技术领域
[0001] 本
发明涉及3D打印领域，具体涉及壳聚糖导管及其3D打印装置和3D打印方法。
背景技术
[0002] 人体的软组织的导管，例如气管、血管和胰管，在运输分泌、营养和代谢废物方面具有重要意义。如果这些部位有病变，则需要一些
生物材料来修复它们。诸如聚
硅氧烷、聚
氨酯(PU)、聚羟基链烷酸酯(PHA)和聚四氟乙烯(PTFE)等合成
聚合物已被广泛用于修复这些组织。尽管这些生物材料具有足够的机械性能，但是
生物相容性和可降解性限制了它们的进一步应用。而诸如聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)和聚乳酸-
乙醇酸共聚物(PLGA)之类的可降解合成聚合物的机械性能(例如
杨氏模量)不匹配的软组织，则可能会在应用中引起伤害和
炎症反应。
[0003] 壳聚糖(chitosan)是一种天然聚合物，是几丁质的脱乙酰基形式(脱乙酰度>50％)，是天然
纤维素之后的第二丰富的生物聚合物，主要是从甲壳类动物的
外骨骼获得的。壳聚糖是一种优异的生物相容性聚合物，具有一系列优良特性，例如无毒，可
生物降解，具有抗菌和免疫调节特性。壳聚糖是一种易于制备的多功能材料，可用于生物医学领域。壳聚糖及其衍生物可以设计用于制造纳米颗粒、纤维、织物、
薄膜、
水凝胶、绷带和
支架，用于药物释放、缝合线、伤口
敷料、抗菌涂层、细胞培养和组织工程。通常，在稀酸(pH<6.3)中，葡糖胺上的质子化游离氨基可以很容易地转化为胺基，这将促进聚合物分子的溶解性，并提供制备各种形式的便利方法。壳聚糖可溶于稀的
醋酸、乳酸、苹果酸、
甲酸和
琥珀酸水溶液。
然而，壳聚糖不溶于pH值大于7的溶液，呈晶体形式。诸如体液(pH≈7.4)之类的人体环境的pH呈
碱性，这决定了壳聚糖可以应用于大多数软组织。
[0004] 传统上，导管的制造方法主要包括注射成型，
冷冻干燥和
静电纺丝等。这些方法虽然提供了一些解决方案，但是难以满足个性化需求。人体的组织器官，在不同个体之间存在极大的差异，而且导管形状和结构复杂。因此，随着医学的发展，个性化定制方案越来越被认可。3D打印技术的出现，为个性化导管的制造提供巨大的机遇。3D打印技术可以制备结构复杂，尺寸精准和形状可控的导管。目前主流的3D打印技术包括激光
烧结/熔融技术，激光
固化技术，喷墨打印技术，基于挤出的熔融沉积制造和墨水直写打印技术等。每一种材料可以使用不同的3D打印技术来制造，每一种3D打印技术也可以适用于不同的材料的制造。
发明内容
[0005] 本发明提供一种壳聚糖浆料，其包括：
酸溶液和溶解于所述酸溶液中的壳聚糖，所述酸溶液可以选自甲酸溶液、乙酸溶液、乳酸溶液和乙醇酸溶液等中的至少一种，所述壳聚糖与所述酸溶液的
质量比可以为1:(2-10)，例如1:(3-6)，示例性地，比例为1:3、1:4、1:5或1:6。
[0006] 根据本发明的技术方案，所述酸溶液的浓度可以为10-80wt％，例如15-70wt％，示例为10wt％、30wt％、50wt％或70wt％。
[0007] 根据本发明的技术方案，所述酸溶液可以选自甲酸溶液、乙酸溶液、乳酸溶液或乙醇酸溶液；酸溶液优选为乙醇酸溶液。
[0008] 根据本发明优选的技术方案，所述壳聚糖浆料包括：乙醇酸溶液和溶解于所述乙醇酸溶液中的壳聚糖，所述壳聚糖与所述乙醇酸溶液的质量比可以为1:(2-10)，例如1:(3-6)，示例性地，比例为1:4；所述乙醇酸溶液的浓度为20-70wt％，例如25-50wt％，示例性为
30wt％。
[0009] 本发明还提供一种用于制备3D打印导管的壳聚糖浆料，所述壳聚糖浆料具有如上文所述的含义。
