一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法
【專利摘要】一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法，屬于組織器官制造【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明基于光固化原理，采用氣動、壓電、電機助推噴射技術(shù)將含細胞或不含細胞的高分子溶液在計算機輔助的模型指導下，層層堆積起來，在波長為300-600nm光束的照射下固化成形，在此結(jié)構(gòu)上再復合含不同細胞的高分子溶液形成細胞層，再將聚氨酯溶液以霧狀形態(tài)噴出，在成形體外表面形成一層保護膜。按照設(shè)定的成形步驟，最終制造出具有空間復雜形狀和空隙結(jié)構(gòu)的含合成高分子支架材料和多種細胞的三維結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明成形結(jié)構(gòu)尺寸覆蓋面廣，工藝簡單，細胞成活率高，具有良好的力學和生物學性能。
【專利說明】—種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組織器官制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大塊軟組織及內(nèi)臟器官(如心、肝、脾、肺、腎等)，是人體的重要組成部分，由于疾病、創(chuàng)傷和老化引起的相關(guān)損傷和功能障礙，嚴重危害人體健康和生命質(zhì)量。傳統(tǒng)的臨床方法，目前還存在許多局限性，特別是不能實現(xiàn)體外重建細胞受控分布的結(jié)構(gòu)體。而制造科學和生命科學的交叉融合，催生了細胞受控組裝技術(shù)，這一技術(shù)，為體外直接構(gòu)建具有新陳代新機能的器官替代物開辟了新途徑。
[0003]低溫沉積制造 工藝(LDM)是由清華大學機械系材料加工技術(shù)研究所針對生物材料成形的特殊要求而開發(fā)的新工藝。低溫沉積制造是指將支架材料制成液態(tài)，經(jīng)由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在低溫成形室中堆積成形。
[0004]低溫沉積制造具體的工藝過程為:
[0005]①用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的坐標代碼。
[0006]②選擇實驗的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用。
[0007]③將材料加入到成形設(shè)備的各噴頭的噴射器中，計算機中的控制軟件根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制各噴頭的掃描運動和擠壓、噴射運動。在低溫成形室中，從噴頭中出來的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆積成形冷凍支架。
[0008]④將冷凍支架放入冷凍干燥機中，進行冷凍干燥處理，去除溶劑，得到常溫下為固態(tài)的支架。在此過程中，溶劑的升華使冷凍支架內(nèi)產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。
[0009]目前清華大學機械系已經(jīng)有了相應的單噴頭和雙噴頭的三維支架受控成型裝置，并且對噴頭的設(shè)計和成形性能做了相關(guān)研究，設(shè)計并制作了活塞擠壓噴頭。如清華大學先進制造快速成形實驗室自主研發(fā)的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形機。
