气动技术实现非均质多种材料复杂三维机构的协同高效成型。

附图说明

图1是根据本发明的一实施方式的复合3D打印成型系统的结构示意图。

图2是图1中的复合3D打印成型系统所采用的具有多自由度的机械臂的示意图。

图3是控制线路的示意图。

图4a至图4c是通过图1中的复合3D打印成型系统所成型的血管支架的不同状态的示意图。

图5是图1中的复合3D打印成型系统的成型方法的工作流程示意图。

附图标记说明

1控制单元 21机械臂 211基部 212旋转部 213第一臂214第二臂 22静电纺丝喷头 3成型台 31制冷平台 31a收集面32导轨 41 3D打印喷头 42竖轨 43横轨 44转轴 5安装部5a安装面

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的具体实施方式。在本发明中，X、Y轴为在安装面5a所在的平面中彼此正交的两条轴线，Z轴为与安装面5a正交的轴线。

(复合3D打印成型系统的结构)

参照图1说明根据本发明的一实施方式的复合3D打印成型系统的结构。如图1所示，根据本发明的一实施方式的复合3D打印成型系统包括：控制单元1、3D打印系统、静电纺丝系统、成型台3以及安装部5。除了控制单元1以外，3D打印系统、静电纺丝系统和成型台3设置于安装部5的大致水平配置的安装面5a，该安装面5a为安装部5的上表面。

在本实施方式中，3D打印系统整体固定于安装部5的安装面5a上。该3D打印系统包括与安装面5a正交(在Z轴方向上延伸)地设置的两条平行的竖轨42(Z轴运动系统)，以及能够沿着该两条平行的竖轨42在与安装面5a正交的方向(在Z轴方向)上滑动的且与安装面5a平行(沿着Y轴方向延伸)的一个横轨43(Y轴运动系统)。优选地，如图1所示，将横轨43(Y轴运动系统)设置于两条平行的竖轨42(Z轴运动系统)上。3D打印系统包括多个3D打印喷头41(图1中的实施方式中为两个)，多个3D打印喷头41以能够绕着与横轨43和竖轨42正交的转轴44转动的方式设置于该转轴44的一端，该转轴44与多个3D打印喷头41能够一体地沿着横轨43滑动(在Y轴方向上滑动)，优选地，如图1所示，该转轴44设置于横轨43(Y轴运动系统)上。

多个3D打印喷头41的顶端与转轴44的中心轴线的距离相等，即两个3D打印喷头41在以转轴44的中心轴线为圆心的同一半径的扇面上排列，通过转轴44的转动运动可切换不同的3D打印喷头41。3D打印喷头41具有多种形式的喷阀，在本实施方式中，两个3D打印喷头41的喷阀可以为螺杆阀、高压阀或电机助推式阀中的一种或两种组合。

由上述竖轨42、横轨43和转轴44构成了多轴运动单元，能够通过多轴运动单元使3D打印喷头41在Y轴和Z轴方向上进行移位并且能够根据控制单元1的控制实现在多个3D打印喷头41之间进行切换。

在本实施方式中，静电纺丝系统整体固定于安装部5的安装面5a上。静电纺丝系统包括用作多自由度移位机构的机械臂21和在机械臂21的自由端处设置的能够进行静电纺丝的静电纺丝喷头22，该静电纺丝喷头22能够绕着该自由端转动。

如图2所示，在本实施方式中，该机械臂21包括：基部211，其固定于安装部5的安装面5a；旋转部212，其能够绕着与安装面5a正交的旋转轴线(绕着Z轴)进行360度的转动；第一臂213，其一端与旋转部212连接，第一臂213能够绕着在其一端处的与安装面5a平行的第一轴线(绕着Y轴)摆动一定角度；第二臂214，其一端与第一臂213的另一端连接，第二臂214能够绕着在其一端处的与旋转轴线和第一轴线正交的第二轴线(绕着X轴)旋转，第二臂214的另一端为多自由度移位机构的自由端，一个静电纺丝喷头22安装于该自由端。