[0010] 本发明还提供壳聚糖用于3D打印制备(仿生)导管的用途。
[0011] 本发明还提供所述壳聚糖浆料用于3D制备(仿生)导管的用途。优选地，所述壳聚糖浆料包括乙醇酸溶液和溶解于所述乙醇酸溶液中的壳聚糖，所述壳聚糖与所述乙醇酸溶液的质量比可以为1:(2-10)。
[0012] 本发明还提供一种壳聚糖导管，所述壳聚糖导管的制备原料包括上述壳聚糖浆料、和任选存在或不存在的
支撑材料。优选地，所述支撑材料可以选自可降解聚合物，例如聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)和聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)等中的至少一种，又如选自PLA、PVA或PLGA，示例性为PVA。
[0013] 根据本发明的技术方案，所述壳聚糖导管的形状不限，其形状可以满足个性化需求，以满足用于修复或连接断裂或缺损的生物体组织的管状体的形状；例如可以为简单结构的圆形导管，也可以为Y字型类复杂结构的导管。
[0014] 根据本发明的技术方案，所述壳聚糖导管中，圆形导管在不同
位置可有壁厚相同或不同、和/或每个横截面具有相同或不同的内径。进一步地，所述壳聚糖导管可以由交错
叠加的壳聚糖层组成，或者壳聚糖导管的导管壁可以具有多孔结构。
[0015] 本发明还提供上述壳聚糖导管的打印装置，所述装置包括：3D打印平台，挤出3D打印成型模
块，以及任选与挤出3D打印成型模块结合使用的旋转模块、熔融沉积模块和冷冻干燥模块中的至少一种。
[0016] 根据本发明的技术方案，所述挤出3D打印成型模块、熔融沉积模块、旋转模块和冷冻干燥模块均可以设计成为单独的模块，使用的时候将需要的模块集成在一起，每个模块均与3D打印平台建立通讯，使用同一台控制系统控制整个3D打印过程。
[0017] 根据本发明的技术方案，所述挤出3D打印成型模块可以选用本领域已知挤出3D打印成型装置，例如其可以包括挤出单元，其包括料筒、
活塞、位于料筒内的壳聚糖浆料和位于料筒底端的针头。
[0018] 根据本发明的技术方案，所述3D打印平台用于承载打印件或支撑旋转模块。
[0019] 根据本发明的技术方案，所述旋转模块包括：步进
电机和由步进电机驱动的旋
转轴，所述
旋转轴用于支撑沉积在其上的打印原料(即壳聚糖浆料)。进一步地，所述步进电机可以放置在所述打印平台上。
[0020] 根据本发明的技术方案，所述熔融沉积模块可以选用本领域已知熔融沉积打印装置，例如其可以包括线圈、缠绕在线圈上的聚合物、送料器和加热器，送料器用于将缠绕在线圈上的聚合物送入加热器中。其中，加热器用来容纳熔融后的聚合物，加热器的底端设置
喷嘴。
[0021] 根据本发明的技术方案，所述冷冻干燥模块包括用于干燥打印件的
冷冻干燥机，优选还可以包括用于将打印件初步定型的冷冻箱。其中，所述冷冻箱(例如采用压缩制冷、或者液氮制冷)围绕3D打印平台而设；冷冻干燥机可采用市面已有冷冻干燥机。
[0022] 根据本发明的技术方案，所述打印装置还任选含有或不含有控温部件，所述控温部件可以实现加热或降温，用于对打印件进行初步定型。优选地，所述控温部件围绕所述3D打印平台设置。本领域技术人员能够理解，根据所需达到的效果进而选择加热装置或降温装置。其中，所述加热装置和降温装置可以选用本领域已知部件，例如所述加热装置可以为电加热箱，所述降温装置可以为冷冻箱。
[0023] 根据本发明的实施方案，所述壳聚糖导管的打印装置包括：挤出3D打印成型模块和与之集成的所述旋转模块、以及3D打印平台，旋转模块包括步进电机和由步进电机驱动的旋转轴，步进电机放置在3D打印平台上，旋转轴用于支撑沉积在其上的壳聚糖浆料；且挤出3D打印成型模块和旋转模块由同一台控制系统控制。