[0010]然而，人體中的復雜組織或器官一般都是由兩種或兩種以上不同細胞和細胞外基質(zhì)材料組成的復合結(jié)構(gòu)，而且各個結(jié)構(gòu)間相互聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，對非均質(zhì)多種不同材料三維結(jié)構(gòu)的成形提出了要求。原有的單噴頭和雙噴頭無法滿足復雜組織器官快速制造的要求；
[0011]中國專利文獻(申請?zhí)?01110205970.1)涉及一種固定式多噴頭復雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，噴射裝置為兩個固定式的電機助推式噴頭，成形臺設(shè)置在三維運動裝置上，不同噴頭組件裝有不同的成形材料；所有噴頭在同一平面內(nèi)，切換噴頭時三維運動裝置使工作噴頭與成形臺對正。步進電機固定在Z向運動裝置支架上，螺桿在直線步進電機的帶動下可對噴頭內(nèi)的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴噴出，加熱棒和隔熱外套安裝在噴頭下段使噴頭內(nèi)的成形材料保持設(shè)定的溫度。
[0012]此種設(shè)計簡單可靠，但是，固定式多噴頭成形系統(tǒng)有以下不足之處:[0013]①低溫沉積制造需要零下40度的低溫環(huán)境，低溫會對細胞的成活率產(chǎn)生不利影響，并且需要添加凍存劑，工藝較為復雜。
[0014]②原有系統(tǒng)只有兩個噴頭，即能使用兩種材料，但是復雜組織器官都包含有多種材料和細胞，現(xiàn)有設(shè)備不能滿足復雜組織器官前體的制造。
[0015]③無法對成形體側(cè)表面進行噴涂，電機助推式快速成形噴頭需要豎直安裝，如果進行水平安裝，則漿料從噴嘴擠出后會在自身重力的作用下滴落，無法在成形體側(cè)表面附著。
[0016]④成形臺只能依靠三維運動裝置進行運動，加工圓截面和圓環(huán)截面類材料成型時位置參數(shù)由相互垂直的X軸Y軸控制，精確度有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法，本發(fā)明采用氣動噴涂、電機助推式擠壓和壓電擠壓等多種噴涂技術(shù)相結(jié)合，通過光線照射使含光敏材料的高分子溶液使其在常溫環(huán)境下快速固化，提高了多種細胞、多方位成 形時的靈活性和精度。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0019]一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備含有支架、控制單元、旋轉(zhuǎn)成形臺、升降臺、噴涂裝置和滅菌裝置以及安裝在支架頂部的X向運動機構(gòu)和Y向運動機構(gòu)，升降臺安裝在支架底部，X向運動機構(gòu)安裝在Y向運動機構(gòu)上，其特征在于:該設(shè)備還包括噴閥掛架、噴閥選取裝置和偏轉(zhuǎn)臺；所述的噴涂裝置懸掛在噴閥掛架上，噴涂裝置至少采用3套；噴閥掛架固定在支架上，噴閥選取裝置固定安裝在X向運動機構(gòu)上，偏轉(zhuǎn)臺安裝在升降臺上；所述的旋轉(zhuǎn)成形臺安裝在偏轉(zhuǎn)臺的頂部；每套噴涂裝置包括設(shè)置在底板上的噴頭、噴涂溶液針筒、連接板、直線軸承和兩個波長為300-600nm的點狀光源，點狀光源布置在噴頭兩側(cè)，使兩束光同時照射在噴頭噴出的含有光敏材料的高分子溶液上。
[0020]上述技術(shù)方案中，所述的噴閥選取裝置包括定位銷、定位板和電動夾鉗；電動夾鉗與噴涂裝置的連接板相配合；定位銷與噴涂裝置的連接板上的定位孔相配合。
[0021]所述噴頭包括氣動噴頭、電動助推式噴頭和壓電噴頭。所述的氣動噴頭包括噴霧閥和噴射閥中的一種或兩種的組合，氣動噴頭通過氣體管路與高壓氣體源相連接。
