[发明专利]一种3D打印机以及3D打印海藻酸钠水凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维打印材料技术领域，具体涉及一种3D打印机以及3D打印海藻酸钠水凝胶的方法。

背景技术

3D打印技术具有高精确性、高效率及易操作性，因此在电子科技、自动化、航天航空、医药工程以及其他领域都有很大的应用前景。近年来，这项技术亦被广泛用于生物组织工程材料的制备中，例如打印人造骨骼、血管组织和软骨结构等。水凝胶是组织工程领域的一种常用材料，也是一种理想的可打印的生物材料，被称为“生物墨水”。然而，目前水凝胶大多作为组织工程中细胞培养的载体，单独利用3D打印技术制备成型的水凝胶支架的方法及工艺还很少，有待进一步研发。

例如申请号为201610572966.1的专利公开了一种3D打印海藻酸钠/聚乙烯醇物理交联网络水凝胶支架的方法：将含有海藻酸钠/聚乙烯醇的混合溶液加入气相二氧化硅混合后制成具有触变性能的溶胶，利用机器人点胶机驱动医用注射器连接精细针管或移液管滴头将制得的溶胶挤出并进行打印，得到溶胶支架。然后该支架经过冷冻→室温解冻→浸泡于水溶液三个步骤，充分交联成凝胶网络，最终得到水凝胶支架。该方法生产流程短、生产成本低、可靠性好，得到的水凝胶支架具有优良的机械性能和生物相容性。但点胶机智能化程度低，在生产中常常会出现一些滴涂缺陷，如拉丝、拖尾、胶点大小不连续、无胶点和卫星胶点等现象。这些缺陷可能会造成产品的质量问题，使得打印精度不高而且打印材料不连续。

例如文献Shannon E.Bakarich，Robert Gorkin，et al.Three-Dimensional Printing Fiber Reinforced Hydrogel Composites[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6,15998-16006.使用一台带定制的UV固化系统的3D打印机同时打印了两种“生物墨水”：一种“墨水”固化成了柔软的湿凝胶，而另一种则在其中添加了增强纤维，变成了类似硬塑料之类的物质。湿凝胶是将4.5毫升的丙烯酰胺、38.7毫克的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和36.9毫克的α-酮戊二酸溶于5.25毫升的超纯水中，再加入1.5毫升的0.1摩尔/升的氯化钙溶液和3.75毫升的乙二醇制得的。该方法使用一步式打印工艺，能够很好地控制水凝胶中纤维的3D分布，可模拟制造仿生膝盖软骨。但该方法中打印湿凝胶所用的原料丙烯酰胺属于致癌物，而且大量的动物试验研究表明丙烯酰胺可能引起神经毒性。因此该类型水凝胶材料尚不能实际用于组织工程领域。

例如文献Junhua Wei,Jilong Wang,et al.3D printing of an extremely tough hydrogel[J].RSC Advances,2015,5,81324-81329.一种高强度双网络水凝胶通过添加海藻酸盐，实现了精确打印。该技术通过加入海藻酸盐，不仅增加了油墨的粘度和打印时间，同时也提高了其流变特性，在3D打印水凝胶过程中实现了前所未有的耐用性和精度控制。该生物材料兼具弹性和强度，十分类似人体的自然组织，可用来打印一些需要承重的部件，比如膝盖软骨，也可以减少那些遭受运动损伤或者其它外伤的患者的关节置换的需要。此外，通过将该水凝胶结构浸入氯化钙溶液使得钙离子与海藻酸盐形成交联，所得交联水凝胶的抗拉强度高于其他任何人工水凝胶生物材料，与人类的软骨不相上下。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印机，以及一种以溶胶状海藻酸钠为打印原材料，以钙离子交联为固化方式，可打印出具有一定三维形状水凝胶模型的3D打印方法。本发明的打印方法和打印装置简单易操作，海藻酸钠水凝胶固化成型时间短，可连续均匀打印出线条状海藻酸钠水凝胶，经层层堆积打印方法可以制备得到具有特定三维形状的水凝胶模型。

本发明所提供的一种3D打印机，包括3D打印机台架和设于3D打印机台架上的Z轴驱动，与Z轴驱动连接并可在Z轴方向上移动的X轴驱动，以及Y轴驱动，其特征在于，所述Y轴驱动带动盛液缸在Y轴方向移动，X轴驱动带动供料装置在X轴方向移动，供料装置包括小注射器，小注射器的尾部通过硅胶管连接大注射器的头部，大注射器的尾部连接蠕动泵，小注射器的挤出头朝向盛液缸底部，小注射器上设有挤出头支架，由该挤出头支架连接X轴驱动。

本发明还提供了一种3D打印海藻酸钠水凝胶的方法，即采用了本发明上述的3D打印机。

本发明所述3D打印海藻酸钠水凝胶的方法，其具体包括如下步骤：

(1)安装调试3D打印机；