[0024] 根据本发明的实施方案，所述壳聚糖导管的打印装置包括：挤出3D打印成型模块和与之集成的所述熔融沉积模块，二者由同一台控制系统控制。
[0025] 根据本发明的实施方案，所述壳聚糖导管的打印装置包括：挤出3D打印成型模块和与之集成的所述冷冻干燥模块，二者由同一台控制系统控制。
[0026] 本发明还提供上述壳聚糖导管的制备方法，包括如下步骤：以所述壳聚糖浆料和任选存在或不存在的支撑材料作为打印原料，使用上述打印装置，制备得到所述壳聚糖导管。
[0027] 根据本发明的实施方案，当制备时采用挤出3D打印成型模块和与之集成的旋转模块时，在气压的作用下将挤出3D打印成型模块中的壳聚糖浆料挤出，使其沉积在旋转轴上；打印完成后，对得到的打印样品进行干燥。其中，所述气压为0.4-1.0MPa，优选为0.6-
0.8MPa，示例性为0.6MPa、0.7MPa或0.8MPa。其中，所述旋转模块的运动速度(即旋转轴的线速度)为1-10mm/s，优选为3-5mm/s，示例性为3mm/s、4mm/s或5mm/s。其中，所述挤出模块的运动速度(沿水平面的运动速度，即针头的移动速度)为0.05-0.3mm/s，例如0.08-0.28mm/s，示例性为0.08mm/s、0.10mm/s、0.12mm/s、0.14mm/s、0.18mm/s、0.20mm/s、0.25mm/s。其中，所述壳聚糖浆料的挤出速度为1-10mm/s，优选为3-5mm/s，示例性为3mm/s、4mm/s或5mm/s。其中，挤出后壳聚糖浆料的直径为0.2-0.6mm，例如0.3-0.5mm，示例性为0.4mm。其中，所述旋转轴的直径为1-3mm，例如1.5-2.5mm，示例性为2mm。其中，所述旋转轴的转速可以为
0.15-0.8，例如0.2-0.7，示例性为0.21、0.24、0.29、0.35、0.45、0.64。其中，所述旋转轴旋转一周的时间为1-6s，例如1.5-5s，示例性为1.57s、2.20s、2.83s、3.46s、4.08s、4.71s。其中，打印层厚为0.1-0.5mm，优选为0.2-0.4mm，示例性为0.3mm。其中，壳聚糖浆料的沉积层数至少为一层，例如至少两层、三层或更多层。
[0028] 根据本发明的实施方案，当制备时采用挤出3D打印成型模块和与之集成的熔融沉积模块时，所述壳聚糖导管的制备过程包括如下步骤：(1)在气压的作用下将挤出3D打印成型模块中的壳聚糖浆料挤出，用于沉积壳聚糖层；(2)支撑材料经过加热熔融后，从加热器中挤出，用于沉积支撑材料层；(3)在程序控制下，先完成一层支撑材料层的打印，再完成一层壳聚糖层的打印，循环往复，直至完成3D打印过程，对得到的打印样品进行干燥。其中，所述气压为0.4-1.0MPa，优选为0.6-0.8MPa，示例性为0.6MPa、0.7MPa或0.8MPa。其中，所述挤出3D打印成型模块和熔融沉积模块的运动速度均可以为1-10mm/s，优选为3-5mm/s，示例性为3mm/s、4mm/s或5mm/s。其中，所述支撑材料具有如上文所述的含义。其中，打印层厚为0.1-0.5mm，优选为0.2-0.4mm，示例性为0.3mm。其中，挤出的壳聚糖丝和支撑材料丝的直径可以相同或不同，优选二者直径相同，例如直径在0.2-0.6mm之间，且直径相同；示例性直径均为0.4mm。
[0029] 根据本发明的技术方案，当采用挤出3D打印成型模块和与之集成的冷冻干燥模块时，在气压的作用下将挤出3D打印成型模块中的壳聚糖浆料挤出，使其沉积在打印平台上，由于低温的作用，浆料很快
凝固成型；然后将成型后的样品冻干。