[0022]本發(fā)明的技術(shù)特征還在于:噴閥掛架包括多個懸掛單元，每個懸掛單元由支撐板、磁鐵和兩個懸掛桿組成；每個懸掛單元的兩根懸掛桿與噴涂裝置的兩個直線軸承對應插入，支撐板固定安裝在支架上。
[0023]本發(fā)明提供的一種基于光固化的組織器官前體組裝方法，其特征在于該方法包括如下步驟:
[0024]I)噴閥選取裝置在控制單元的控制下，首先選擇并卡緊一套裝有不含細胞但含有光敏材料的高分子溶液的噴涂裝置，使兩個波長為300-600nm的點狀光源出射的兩束光同時照射在噴頭噴出的高分子溶液上，固化并形成組織器官三維結(jié)構(gòu)支架；
[0025]2)噴閥選取裝置將步驟I)中所使用的噴涂裝置放回噴閥掛架，選擇并卡緊另一套裝有含細胞和光敏材料的高分子溶液的噴涂裝置，在步驟I)形成的組織器官三維結(jié)構(gòu)支架表面噴涂并形成細胞層；[0026]3)噴閥選取裝置將步驟2)中所使用的噴涂裝置放回噴閥掛架，選擇并卡緊另一套裝有聚氨酯或PLGA溶液的噴涂裝置，然后將聚氨酯或PLGA溶液以霧狀形態(tài)噴出，在成形體外表面形成一層保護膜，最終制造出具有空間復雜形狀和多種細胞的組織器官前體。
[0027]步驟I)中所述的不含細胞但含有光敏材料的高分子溶液為含水溶性聚氨酯丙烯酸酯和樟腦醌的水溶液，其中水溶性聚氨酯丙烯酸酯質(zhì)量濃度為30%_60%，樟腦醌質(zhì)量濃度為3%-5% ;步驟2)中所述的含細胞和光敏材料的高分子溶液為含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明膠、生長因子和細胞的水溶液，其中聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中質(zhì)量濃度分別為30%-60%和5%-10%，明膠的質(zhì)量體積濃度為0.05g-0.5g/ml，生長因子質(zhì)量體積濃度為10-50ng/ml，細胞濃度為1父105個/1111-1\107個/1111，其中所述的細胞是肝細胞、脂肪干細胞或星狀細胞中的一種或幾種的組合；步驟3)中所述的聚氨酯或PLGA溶液為聚氨酯或PLGA溶于有機溶劑制成質(zhì)量濃度為1%-30%的溶液；所述的有機溶劑采用二甲基亞砜、四乙二醇或1.4 二氧六環(huán)。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和突出性效果:[0029]①本發(fā)明采用光固化成形方法，可實現(xiàn)常溫成形，能大幅提高細胞的成活率，使多種細胞分布在不同的預定位置。此外，本發(fā)明可實現(xiàn)常溫環(huán)境下的細胞組裝，相對于低溫沉積制造避免了復雜昂貴的制冷設(shè)備，取消了凍存劑等細胞低溫保存試劑的使用，大大簡化了成形工藝。
[0030]②本發(fā)明采用多套噴涂裝置配合噴閥選取裝置工作，可以噴涂多種材料和細胞，并且多套噴涂裝置相互之間可獨立運動，消除了多套噴涂裝置之間的相互干擾，并大大減小了設(shè)備的體積。
[0031]③本發(fā)明采用氣動噴涂、電機助推式擠壓或壓電擠壓和光固化技術(shù)相結(jié)合的工藝，噴涂的精度高和響應速度快。并且，噴涂裝置采用一個噴霧閥、兩個噴射閥和一個電機助推式擠壓噴頭或壓電噴頭。噴霧閥將噴涂液霧化以后噴出，液體與空氣接觸面積增大，能使溶劑迅速揮發(fā)提高了成形效率，并可使噴涂細胞與已有表面可靠結(jié)合，可實現(xiàn)單層細胞的噴涂，且噴幅尺寸較大，噴涂效率高；噴射閥可以將噴涂溶液以線狀噴出成形不同材料的支架；也可以點狀噴出用于精確噴涂，實現(xiàn)細胞的精確定位。