由于机械臂21具有多自由度，因此能够通过机械臂21使得静电纺丝喷头22到达控制单元1所指定的坐标，从而完成预定的移位动作以保证下述纺丝成膜的效果(方便复杂曲面的成型)。

在本实施方式中，成型台3可滑动地设置于安装部5的安装面5a。如上所述，由于3D打印系统和静电纺丝系统均固定于安装部5的安装面5a，因此3D打印系统和静电纺丝系统是相对固定的，成型台3设置于3D打印系统和静电纺丝系统之间并且能够根据控制单元1的控制在3D打印系统和静电纺丝系统之间滑动。

具体地，成型台3设置于两条平行的导轨32(X轴运动系统)，该两条平行的导轨32固定于所述安装面5a。成型台3能够沿着该两条平行的导轨32在3D打印系统与静电纺丝系统之间滑动(沿着X轴滑动)。

在本实施方式中，成型台3包括制冷平台31，制冷平台31的作为收集面31a的上表面大致水平配置、即该收集面31a与安装面5a平行。3D打印系统通过3D打印喷头41能够在收集面31a打印作为中间芯材的3D模型，并且静电纺丝系统能够通过多自由度移位机构将静电纺丝喷头22对准3D模型的任意部位，以通过静电纺丝喷头22在3D模型的表面纺丝成膜。优选地，制冷平台31用于使得作为3D模型和静电纺丝进行固化并且能够绕着Z轴进行360度旋转。另外，虽然仅说明了制冷平台31能够绕着Z轴进行360度旋转，但是优选地成型台3和制冷平台31均能够旋转，这样进一步有利于3D打印系统的3D打印喷头41和静电纺丝系统的静电纺丝喷头22在工作过程中相对于需要进行3D打印的位置(或相对于3D模型)进行精确定位。为了确保实现该固化功能，优选地，制冷平台31设置于成型台3的顶部(收集面31a位于成型台3的顶部)，并且为制冷平台31设置由控制单元1控制的温度控制装置，通过将制冷平台31与温度控制装置连接，方便控制制冷平台的温度，该温度控制装置可以集成在控制单元1中。

控制单元1优选为计算机，其用于解析处理待成型的对象的三维数据，输出各喷头(3D打印喷头41和静电纺丝喷头22)的正确时序以及打印命令等，通过运动控制卡控制上述多轴运动单元和多个3D打印喷头41、成型台3(制冷平台31)、机械臂21和静电纺丝喷头22、以及温度控制装置的运动及启停，本发明的控制线路如图3所示。

(复合3D打印成型系统的成型方法)

以上详细地说明了根据本发明的复合3D打印成型系统的具体结构，以下将结合该复合3D打印成型系统的具体结构来详细地说明其采用的成型方法。在说明过程中，以图4a至图4c中示出的血管支架作为示例进行说明，其中图4a示出了仅形成了作为中间芯材的3D模型的状态，图4b示出了在图4a的3D模型的表层电纺成膜的状态，图4c示出了3D模型溶解之后的状态。

在本实施方式中，本实施例的工作原理和工作过程包括如下步骤：

选择材料，按照合适的比例配置，制成适用于成型的成型材料(用于3D打印的材料和静电纺丝液)。

利用三维建模建立如图4a所示的多分支血管的三维模型，用分层处理将该三维模型进行分层，得到用于成型的代码，将该代码以及其它控制信息和参数输入控制单元1。

通过3D打印形成如图4a所示的多分支血管模具(中间芯材)，然后如图4b所示地在该中间芯材的表面电纺成膜，最后如图4c所示地去除(溶解)中间芯材后就形成了多分支的中空管道结构。其详细的系统工作流程如图5所示。