[0030] 根据本发明的技术方案，所述低温的
温度以使浆料能够定型即可，例如温度为-50～-30℃，示例为-50度。其中，所述冻干的温度为-60～-40℃，例如-55～-45℃，示例性为-50℃。可以将打印得到的壳聚糖导管迅速冻结，使导管脱水而成型。
[0031] 根据本发明的技术方案，所述方法还包括对干燥后的打印件进行后处理的过程，例如将打印件依次经过碱处理和水浸泡来除去杂质，比如除去壳聚糖浆料中的酸溶液、碱处理中多余的碱、碱与酸生成的盐和/或支撑材料。其中，所述碱处理采用碱-水-乙醇的
混合液，例如混合液中碱、水和乙醇的摩尔比为1:(4-8):(2-4)，优选为1:(5-7):(2.5-3.5)，示例性为1:6:3。其中，所述水优选为纯水。进一步地，当使用水浸泡除去杂质时，水温需要达到能够溶解杂质的温度，优选达到能够溶解碱与酸生成的盐和/或支撑材料的温度。
[0032] 本发明还提供上述壳聚糖导管作为仿生导管的用途。
[0033] 本发明的“仿生导管”、“导管”具有相同的含义，是指用于修复或连接断裂或缺损的生物体组织的管状体，可替代原生物体组织导管发挥作用，可被降解同时可诱导组织导管再生，例如用于神经导管、血管、胰管和胆管等软组织的修复。在一个实施方案中，可通过将缺损神经或断裂神经的两端套接于导管管腔内，引导和促进神经细胞的再生。在一个实施方案中，在胰肠吻合术中引入导管，导管将胰液导入肠道，发挥胰管的作用。
[0034] 本发明的有益效果：
[0035] 1.本发明选择了不同的酸、不同浓度的酸溶液以及与壳聚糖不同的比例来制备壳聚糖浆料。该壳聚糖浆料能够用于制备导管，尤其是含有乙醇酸的壳聚糖浆料具有优异的生物相容性，能够用于制备满足软组织或神经修复的导管。
[0036] 2.常规的方式难以制备结构复杂、个性化的导管，本发明使用挤出3D打印方法结合其他方式，如旋转轴沉积、熔融沉积和冷冻干燥，可以根据实际需要制备出不同结构、具有个性化的导管。
[0037] 3.挤出3D打印成型、旋转轴、熔融沉积制造和冷冻干燥，均可分成由单独的模块来实现。使用的时候，将需要的模块集成在一起，大大增加了操作的便利性。
[0038] 4.使用该方法制备的壳聚糖导管，生物相容性良好、机械性能优良，可以满足软组织修复的需要。
附图说明
[0039] 图1为
实施例1中挤出3D打印成型模块与旋转模块结合的示意图。
[0040] 图2为实施例1中挤出3D打印成型模块与旋转模块结合的运动关系示意图。
[0041] 图3为实施例2中挤出3D打印成型模块与熔融沉积模块结合的结构示意图。
[0042] 图4为实施例4挤出3D打印成型与冷冻干燥模块结合的结构示意图。
[0043] 图5为实施例5中多模块集成3D打印结构图。
[0044] 图6为实施例1中挤出3D打印成型模块与旋转模块结合所制备的简单结构壳聚糖导管。
[0045] 图7为实施例2中挤出3D打印成型模块与熔融沉积模块结合所制备的复杂结构壳聚糖导管。
[0046] 附图1-5中所示的附图标记如下：1-1-气体入口，1-2-活塞，1-3-料筒，1-4-壳聚糖浆料，1-5-料筒针头，1-6-步进电机，1-7-旋转轴，1-8-3D打印平台，1-9-碱溶液体系，1-10-纯水；
[0047] 3-1-喷嘴，3-2-加热器，3-3-送料器，3-4-PVA线，3-5-PVA线圈；
[0048] 4-1-冷冻箱；
[0049] 5-1-熔融沉积模块，5-2-挤出3D打印模块，5-3-旋转模块。
具体实施方式
[0050] 下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