[0032]④本發(fā)明具有多自由度運動，能精確加工圓及圓環(huán)截面，并且，噴閥的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺表面之間的相對角也可以改變，能對成形體側(cè)表面進行噴涂，方便復雜曲面的制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備實施例的三維結(jié)構(gòu)簡圖。
[0034]圖2是噴閥掛架示意圖。
[0035]圖3是噴閥選取裝置示意圖。
[0036]圖4是噴涂裝置示意圖。
[0037]圖5是本發(fā)明一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法控制線路圖。
[0038]圖6是噴閥掛架、噴閥選取裝置和噴涂裝置三者位置關(guān)系圖。
[0039]圖7是本發(fā)明一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法工作流程示意圖。[0040]圖中:101-噴閥選取裝置；102_支架；103-噴涂裝置；104_噴閥掛架；105_旋轉(zhuǎn)成形臺；106-偏轉(zhuǎn)臺；107-升降臺；108-X向運動機構(gòu)；109-Y向運動機構(gòu)；110-滅菌裝置；111-電氣控制柜；112-控制單元；113-高壓氣體源；201_支撐板；202_磁鐵；203_懸掛桿；301-定位銷；302_定位板；303-電動夾鉗；401_定位孔；402_噴涂溶液針筒；403_溫度控制器；404_噴射閥；405-點狀光源；406_連接板；407_磁鐵；408_直線軸承；409_底板；502-協(xié)議轉(zhuǎn)換器；503_板卡電源；504-1/0控制器；505_噴射閥控制器；506_壓電噴頭控制器；507_電機電源；508-Χ向控制驅(qū)動器；509-Χ向步進電機；510_Υ向控制驅(qū)動器；511_Υ向步進電機。
【具體實施方式】
[0041]為了進一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0042]本工藝方法采用基于光固化的多噴頭技術(shù)將聚氨酯丙烯酸酯和光觸發(fā)劑水溶液排列到設(shè)定位置，在波長300-600nm光束的照射下固化形成支架，其次將含不同細胞的高分子溶液(聚乙二醇丙烯酸酯/細胞溶液/光觸發(fā)劑溶液)噴涂到支架表面的不同位置形成細胞層，然后將聚氨酯或PLGA溶液以霧狀形態(tài)噴出，在成形體外表面形成一層保護膜。按照設(shè)定的成形步驟，最終制造出具有空間復雜形狀和空隙結(jié)構(gòu)的含多種細胞的器官前體。
[0043]圖1是本發(fā)明的一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備實施例的三維結(jié)構(gòu)簡圖，該系統(tǒng)包括噴閥選取裝置101、支架102、噴涂裝置103、噴閥掛架104、旋轉(zhuǎn)成形臺105、偏轉(zhuǎn)臺106、升降臺107、X向運動機構(gòu)108、Y向運動機構(gòu)109、滅菌裝置110、電氣控制柜111、控制單元112以及高壓氣體源113。
[0044]噴閥選取裝置101、支架102、噴涂裝置103、噴閥掛架104、旋轉(zhuǎn)成形臺105、偏轉(zhuǎn)臺106、升降臺107、X向運動機構(gòu)108、Y向運動機構(gòu)109、滅菌裝置110設(shè)置在殼體；電氣控制柜111、控制單元112、高壓氣體源113設(shè)置在殼體外。
[0045]本發(fā)明可實現(xiàn)多自由度運動，包括X向、Y向和Z向三個直線運動，還有圍繞Z向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動和圍繞Y向的偏轉(zhuǎn)運動。
[0046]本發(fā)明共安裝有四套噴涂裝置，四套噴涂裝置的噴涂設(shè)備分別是一個氣動噴霧閥、兩個氣動噴射閥和一個電機助推式擠壓噴頭或壓電噴頭，四套噴涂裝置之間是相互獨立運動。
