技术领域
[0001] 本
发明涉及
生物3D打印领域，特别是涉及一种梯度3D打印喷头及
3D打印机。
背景技术
[0002] 组织工程技术是一种生物和制造学科交叉的技术，旨在通过自
体细胞的扩增和组装，人工制造组织和器官，其发展为组织损伤修复提供了新的思路。组织工程科学的建立标志着医学将摆脱器官移植的限制，实现更可靠的
治疗。
[0003] 在组织工程研究中，复合、梯度渐变的
细胞支架在近年来受到重视。通过多种理化、生物性能不同的
生物材料结合使用，可以获得非均质和仿生的人造组织，对于骨、软骨等非均质分布的承
力结构具有重要意义，对于软组织也可以起到调节降解时间、增强生物活性和促进细胞分化等作用，是值得关注的发展方向。
[0004] 目前制造梯度
复合材料的细胞支架，主要采用手工配置浓度比例不同的各级材料，逐层浇灌或
喷涂的方法。然而，这种手段需要较长时间的前期配置操作，对于需要共聚反应的高分子生物材料，还需要进行
温度控制和充分混合，操作繁琐耗时；此外，此法制成细胞支架时需多次更换不同浓度的材料，制造
精度低，层与层间粘结较差。
[0005] 生物3D打印(Bio 3D printing)，是
快速成型技术的一种，可通过程序控制、逐层打印的方式构造物体。生物3D打印是组织工程制造中的重要和新兴方法；微流控芯片技术(Microfluidics)是一种主要应用在生命科学上的实验技术，其特征主要是芯片有效结构至少在一个维度上为微米级尺度，具有液体流动可控、消耗试样和
试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点。微混合器和微反应器是微流控芯片的两种典型应用。
发明内容
[0006] 本发明的主要目的在于克服
现有技术的不足，提供一种梯度3D打印喷头及具有该打印喷头的3D打印机，能定量控制两种打印材料的混合比例和共聚程度，通过微流控芯片流量较小的特点，加快共聚反应速度，从而灵活、迅速地实现梯度浓度化的多材料3D打印。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种梯度3D打印喷头，包括微流控芯片基体、构建在所述微流控芯片基体上的进液流道、混合流道、微反应流道和出液口，以及设置在所述混合流道上的梯度混合
阀，所述进液流道包括至少两个进液口和从每个进液口分支出来的多条分液流道，所述进液口用于各自输入待混合的液态打印材料，各分液流道共同连接到所述混合流道，所述梯度混合阀与所述混合流道相配合，能够被驱动在所述混合流道上移位，从而控制切断一部分分液流道与所述混合流道的连通，同时打开另一部分分液流道与所述混合流道的连通，以控制各进液口输入的液态打印材料的混合比例，通过所述混合流道混合的液态打印材料进入所述微反应流道，在所述微反应流道内进行反应，再由所述出液口喷出。
[0009] 进一步地：
[0010] 所述多条分液流道为由多个隔板隔成的与所述混合流道相连的一排流道，所述梯度混合阀包括齿状
挡板和步进
电机，所述齿状挡板由所述步进电机控制移动，以阻挡一部分分液流道的出口，同时开放另一部分分液流道的出口。
[0011] 所述多条分液流道的直径一致。
[0012] 所述进液口有两个，用以输入待混合的两种液态打印材料。
[0013] 所述梯度混合阀经设置以使打印时从所述进液流道输出到所述混合流道的总流量保持恒定。
[0014] 例如，所述梯度混合阀经设置以使连通所述混合流道的分液流道的数目始终为全部分液流道的半数，从而使由所述混合流道输出的
混合液体的流量始终为所述进液流道自由输液时的一半。
[0015] 所述齿状挡板经设置以使连通所述混合流道的分液流道的数目始终为全部分液流道的半数，从而使由所述混合流道输出的混合液体的流量始终为所述进液流道自由输液时的一半。
[0016] 每个进液口分支出来的n条分液流道，所述梯度混合阀控制两种液态打印材料的比例在0:n～n:0之间调节，n≥2,例如n＝10。
[0017] 所述微反应流道包括多条长度不同的分支反应流道，各分支反应流道的入口处设置有选择阀，通过控制所述选择阀，可使混合液体进入任一分支反应流道。
[0018] 所述微流控芯片基体对应所述微反应流道的区域上设有温控片，所述温控片控制所述微反应流道内的温度，以促进所述微反应流道内的混合液体进行反应。
[0019] 微反应流道中的至少一条分支反应流道具有蜿蜒曲折结构以延伸出对应的长度。
[0020] 所述混合流道的截面形状可增加立体转折或凸起，以扰动