[0051] 除非另有说明，以下实施例中使用的原料和
试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
[0052] 实施例1
[0053] [壳聚糖浆料的配制]
[0054] 选择不同的酸，不同质量浓度的酸溶液来制备壳聚糖浆料，具体见下表1。
[0055] 对按表1配比制备得到的壳聚糖浆料的性能进行测试：
[0056] 拉伸强度根据GB/T1040-2006进行测试；
[0057] 细胞毒性根据ISO 10993-5 2016进行测试，其中用于测试的细胞为小鼠
成纤维细胞(L-929，由中国科学院细胞库提供)。细胞活
力>70％表示没有潜在细胞毒性。
[0058] 表1壳聚糖浆料的配制
[0059]
[0060]
[0061] 由表1可知，含乙醇酸的壳聚糖浆料(乙醇酸的质量浓度为30wt.％，壳聚糖与酸溶液质量比为1:4)没有潜在细胞毒性。将其作为下述实施例2-4的打印原料。实施例2挤出3D打印模块与旋转模块结合的打印装置及打印方法
[0062] 如图1所示的打印装置中，挤出3D打印模块与旋转模块结合，用于制备简单结构的壳聚糖导管。挤出3D打印模块包括气体入口1-1、活塞1-2、料筒1-3和针头1-5，料筒1-3内盛装壳聚糖浆料1-4。旋转模块包括步进电机1-6和由步进电机1-6驱动的旋转轴1-7，旋转轴1-7用于支撑沉积在其上的壳聚糖浆料，步进电机1-6放置在3D打印平台上1-8。打印过程：
[0063] 在气体入口1-1中通入的气体压力的作用下，通过活塞1-2将压力传给壳聚糖浆料，浆料从针头1-5中挤出。
[0064] 在程序控制下，1-6步进电机驱动1-7旋转轴转动，使壳聚糖浆料沉积在旋转轴上。
[0065] 旋转模块的运动速度为4mm/s，气压为0.6MPa。打印层厚为0.4mm。
[0066] 完成打印过程后，将带有打印件的旋转轴可拆卸部分取下，放入70℃的环境干燥4h。
[0067] 然后将打印的导管从旋转轴上取下，放入由氢氧化
钾-水-乙醇组成的碱溶液体系1-9中(摩尔比为1:6:3)，除去酸溶液。
[0068] 接着将导管放入纯水1-10中，除去多余的氢氧化钾、以及乙醇酸和氢氧化钾生成的盐。
[0069] 打印得到简单结构的壳聚糖导管，其结构如图6所示，为不等粗的圆形导管。
[0070] 旋转模块与挤出3D打印模块需满足如下关系，以保证打印过程中二个模块的精确统一，如图2和表2所示。
[0071] 旋转轴的旋转线速度或者挤出速度可由公式(1)得出，
[0072]
[0073] 旋转轴的转速可由(1)推导得出，
[0074]
[0075] 旋转轴旋转一周所用的时间可得，
[0076]
[0077] 挤出3D打印模块的运动速度为，
[0078]
[0079] 其中,
[0080] vextrusion为壳聚糖的挤出速度；
[0081] naxis为旋转轴的旋转速度；
[0082] dCS壳聚糖的挤出尺寸；
[0083] vsyringe针头的移动速度；
[0084] daxis旋转轴的直径；
[0085] t1旋转一周所用的时间；
[0086] m壳聚糖打印的层数。
[0087] 表2相关参数的实施数据
[0088]vsyringe(mm/s) m vextrusion(mm/s) daxis(mm) dCS(mm) naxis t1(s)
0.25 0 4.00 2.00 0.40 0.64 1.57
0.18 1 4.00 2.00 0.40 0.45 2.20
0.14 2 4.00 2.00 0.40 0.35 2.83
0.12 3 4.00 2.00 0.40 0.29 3.46