[0047]四套噴涂裝置均通過圖2所示的噴閥掛架104懸掛在支架102上。噴閥掛架104包括四個掛架單元，分別獨立承載四套噴涂裝置。每個掛架單元由支撐板201、磁鐵202和懸掛桿203三部分組成。每個懸掛單元的兩根懸掛桿203與噴涂裝置103的兩個直線軸承408對應插入，每個懸掛單元對應停放一套噴涂裝置103，支撐板201通過螺釘安裝在支架102 上。
[0048]每套噴涂裝置都有包括一組直線軸承408，噴涂裝置103停放在噴發(fā)掛架104上時，懸掛桿203插入直線軸承408中，然后支撐板201上的磁鐵202和噴閥上的磁鐵407相互吸附，兩者的吸引力可使噴涂裝置103和噴閥掛架104之間保持一定的穩(wěn)定性而不松動。
[0049]噴閥選取裝置101固定安裝在X向運動機構(gòu)108上，X向運動機構(gòu)108安裝在位于支架102頂部的Y向運動機構(gòu)109上并沿Y向運動；所述的噴涂裝置103包括多個氣動噴涂閥和壓電噴頭；高壓氣體源113分別通過氣體管路與噴閥控制器和噴涂溶液針筒相連接，所述的控制單元112通過控制線路經(jīng)電氣控制柜111分別與噴閥控制器和溫度控制器相連接。噴閥控制器輸出氣體與噴涂溶液針筒402輸出的溶液匯聚于噴涂閥404使溶液噴出。
[0050]噴涂裝置103停放在噴閥掛架104上，噴閥選取裝置101固定安裝在X向運動機構(gòu)108上，噴閥選取裝置101通過夾緊或松開噴涂裝置103的連接板406之相連接或斷開，以此達到選擇不同的噴涂裝置的目的。噴閥選取裝置101的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包括定位銷301、定位板302和電動夾鉗303。電動夾鉗303使用步進電機為動力源，以此進行張開和閉合的動作，此外電動夾鉗303還包括一套氣缸,可以在電動夾鉗閉合的時候保持一定的恒定力。
[0051]圖6是噴閥掛架104、噴閥選取裝置101和噴涂裝置103三者位置關(guān)系圖。噴涂裝置103通過懸掛桿203懸掛在噴閥掛架104上。在選擇設(shè)定的噴涂裝置時，X向運動機構(gòu)108和Y向運動機構(gòu)109帶動安裝在其上的噴閥選取裝置101至設(shè)定位置，定位銷301插入噴涂裝置103的定位孔401內(nèi)，使兩者在X向和Z向準確定位，噴閥選取裝置101繼續(xù)沿Y向運動直至噴涂裝置103背部與定位板302貼合，兩者在Y向上定位結(jié)束，然后電動夾鉗303啟動，卡緊噴涂裝置103的連接板406兩端的卡槽將兩者準確牢固的固定在一起。
[0052]本發(fā)明所安裝的四套噴涂裝置中，有三套噴涂裝置為氣動噴涂閥，其中一套安裝有噴霧閥可將噴涂溶液以霧狀形態(tài)噴出，兩套安裝有噴射閥可將噴涂溶液以絲狀或點狀形態(tài)噴出。噴射閥兩側(cè)安裝的點狀光源405同時照射噴出的噴涂材料，使其快速固化。三個氣動噴閥均以高壓氣體為噴涂動力源。
[0053]本發(fā)明中使用的氣路結(jié)構(gòu)包括空壓機、壓力表、儲氣罐、冷卻器、過濾器、噴閥控制器、噴射閥?？諌簷C產(chǎn)生高壓空氣，然后高壓空氣輸送到儲氣罐存儲，儲氣罐不僅有儲存壓縮氣體的功能，也可以降低壓縮氣體壓力的波動。壓力表顯示儲氣罐中的氣體壓力值。儲氣罐送出的高壓空氣具有很高的溫度，需要經(jīng)冷卻器將其溫度降低到符合工作要求的溫度值，然后再有過濾器將高壓空氣中的水、油以及其他雜質(zhì)顆粒進行徹底的過濾。經(jīng)過濾器過濾后符合要求的高壓氣體被分成兩路，其中一路和噴涂溶液針筒接通，含光敏材料的高分子溶液裝在噴涂溶液針筒中，高壓氣體給噴涂溶液針筒中的液體提供壓力，噴涂溶液針筒的出液口和噴射閥的進液口連接，含光敏材料的高分子溶液在此壓力下會流向噴射閥。另一路經(jīng)空氣過濾器過濾后符合要求的高壓氣體接通到噴閥控制器上，從噴閥控制器出來的高壓氣體連通到噴射閥進氣口。在控制單元112的控制下，噴射閥404兩側(cè)的兩支點狀光源405也開啟工作，同時照射噴射閥404噴出的絲狀含光敏材料的高分子溶液，使其快速固化成形。
