[发明专利]面向智能药物缓控释体系的3D打印装置及方法

权利要求书

1.面向智能药物缓控释体系的3D打印装置，其特征在于，包括：

药物供应系统(1)，其由多个输送系统组成，包括多个药物输送系统及基质输送系统，其用以将药物及基质定时、定量的输送到微包囊包覆挤出系统(2)中；

微包囊包覆挤出系统(2)，为本发明3D打印装置的核心部件，其上接药物供应系统(1)，将不同类型药物和基质输送到微包囊包覆挤出系统(2)的不同通道入口，依赖微包囊包覆挤出系统(2)的硬件物理设计结合工艺参数的选择，实现复杂微包囊药物缓控释体系的挤出；

三维成型平台(3)，此部分为3D打印系统的基础组成，微包囊包覆挤出系统(2)挤出内含丰富微包囊包覆的智能药物缓控释体系逐层沉积在三维成型平台(3)上，结合三维成型平台(3)在x-y平面及z轴方向的定向、定速移动，实现具有复杂几何外形药物缓控释体系的累积成型；

控制系统(4)，其基于内含复杂壳层药物缓控释包囊的材料体系三维模型，分解其微包囊核壳结构、壳层层数及包覆顺序，获得包覆流程，进而选择合适的微包囊包覆挤出系统(2)硬件设计、材料输送参数以及三维成型平台(3)的工作流程及运动速度。

2.如权利要求1所述的面向智能药物缓控释体系的3D打印装置，其特征在于，所述药物供应系统(1)包括：

药物Ⅰ输送系统、药物Ⅱ输送系统、、、药物n输送系统以及基质输送系统；

其中，药物Ⅰ输送系统、药物Ⅱ输送系统、、、药物n输送系统以及基质输送系统均由相同的硬件组成，包括：

固定支架(11)，其用以固定药物供应系统(1)中其它组成硬件；

药物泵送体系(12)，将药物或基质按照指定时间及设定速度输送至微包囊包覆挤出系统(2)；

药物供应筒(13)，其用以盛放待输送的液体药物或基质；

药物供应通道(14)，其一端连接药物供应系统(1)的药物供应筒(13)，另一端连接微包囊包覆挤出系统(2)的药物通道入口，实现药物及基质在3D打印装置两大系统间的输送。

3.如权利要求1所述的面向智能药物缓控释体系的3D打印装置，其特征在于，所述微包囊包覆挤出系统(2)包括：

通道基板(21)，为微包囊包覆挤出系统(2)的基础部件，内部含有精细的凹槽通道，用于输送药物或基质；

中间通道(22)，具有丰富的结构设计，例如单一、混合并列、同轴、集成，不同的药物体系输送至相关中间通道入口后，流经中间通道实现不同壳层的微包囊包覆；

侧边通道(23)，与中间通道(22)组成T型通道，侧边通道(23)以高流速注入时会出现双夹流现象，在剪切力与线性流的作用下，中间流道(22)的药物流体会受侧边通道(23)药物打印墨水或基质打印墨水的的挤压形成稳定液滴；

药物挤出头(24)，内含复杂微包囊的药物缓控释体系经药物挤出头(24)挤出，沉积在三维成型平台(3)上；

原位光固化装置(25)，集成在通道基板(21)上，用于初步固化从药物挤出头(24)挤出的智能药物缓控释体系。

4.如权利要求1所述的面向智能药物缓控释体系的3D打印装置，其特征在于，所述三维成型平台(3)包括：

三维成型平台软件系统，其用以控制三维成型平台(3)硬件系统在x-y-z三维空间内的运动；

三维成型平台硬件系统，其是实现三维成型平台运动的物理基础，在三维成型平台软件系统的控制下实现智能药物缓控释体系的累积成型。

5.如权利要求1所述的面向智能药物缓控释体系的3D打印装置，其特征在于，所述控制系统(4)包括：

立体成型模块，其控制三维成型平台在x-y平面及z轴的移动方向及运动速度，实现药物缓控释体系的宏观立体成型；

微包囊包覆模块，其根据智能药物缓控释体系的靶向需求，在打印过程中实时控制药物供应系统(1)中各药物及基质打印墨水的供应时间及输送速度，以及微包囊包覆挤出系统(2)的硬件系统设计(包括中间通道(22)及侧边通道(23)的结构、排列及分布)。

