本發(fā)明涉及生物材料制造、增材制造及組織工程交叉，特別是一種利用超聲打印絲素蛋白支架的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、絲素蛋白作為一種天然生物高分子材料，因其優(yōu)異的生物相容性、可降解性及可調(diào)控的機(jī)械性能，在組織工程、藥物遞送系統(tǒng)及生物醫(yī)學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)絲素蛋白材料的制備方法可分為化學(xué)交聯(lián)法和物理固化法兩類。化學(xué)交聯(lián)法通常使用戊二醛、京尼平等交聯(lián)劑或醇類溶劑誘導(dǎo)凝固，雖能實(shí)現(xiàn)材料的快速成型，但存在化學(xué)殘留毒性風(fēng)險，可能對細(xì)胞活性及組織相容性產(chǎn)生不利影響。物理固化法如鹽析、冷凍干燥等雖避免了化學(xué)毒性，但凝固時間長、過程可控性差，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型。以上技術(shù)瓶頸，限制了其在高端生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。
2、目前，為提升絲素蛋白在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的功能性，可將絲素蛋白與功能材料復(fù)合，提升其機(jī)械強(qiáng)度、壓電性能等。壓電生物材料因其獨(dú)特的力-電轉(zhuǎn)換特性，在促進(jìn)組織再生、構(gòu)建生物傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。鈦酸鋇作為一種經(jīng)典壓電陶瓷材料，具有良好的壓電性能和生物相容性，通常通過靜電紡絲、原位合成法等方式與絲素蛋白進(jìn)行復(fù)合，但存在以下挑戰(zhàn)：(1)傳統(tǒng)復(fù)合方法多采用物理共混后化學(xué)交聯(lián)，難以實(shí)現(xiàn)納米級均勻分散；(2)復(fù)合過程中易破壞絲素蛋白的天然構(gòu)象及鈦酸鋇的壓電晶相；(3)現(xiàn)有技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)壓電復(fù)合材料的空間可控成型。
3、近年來，超聲誘導(dǎo)生物材料成型技術(shù)逐漸受到關(guān)注。該方法利用超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械力及熱效應(yīng)，可在水相環(huán)境中誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子自組裝，具有綠色、快速的特點(diǎn)，且可改善功能復(fù)合材料均勻分散的問題。然而，現(xiàn)有超聲凝固技術(shù)仍存在以下局限：
4、(1)為實(shí)現(xiàn)有效空化往往需要較高的超聲能量輸入，易造成局部過熱，損傷對溫度敏感的生物活性組分；
5、(2)常規(guī)超聲處理缺乏功能化設(shè)計，所得材料性能單一，難以滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中對材料電活性、智能響應(yīng)性等日益增長的需求；
6、(3)超聲凝固過程控制精度不足，難以實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)與性能的空間梯度調(diào)控。
7、因此，需要開發(fā)一種創(chuàng)新的絲素蛋白材料及其復(fù)合材料的制備方法及系統(tǒng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用超聲打印絲素蛋白支架的方法及系統(tǒng)，該方法通過引入微泡協(xié)同降低空化閾值，結(jié)合雙階段聚焦超聲（先穩(wěn)態(tài)空化均勻分散壓電材料，后瞬態(tài)空化凝固絲素蛋白），實(shí)現(xiàn)低能耗、綠色、精密的壓電功能支架一體化成型。
2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供的利用超聲打印絲素蛋白支架的方法，包括以下步驟：
4、s1、制備包含脂質(zhì)和全氟化碳?xì)怏w的微泡；
5、s2、制備絲素蛋白生物墨水以及聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末；將所述絲素蛋白生物墨水與所述聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末混合并分散，再加入所述微泡，得到復(fù)合打印墨水；
6、s3、將所述復(fù)合打印墨水置于打印工裝中，控制聚焦超聲換能器的焦點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的三維路徑對準(zhǔn)所述復(fù)合打印墨水中的預(yù)定位置；啟動所述聚焦超聲換能器發(fā)射超聲波，利用所述微泡作為空化成核劑，誘導(dǎo)所述焦點(diǎn)處的復(fù)合打印墨水發(fā)生空化效應(yīng)，從而使絲素蛋白凝固；
7、其中，所述超聲波的發(fā)射包括依次進(jìn)行的第一處理階段與第二處理階段，
8、所述第一處理階段采用的超聲波參數(shù)為使微泡產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)空化的參數(shù)，用于使所述聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末在微泡振蕩作用下發(fā)生均勻分散；
9、所述第二處理階段采用的超聲波參數(shù)為使微泡產(chǎn)生瞬態(tài)空化的參數(shù)，用于使絲素蛋白迅速凝固并鎖定所述聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末的排列結(jié)構(gòu)；