0.10 4 4.00 2.00 0.40 0.24 4.08
0.08 5 4.00 2.00 0.40 0.21 4.71
[0089] 实施例3挤出3D打印模块与熔融沉积模块结合的打印装置及打印方法
[0090] 如图3所示挤出3D打印模块与熔融沉积模块结合，用于制备复杂结构的壳聚糖导管。
[0091] 挤出3D打印模块的结构与实施例2相同，熔融沉积模块包括PVA线圈3-5、缠绕在PVA线圈3-5上的PVA线3-4、送料器3-3、加热器3-2和喷嘴3-1。打印过程：
[0092] 在程序控制下，送料器3-3将PVA线圈3-5中的PVA线3-4传到加热器3-2中。PVA线
熔化，并在送料器3-3所提供的压力下，通
过喷嘴3-1挤出。
[0093] 在气体入口1-1中通入的气体压力的作用下，通过活塞1-2将压力传给壳聚糖浆料，浆料从针头1-5中挤出。
[0094] 挤出3D打印模块和熔融沉积模块均在同一程序控制之下。在程序的控制下，先完成一层PVA的制造，然后完成一层壳聚糖的制造。接着完成一层PVA制造，循环往复，直至完成3D打印过程。
[0095] 挤出3D打印模块和熔融沉积模块的运动速度为4mm/s。气压为0.6MPa。打印层厚为0.4mm。
[0096] 完成打印过程后，将打印样品放入70℃的环境干燥4h。
[0097] 然后将打印样品放入由氢氧化钾-水-乙醇组成的体系1-9中(摩尔比为1:6:3)，除去酸溶液。
[0098] 接着将打印样品放入纯水1-10(水温为25℃)中，除去PVA、多余的氢氧化钾、以及乙醇酸和氢氧化钾生成的盐。
[0099] 打印得到的复杂结构的壳聚糖导管如图7所示。
[0100] 实施例4挤出3D打印模块与冷冻干燥模块结合的打印装置和打印方法
[0101] 如图4所示挤出3D打印模块与冷冻干燥模块结合，用于制备复杂结构的壳聚糖导管。挤出3D打印模块的结构与实施例2相同，冷冻干燥模块包括冷冻箱4-1和冷冻干燥机(图中未给出)，冷冻箱4-1用于在打印过程中对打印件进行初步定型，冷冻箱4-1将3D打印平台1-8围绕起来。挤出3D打印模块和冷冻干燥模块均在同一程序控制之下。
[0102] 打印方法：
[0103] 在程序控制下，挤出3D打印模块将一层壳聚糖浆料成型到3D打印平台1-8上。由于3D打印平台1-8处于冷冻模块中，落于打印平台的浆料中含有的液态水迅速发生结
冰而固定。接着再进行下一层壳聚糖层的制造，直至完成3D打印过程。
[0104] 挤出3D打印模块的运动速度为4mm/s，气压为0.6MPa。打印层厚为0.4mm。
[0105] 冷冻干燥模块的冷冻箱的温度为-50℃。完成打印过程后，将样品放入冷冻干燥机中，其工作条件为温度为-50℃，压力20Pa。
[0106] 然后将打印样品放入由氢氧化钾-水-乙醇组成的体系1-9中(摩尔比为1:6:3)，除去酸溶液。
[0107] 接着将打印样品放入1-10纯水中，除去多余的氢氧化钾、以及乙醇酸和氢氧化钾生成的盐。
[0108] 实施例5多模块集成的3D打印装置
[0109] 图5为多模块集成3D打印装置结构图。装置主要包含熔融沉积模块5-1，挤出3D打印模块5-2，冷冻箱4-1，旋转模块5-3，3D打印平台1-8。
[0110] 其中，熔融沉积模块5-1和挤出3D打印模块5-2固定在3D打印的运动机构上。冷冻箱4-1围绕3D打印平台1-8而设。旋转模块5-3位于3D打印平台1-8上，并处于冷冻箱4-1内。
[0111] 这些模块均由同一套控制程序控制，根据需要选用不同的组合，来完成不同的需求。
[0112] 以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