流体，促进材料混合。
[0021] 一种3D打印机，包括所述的梯度3D打印喷头。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] 本发明的梯度3D打印喷头基于微混合器和微反应器的结构，能定量控制多种打印材料的混合比例和共聚程度，通过微流控芯片流量较小的特点，加快共聚反应速度，从而灵活、迅速地实现梯度浓度化的多材料3D打印。本发明的打印喷头装置具有反应灵敏、控制成本低、材料污染小、装置尺寸较小等优点。本发明的喷头装置可直接装备到现有3D生物打印机上，提升支架打印能力，实现灵活可控的制造，减少材料配置和更换的工作量，具有重要的应用前景。
附图说明
[0024] 图1是本发明梯度3D打印喷头
实施例的整体轴侧图；
[0025] 图2是本发明梯度3D打印喷头实施例的流道俯视图；
[0026] 图3a、图3b和图3c是本发明梯度3D打印喷头实施例的梯度混合阀在三种混合比例下的示意图；
[0027] 附图标记说明：
[0028] 100-微流控芯片基体、200-进液流道、300-梯度混合阀、400-微反应流道、500-出液口、201-进液口、202-分液流道、401-分支反应流道、402-选择阀，403-温控片、301-混合流道、302-齿状挡板、303-步进电机。
具体实施方式
[0029] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0030] 参阅图1，在一种实施例中，一种梯度3D打印喷头，包括微流控芯片基体100、构建在微流控芯片基体100上的进液流道200、混合流道301、微反应流道400和出液口500，以及设置在混合流道301上的梯度混合阀300，进液流道200包括至少两个进液口201和从每个进液口201分支出来的多条分液流道202，进液口201用于各自输入待混合的液态打印材料，各分液流道202共同连接到混合流道301，梯度混合阀300与混合流道301相配合，能够被驱动在混合流道301上移位，从而控制切断一部分分液流道202与混合流道301的连通，同时打开另一部分分液流道202与混合流道301的连通，以控制各进液口201输入的液态打印材料的混合比例，通过混合流道301混合的液态打印材料进入微反应流道400，在微反应流道400内进行反应，再由出液口500喷出。
[0031] 该梯度3D打印喷头能定量控制至少两种打印材料的混合比例和共聚程度，通过微流控芯片流量较小的特点，加快共聚反应速度，从而灵活、迅速地实现梯度浓度化的多材料3D打印。例如，进液流道200通过多条分液流道202可以将输出的每种材料平均分为多份，并在混合流道汇合。可以在保证总流量不变的
基础上，控制各进液口输入的液态打印材料的混合比例。
[0032] 在优选的实施例中，所述梯度混合阀经设置以使打印时从所述进液流道输出到所述混合流道的总流量保持恒定。例如，可控制两种不同的打印材料在恒压条件下从不同的进液口输入，并保证两种材料输出压强相等，而在总流量、输出压强恒定的条件下，就可以保证后半段流道输出流速也恒定，从而利于打印速率和输出材料线宽的控制。
[0033] 在一种具体的优选实施例中，齿状挡板302d1尺寸和形位经设计以使连通混合流道301的分液流道202的数目始终为全部分液流道202的半数，从而使由混合流道301输出的混合液体的流量始终为进液流道200自由输液时的一半。
[0034] 在优选的实施例中，多条分液流道202为由多个隔板隔成的与混合流道301相连的一排流道，梯度混合阀300包括齿状挡板302和步进电机303，齿状挡板302由步进电机303控制移动，以阻挡一部分分液流道202的出口，同时开放另一部分分液流道202的出口。通过挡板齿形的设计和步进电机的运动，可保证连通混合流道的分液流道数恒定，即材料流量恒定，两种材料比例则可定量调节。
[0035] 在典型的实施例中，多条分液流道202的直径一致。多条分液流道202的直径也可以部分不一致或全部不一致，满足可以定量计算和按比例混合的条件即可。
[0036] 在典型的实施例中，进液口201有两个，用以输入待混合的两种液态打印材料。
[0037] 每个进液口201分支出来的n条分液流道202，梯度混合阀300控制两种液态打印材料的比例在0:n～n:0之间调节，n≥2,例如n＝10。
