[发明专利]一种材料打印装置

说明书

针对现有技术的不足，本发明志在完全解决传统打印技术普遍存在的无序、孔隙率不可控、生物活性不高和不能很好对细胞单独进行封装的问题，提出一种可以精密控制产物尺寸和成型后形状和孔隙率，以及可进行单独细胞封装的小尺寸水凝胶生物砖，实现快速三维成型的技术系统。该系统主要由材料供给系统、三维移动平台、环境控制系统、电压辅助系统、喷嘴、显微成像系统以及计算机控制装置等组成。此装置可使用生物相容性好的材料，可以单独进行人工组织的个性化三维成型；可以加入细胞和活性物质，对细胞进行封装，实现单个细胞的三维打印；同时也可以加入细胞和药物等，进行药物和细胞的同时打印，并检测药物对单个细胞的影响等。

技术领域

一种材料打印装置，在工作过程由高精度气动挤压泵提供输出压强，配合程控拉丝加热收集系统和环境辅助系统，并施加直流或脉冲型高压辅助静电场，对挤出液态材料进行三维快速成型，打印产物为尺寸均匀、连续的细丝或是规则，圆滑的液滴状微球，且产物直径比管径小一个量级以上。

通过电脑程序控制，该装置可用于生物材料的打印成型，生化分析芯片的快速制备等。也可应用于组织工程中，进行人工组织(如血管、软骨等)的个性化三维成型，并对其内部三维结构和孔隙率进行人为控制。

该打印装置可高度保持打印材料的生物活性，实现活体细胞和生物因子的三维打印；也可以同时打印药物和细胞，制备含药物的活体生物组织，并检测药物对单个细胞的影响等。

技术背景

传统3D打印采用的固化立体印刷、熔融沉积成型、选择性激光烧结、静电喷雾打印、挤出成型等方法，前三种方法在制备过程中会产生高温或者产生一些有毒物质，对于依附在材料表面或者包裹于材料中的细胞有害；静电喷雾打印过程，施加高压静电场，不需要挤出压，但所得产物为不同尺寸不可精密控制的小液滴，比管径低一个量级；而挤出成型过程中不施加高压静电场，溶液被直接挤出，所得产物为液滴，得到尺寸与喷嘴管径相仿或略大。总结来看，这些传统打印技术均有不可忽视的弊端，所得产物尺寸不能按需精密控制、由于材料性质导致的喷嘴针头易堵塞、产物收集的相对位置排布杂乱无序而且孔隙率不易控制，同时不能更好的加载活性单元，完整保持和提高材料的生物活性，不能很好的对细胞进行单独封装这些都是急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明志在完全解决传统打印技术普遍存在的无序、孔隙率不可控、生物活性不高和不能很好对细胞单独进行封装的问题，提出一种可以精密控制产物尺寸和成型后形状和孔隙率，以及可进行单独细胞封装的小尺寸水凝胶生物砖，实现快速三维成型的技术系统。该系统主要由材料供给系统、三维移动平台、环境控制系统、电压辅助系统、喷嘴、显微成像系统以及计算机控制装置等组成。此装置可使用生物相容性好的材料，可以单独进行人工组织的个性化三维成型；可以加入细胞和活性物质，对细胞进行封装，实现单个细胞的三维打印；同时也可以加入细胞和药物等，进行药物和细胞的同时打印，并检测药物对单个细胞的影响等。

与现有技术相比，本发明的优势在于:

1.可以控制打印产物的尺寸，解决了传统材料打印和挤出成型中挤出产物的直径受喷嘴直径限制和喷嘴易堵塞的问题；

2.可将所得产物进行精密的三维成型，让打印产物收集从无序变为有序，且能对其内部三维结构和孔隙率进行人为控制；

3.解决了传统材料打印方法中不能使用以活体细胞为代表的生物活性材料的问题；

4.解决了在已知组织器官的三维数字模型的基础上，不能定位装配活细胞材料单元，制造活体组织或器官的问题；

5.解决了按照电脑程序设计和具体要求对活体细胞进行单独提取和封装且不损害细胞活性的问题。

附图说明

图1a)是本装置的结构原理图,b)是装置工作时喷嘴处打印材料所受的作用力示意图，c)是使用不同的辅助电压时(上图为直流电压，下图为脉冲电压)时材料打印过程示意图，d)材料拉丝收集成型示意图。