从另一个角度来说，上述的工作过程可以概括为：

1)成型台3移动到3D打印系统，3D打印系统在制冷平台31的收集面31a上打印作为中间芯材的3D模型；

2)成型台3移动到静电纺丝系统，静电纺丝系统的多自由度移位机构带动静电纺丝喷头22在3D模型上纺丝成膜；

3)溶解中间芯材以形成中空的支架。

在材料选择方面，用于形成中间芯材的材料为明胶和海藻酸钠混合溶液或者是蔗糖、麦芽糖和葡萄糖的混合溶液。海藻酸钠溶液和明胶分别溶于去离子水中质量浓度为1％-5％(w/v)、10％-30％(w/v)，然后两者按体积1:1均匀混合；麦芽糖、葡萄糖和蔗糖质量6:1:3均匀混合。进行静电纺丝所使用的溶液为聚氨酯(PU)，聚羟基乙酸乙酯(PLGA)和聚乳酸(PLA)。

更具体地，在上述的成型方法中，由控制单元1根据输入的信息和设定的加工参数控制运动机构(多轴运动单元、机械臂21以及成型台3)的运动参数，启动3D打印喷头41，从3D打印喷头41中喷射出来的材料迅速凝固且相互粘结在一起，在收集面3a上堆积成型。随着每一层的堆积完成，3D打印喷头41在Z轴方向上上升一个特定高度，继续进行3D打印。在此过程中，如果要更换不同的成型材料时，通过控制单元1启动切换3D打印喷头41的程序，控制3D打印喷头41在Z轴方向上上升一定的距离，利用转轴44切换3D打印喷头41，然后根据3D打印喷头41之间的位置关系，控制用于工作的3D打印喷头41移动到设定位置，使3D打印喷头41在Z轴方向上下降返回原位，继续进行3D打印。在形成如图4a所示的血管模具(中间芯材)之后，导轨32带动成型台3运动至静电纺丝系统，启动静电纺丝程序，如图4b所示地在中间芯材的外表面电纺成膜，然后如图4c所示地去除内部的血管模具形成中空的多分支血管支架。这样，所成型的血管支架既具有良好的生物相容性也会有良好的力学特性。

以上的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细地阐述，但是仍然需要说明的是：

1.根据本发明的复合3D打印成型系统和成型方法不限于成型上述血管支架，而是可以成型任意的具有三维结构的中空的组织支架。

2.根据本发明的复合3D打印成型系统的3D打印喷头41的数量不限于上述具体实施方式中说明的数量，而是可以根据需要设置任意数量的3D打印喷头41。当然，也可以采用一个3D打印喷头41。

3.根据本发明的复合3D打印成型系统的机械臂21的结构不限于上述具体实施方式中说明的结构，而可以采用其它结构，只要满足机械臂21具有至少三个自由度、优选地具有四个自由度至六个自由度，从而能够保证静电纺丝喷头22能够对准3D打印模型的任意部位即可。

4.虽然在上述实施方式中说明了安装面5a和收集面31a为大致水平的平面，但是本发明不限于此，该安装面5a和收集面31a也可以并非水平的平面。

5.根据本发明的技术方案还具有如下的技术效果：

根据本发明的结合了3D打印技术与静电纺丝技术的成型系统的优点还在于：可以实现多种不同状态下的材料体系在空间位置上的准确定位，能实现复杂曲面的制造,使多种材料按控制单元1指令排列到相应的位置快速制造多层多分支的中空组织支架，全过程使用生物材料使得所成型的组织支架拥有良好的生物相容性，为种植细胞提供良好的生长环境，且电纺丝膜具有良好的力学性能。

从另一个角度来说，根据本发明的成型系统的优点包括如下方面：

1)其结合了3D打印技术与静电纺丝技术两种技术的优点，可成型复杂的三维构造的组织支架(多分支的血管支架)。

2)本发明使用的材料以及相应的成型方法柔和，使得其拥有良好的生物相容性，为种植细胞提供良好的生长环境，且电纺丝膜具有良好的力学性能。

3)本发明采用多喷头成型单元，所成型结构尺寸可从微米级覆盖到厘米级，成型尺寸覆盖面广，根据本发明的成型系统利用多喷头气动技术实现了非均质多种材料复杂三维结构的协同高效成型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。