6.一种使用权利要求1至5任意一项所述的面向智能药物缓控释体系的3D打印装置的面向智能药物缓控释体系的3D打印方法，其特征在于，包括：

S101，打印墨水的制备

水相载药打印墨水A：首先将光引发剂2-羟基-2-甲基苯基丙烷与乙醇进行等体积混合，混合均匀后加入到光固化甲基丙烯酸酰化明胶溶液(其中V_{光引发剂2-羟基-2-甲基苯基丙烷}/V_{光固化甲基丙烯酸酰化明胶溶液}＝0.8～1.2％，)，最后将混合溶液加入到20～50％(w/v)去离子水中，进而获得水相载药打印墨水；

水相载药打印墨水B：11～15％(w/v)葡萄聚糖加入到去离子水中；

油相载药打印墨水：将8～12％(w/v)聚乳酸-羟基乙酸共聚物溶解于二氯甲烷，获得油相载药打印墨水；

基质打印墨水：将30～40％(v/v)聚乙二醇二丙烯酸酯、2～4％(w/v)聚乙二醇和0.05～0.15％(w/v)光引发剂1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮加入到去离子水中，获得基质打印墨水；

根据需要将亲水性药物、疏水性药物、生长因子以50～1000μg/mL比例加入到水相载药打印墨水或油相载药打印墨水中；

S102，智能药物缓控释体系的增材制造，具体包括：

步骤1构建药物模型，根据药物智能缓控释需求，逆向设计药物模型，包括智能药物缓控释体系宏观几何参数、药物组成、分布、浓度及结构，随后对模型进行工艺制造分解，获得优选的硬件选择及工艺参数；

步骤2增材制造硬件优选及工艺编程，基于步骤1中药物模型的几何信息、药物组成、分布、浓度及结构，优选获得微包囊包覆挤出系统(2)的中间通道(22)及侧边通道(23)的硬件设计、药物供应系统(1)中药物泵送体系(12)内各药物输送时间及输送速度以及三维成型平台(3)软件系统的控制程序及三维运动成型平台(3)硬件系统的运动程序及移动速度；

其中，所述微包囊包覆挤出系统(2)的中间通道(22)硬件设计包括单一、混合并列、同轴、集成式通道设计，获得可控的微包囊核-壳结构；

其中，所述微包囊包覆挤出系统(2)的中间通道(22)输送速度为0.5-200μL/min；

其中，所述微包囊包覆挤出系统(2)的中间通道(22)硬件设计为同轴时，相邻两层药物输送速度存在一定差别，外层药物输送速度比内层药物输送速度快1-2μL/min；

其中，所述微包囊包覆挤出系统(2)的侧边通道(23)药物或基质材料的输送速度为30-400μL/min；

其中，所述中间通道(22)与侧边通道(23)的药物输送要充分考虑载药打印油墨间分离，以及微包囊最外层壳层载药打印墨水与基质打印墨水间的水油分离设计；

其中，所述三维成型平台(3)在x-y平面内的移动速度为0.1～10mm/s；

步骤3将载有不同药物成分的水相载药打印墨水、油相载药打印墨水及基质打印墨水装入到药物供应系统(1)中的药物供应筒(13)内，为药物及基质的输送及打印成型做好准备；

步骤4智能药物缓控释体系的增材制造，基于步骤2中获得优选工艺，包括微包囊包覆挤出系统(2)的中间通道(22)及侧边通道(23)的硬件设计、药物供应系统(1)中药物泵送体系(12)内各药物输送时间及输送速度以及三维成型平台(3)软件系统的控制程序及三维运动成型平台(3)硬件系统的运动程序及移动速度，将载有所需药物和基质的打印墨水装入到制定的药物供应筒(13)中，通过药物泵送体系(12)将不同的打印墨水经药物供应通道(14)输送至微包囊包覆挤出系统(2)的相应的通道中，随后包覆、挤出，经原位光固化装置(25)初步固化，结合三维成型平台的定向、定速移动，逐层累积，实现智能药物缓控释体系的立体成型；

S103，后处理步骤，将成型后智能化药物缓控释体系根据需要置于紫外线固化机内0.1-10小时，功率为200-1000W。