10、s4、重復(fù)步驟s3，逐點(diǎn)累積形成具有三維結(jié)構(gòu)的絲素蛋白支架。
11、進(jìn)一步，所述步驟s1中，所述脂質(zhì)為二棕櫚酰磷脂酰膽堿（dppc）和二硬脂酰磷脂酰乙醇胺（dspe）的混合物；所述全氟化碳?xì)怏w為全氟丙烷。
12、進(jìn)一步，在步驟s3中，所述第一處理階段采用的超聲波頻率為0.8至1mhz，空間峰值時間平均功率密度不大于0.3w/cm2，處理時間為60至120秒。
13、在步驟s3中，所述第二處理階段采用的超聲波頻率為0.8-1.2mhz，空間峰值時間平均功率密度為0.8至1.2w/cm2，處理時間為5至15秒。
14、進(jìn)一步，在步驟s3中，通過溫控模塊將所述復(fù)合打印墨水的溫度維持在25-37℃。
15、進(jìn)一步，在步驟s3中，所述打印工裝內(nèi)設(shè)有溫控模塊，用于將所述復(fù)合打印墨水的溫度維持在31℃±6℃。
16、在超聲波發(fā)射時復(fù)合打印墨水所處的環(huán)境水溫控制在25-37℃。
17、進(jìn)一步，在步驟s3中，通過實(shí)時監(jiān)測焦點(diǎn)處復(fù)合墨水的聲阻抗或背向散射信號來控制從第一處理階段切換到第二處理階段的時機(jī)。
18、進(jìn)一步，在步驟s2中，所述聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末與所述絲素蛋白生物墨水中絲素蛋白的質(zhì)量比例為1%-20%。
19、在步驟s2中，將所述聚多巴胺包覆的鈦酸鋇復(fù)合粉末與所述絲素蛋白生物墨水混合后，進(jìn)行超聲處理30分鐘以實(shí)現(xiàn)均勻分散。
20、本發(fā)明提供的利用超聲打印絲素蛋白支架的系統(tǒng)，用于實(shí)施上述方法，包括三維位移平臺，還包括設(shè)置于三維位移平臺上的打印工裝、聚焦超聲換能器、溫控模塊、控制系統(tǒng)；
21、所述打印工裝，用于容納復(fù)合打印墨水，并安裝于所述三維位移平臺上；
22、所述聚焦超聲換能器，其發(fā)射的超聲波焦點(diǎn)能夠?qū)?zhǔn)所述打印工裝內(nèi)的預(yù)定空間位置；
23、所述溫控模塊，用于將所述打印工裝內(nèi)的溫度維持在25-37℃；
24、所述控制系統(tǒng)，分別與所述三維位移平臺和所述聚焦超聲換能器電連接，用于控制所述三維位移平臺的運(yùn)動路徑以及所述聚焦超聲換能器的啟停和發(fā)射參數(shù)，以按照預(yù)設(shè)的三維模型逐點(diǎn)凝固打印工裝內(nèi)的復(fù)合打印墨水。
25、進(jìn)一步，所述聚焦超聲換能器為行波聚焦換能器、球形聚焦換能器或環(huán)形聚焦換能器。
26、進(jìn)一步，所述聚焦超聲換能器的數(shù)量為多個，構(gòu)成換能器陣列。
27、本發(fā)明的有益效果在于：
28、本發(fā)明提供的的利用超聲打印絲素蛋白支架的方法及系統(tǒng)，屬于生物材料與增材制造技術(shù)領(lǐng)域。方法包括：制備含絲素蛋白、聚多巴胺包覆鈦酸鋇和脂質(zhì)微泡的復(fù)合墨水；利用聚焦超聲換能器，控制其焦點(diǎn)按預(yù)設(shè)三維路徑掃描墨水；通過微泡輔助的空化效應(yīng)，分兩個階段先誘導(dǎo)鈦酸鋇均勻分散再使絲素蛋白定點(diǎn)凝固，逐點(diǎn)累積成型三維支架。系統(tǒng)包括三維位移平臺、打印工裝、聚焦超聲換能器及控制系統(tǒng)。本發(fā)明避免了化學(xué)交聯(lián)，綠色安全；微泡降低了空化閾值，實(shí)現(xiàn)低能耗凝固；一體化完成了壓電功能復(fù)合與復(fù)雜結(jié)構(gòu)精細(xì)成型，所制支架兼具良好生物相容性與生物電活性。
29、本發(fā)明提供的方法具有以下有益效果：
30、綠色安全，生物相容性高：完全摒棄化學(xué)交聯(lián)劑，基于純物理的超聲空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)絲素蛋白凝固，從源頭上杜絕了有害化學(xué)物質(zhì)殘留，確保了材料的生物安全性。
31、低能耗且生物友好：通過引入微泡作為空化成核劑，顯著降低了引發(fā)有效空化所需的超聲能量閾值，從而能在低功率、低劑量的溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效凝固，極大減少了超聲熱效應(yīng)對可能負(fù)載的細(xì)胞、蛋白藥物等活性生物組分的損傷。
32、一體化實(shí)現(xiàn)功能復(fù)合與精密成型：在超聲誘導(dǎo)凝固的同時，利用分階段的聲場控制，先使壓電填料（鈦酸鋇）均勻分散，再鎖定其結(jié)構(gòu)，一步法即可制備出兼具良好生物相容性和明確壓電響應(yīng)的智能生物復(fù)合材料。結(jié)合聚焦超聲與精密三維運(yùn)動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜三維微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)打印。
33、制備過程可控性強(qiáng)：通過程序化調(diào)控超聲參數(shù)（如功率、模式、時間）和掃描路徑，可以精確控制支架的局部性能（如力學(xué)強(qiáng)度、孔隙率、壓電性），實(shí)現(xiàn)性能可設(shè)計的定制化制造。
34、本發(fā)明的上述和其他目的、優(yōu)點(diǎn)及特征，將通過下文結(jié)合附圖的具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述而得到更充分的闡述和證明。本領(lǐng)域技術(shù)人員在參閱了下文的詳細(xì)描述和附圖后，將能夠更好地理解并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，在具體實(shí)施方式部分并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述后，將變得更加清楚。