[发明专利]一种三维生物打印装置及方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及组织工程中的三维打印技术，特别是涉及一种三维生物打印装置及方法。

【背景技术】

生物三维打印技术是利用三维打印的原理和方法将生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料)或细胞溶液打印成为设计的三维结构体，其中细胞溶液作为打印材料的技术又称为细胞三维打印技术。目前实现生物三维打印的方法包括：喷墨打印技术、基于激光技术的打印以及基于挤压(快速成形)的打印方法。其中，基于挤压的打印技术是目前最适合于构建复杂的三维结构的技术。

在打印过程中，如何使得材料固化是生物三维打印过程中的重要步骤，即如何使得挤出溶胶态材料完成从溶胶态到凝胶态的转变。溶胶凝胶的转变机理包括：物理交联、化学交联(离子交联和共价键交联)以及光照交联。

目前，通过物理交联的方式实现的固化，一般是利用温敏型水凝胶在低温条件下实现凝胶化，因此需将材料喷射至低温的成形环境，一般为一个封闭的低温冰箱内，这种冰箱一般采用蒸汽压缩制冷机组，导致成形室的体积较大，整个装置体积较大，成本较高。

通过化学交联的方式实现的固化，是利用化学交联剂使打印材料从溶胶态转变为凝胶态。打印时，将溶胶态的打印材料喷射至盛有交联剂溶液的容器中，使打印材料在化学交联剂溶液中转变为凝胶态，最终成形。这种固化方式下，成型的结构不够稳定，难以成型高度较高的多层三维结构。

另外，为加强固化成形效果，也有提出将物理交联方式和化学交联方式相结合的方案。一般是先采用前述物理交联方式固化成形得到三维结构，然后将三维结构放入盛有化学交联剂溶液的容器中进行化学交联，结合化学交联加强固化效果。但这种方式下，虽然加强了固化效果，但是三维结构在转移的过程中容易受到污染，如果是细胞三维结构，则细胞存活率较低，对于细胞三维打印非常不利。

上述各方式下的固化打印，除各自的缺点之外，还有就是不适合打印需要较好分层效果的三维生物结构，因为上述各打印固化得到的三维结构分层效果均不太好，结构稳定性难以保证。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种三维生物打印装置及方法，打印的三维结构分层效果较好，结构较稳定，且相对传统的物理交联下的固化打印方式，装置的体积也较小。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种三维生物打印装置，包括打印喷头、第一温控模块、辅料喷头、成形平台和半导体制冷片；所述打印喷头用于装入溶胶态的温敏型材料溶液，并将所述材料溶液喷出打印至所述成形平台上；所述第一温控模块设置在所述打印喷头的外围，用于对所述材料溶液保温处理；所述成形平台底部设置所述半导体制冷片；所述辅料喷头用于装入化学交联剂，并将所述化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上。

一种三维生物打印方法，包括以下步骤：首先将溶胶态的材料溶液喷出打印至成形平台上，待喷完一层所述材料溶液后，再将化学交联剂以喷雾状的形式喷出至所述成形平台上的一层所述材料溶液上，待当层材料溶液固化后再进行下一层材料溶液的打印；重复上述步骤，逐层打印逐层固化后得到多层三维结构。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的三维生物打印装置，直接在成形平台底部设置半导体制冷片，为温敏型材料溶液提供低温环境，实现物理交联固化。同时，设置辅料喷头，将化学交联剂以喷雾状形式喷在一层材料溶液上，实现快速的化学交联固化。打印过程中，每打印一层材料溶液即喷射一次化学交联剂，当层材料经过物理和化学交联实现稳固固化后再打印下一层材料，从而各层结构均较稳定，最终打印出的三维结构分层效果好，整体结构稳定，适宜于打印成形高度较高的多层三维结构。打印装置中仅需对单层材料提供低温环境，因此无需体积较大的低温冰箱或者其它复杂的低温供应装置，从而整体装置体积较小，成本也较低。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式中的三维生物打印装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中的三维生物打印装置的工作流程示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式的三维生物打印装置的结构示意图。三维生物打印装置，包括打印喷头1、第一温控模块2、辅料喷头7、成形平台3和半导体制冷片4。