[0038] 在优选的实施例中，微反应流道400包括多条长度不同的分支反应流道401，如三条分支反应流道401，各分支反应流道的长度分别为短、中、长，各分支反应流道的入口处设置有选择阀402，通过控制选择阀402，可使混合液体进入三条分支反应流道之一。通过选择打开不同长度的流道，可定量控制材料混合和反应的时间。
[0039] 在优选的实施例中，微流控芯片基体100对应微反应流道400的区域上设有温控片，温控片控制微反应流道400内的温度，以促进微反应流道400内的混合液体进行反应。通过在微反应流道区域设置温控片，可定量控制材料混合和反应的温度。
[0040] 在优选的实施例中，混合流道301的截面形状增加立体转折或凸起，以扰动流体，促进材料混合。
[0041] 在优选的实施例中，微反应流道400中的至少一条分支反应流道401具有蜿蜒曲折结构以延伸出对应的长度。
[0042] 如图1所示，根据具体实施例，梯度3D打印喷头包含微流控芯片基体、进液流道、梯度混合阀、微反应流道和出液口。微流控芯片基体作为喷头其他各部分的载体，通过
刻蚀技术制造流道。
[0043] 如图2所示，根据具体实施例，进液流道包括进液口和分液流道，进液口有两个，用以输入待混合的两种液态打印材料；分液流道为带有隔板的流道，将两种材料各自均分为多股，优选10股。在流道直径一致、打印材料在恒压条件下输入时，可认为各股流道流量均相等。
[0044] 如图1至图3c所示，根据具体实施例，梯度混合阀由混合流道、齿状挡板和步进电机组成。通过挡板齿形的设计和步进电机的运动，可保证进入混合流道的打印材料始终为全部分液流道的半数，实施例为10股。则，混合液体由混合流道输出的流量始终为两流道自由输液时的一半，保持恒定，两种材料比例则可在0:10～10:0之间调节。
[0045] 图3a、图3b和图3c分别示出控制两种材料的混合比例为10:0、5:5、0:10的情形。
[0046] 混合流道构成微混合器，实现两种材料的充分混合。
[0047] 如图2所示，微反应流道分为三支，长度分别为短-中-长，入口处有选择阀，优选手动或
气动的PDMS材质弹性
薄膜阀。通过控制选择阀，可使混合液体进入三条流道之一，在从出液口挤出前混合输送不同的距离。在输入液体流量流速和各流道截面积比例可知时，流道内液体流速也可知，因此混合液体在微反应流道内输送时间可控。
[0048] 混合流道区域设有温控片，可控制混合流道内的温度，促使流道内液体充分进行共聚等反应，以提升混合材料的化学键强度，提高打印支架的力学强度，并定性地改良生物学性能。
[0049] 出液口用于喷射混合液体，配合物理、化学交联技术完成组织工程支架的定型。
[0050] 整体流道截面尺寸较小，有助于增强两材料的
接触，加快混合速度和反应速率。
[0051] 混合流道的截面形状可增加立体转折或凸起，以扰动流体，促进材料混合。
[0052] 反应流道可采取圣诞树式分支结构，将混合液体分成数股，减小流量，促进共聚反应。具体来说，通过较细的流道分流，将混合液体分成数股进入反应区，在靠近出液口的地方再合并，以减小每条分流道中的流量，进而增大接触面积-体积之比，促进材料物理上的混合和化学上的共聚反应。
[0053] 由两进液口加压输入不同的液体第一材料和第二材料，控制液体压力相等。以步进电机控制齿状挡板移动，决定两材料混合比例。以微反应流道
控制阀和温控片控制液体的共聚反应时间和温度。经可计算的延时后，由出液口喷出成形。在打印过程中，通过步进电机即时控制材料混合比例，实现梯度打印。
[0054] 实例一
[0055] 第一材料选择PLA溶液，第二材料选择PGA溶液。这是两种可用于生物制造的高分子
聚合物材料，两者的混合共聚物称为PLGA，混合比例对材料力学性质和降解速率有较大影响。也可考虑第一材料选择PLGA，第二材料选择TCP或胶原，即可打印经过验证的聚合物材质骨-软骨支架。
[0056] 实例二
[0057] 第一材料选择PEG溶液，第二材料选择ECM溶液。前者为高分子聚合物材料，后者为天然细胞外基质，两者混合加热可发生共聚，有利制造成形过程中的交联，并能改善ECM材料的力学性能和降解性能。混合比例、混合时间和混合温度对支架性能均有影响。
[0058] 实例三
[0059] 第一材料选择明胶，第二材料选择甲基
丙烯酸。明胶是常用的生物制造材料，两种材料发生接枝反应后的产物称为GelMA，具有良好的生物特性和可调的力学性质，适用于梯度化的组织工程制造。
[0060] 以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