[0054]圖4是安裝有點狀光源的噴涂裝置示意圖，噴涂材料如聚氨酯丙烯酸酯/細胞溶液/光觸發(fā)劑水溶液等放置在噴涂溶液針筒402內(nèi)，在噴涂溶液針筒402外部安裝用于保溫的溫度控制器403，噴射閥404兩側(cè)的兩支點狀光源405照射用于將噴射閥404噴出的材料迅速固化成形。
[0055]控制單元112的控制下選定的噴涂裝置開始工作可對所需噴涂的材料進行精確定位，使各種不同材料，包括高粘度凝膠、漿料、溶液，和低粘度含細胞溶液、高分子溶液噴涂在設(shè)定的空間位置上。在實現(xiàn)兩種以上細胞和支架材料三維受控組裝。[0056]X向運動機構(gòu)108由滾珠絲杠副、直線導軌、滑塊、聯(lián)軸器和步進電機組成。其中，滾珠絲杠和直線導軌的兩端分別固定在Y向運動裝置108左右兩側(cè)的滑塊上，步進電機通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠相聯(lián)結(jié)。
[0057]升降臺107安裝在支架底部，在升降臺107的頂部安裝可圍繞Y軸進行正負30度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)臺106，旋轉(zhuǎn)成形臺105安裝在偏轉(zhuǎn)臺106的頂部，旋轉(zhuǎn)成形臺105可以繞Z向進行全向旋轉(zhuǎn)。
[0058]通過旋轉(zhuǎn)成形臺105和偏轉(zhuǎn)臺106的配合運動，噴閥的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺105表面之間的相對角可以改變，能對成形體側(cè)表面進行噴涂，方便復雜曲面的制造。
[0059]滅菌裝置110，使用高功率紫外線滅菌裝置，可對一些生物材料和整個系統(tǒng)內(nèi)部進行消毒。滅菌裝置安裝在支架102的右側(cè)。
[0060]支架102外面按需要可安裝殼體，殼體實現(xiàn)適當?shù)姆忾]和必要的保護，確保整個加工制造過程的順利進行和復雜組織、器官制造的無菌環(huán)境，并實現(xiàn)接地保護、通風隔熱等功能。
[0061]控制單元112，提供友好的用戶操作界面，解析處理待成形三維文件，輸出正確運動和噴涂啟停命令，補償機械 偏差、校準噴頭和測試設(shè)備的工作狀態(tài)等。
[0062]本發(fā)明一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法控制線路如圖5所示，使用CAN總線控制方式，本發(fā)明所使用的5個步進電機均通過控制驅(qū)動器與總線連接，以接受控制單元112的控制信號，如X向步進電機509通過X向控制驅(qū)動器508與總線連接；噴閥控制器則需通過I/O控制器504與總線連接，如噴射閥控制器505通過I/O控制器504與總線連接，接受控制單元112的信號，進而通過氣路的通斷來控制噴射閥404的啟停。
[0063]實施例2:在實際應用中，多套噴涂裝置中使用的噴涂設(shè)備包含的多個噴頭采用氣動噴頭、電機助推式或是壓電噴頭將光敏材料和光觸發(fā)劑溶液以絲狀擠壓或是噴出，在噴頭的兩側(cè)安裝點狀光源照射噴出的材料，將其固化。此外，也可以取消噴閥掛架104和噴閥選取裝置101，將多套噴涂裝置集成固定安裝X向運動結(jié)構(gòu)108上，在控制單元112的控制下同時運動，但每一時刻只有一套噴涂裝置擠壓、噴出材料。
[0064]結(jié)合圖7，實施例1的工作原理和工作過程，敘述如下:
[0065]選擇實驗的材料，按照合適的比例配置，制成成形材料備用。
[0066]將含光敏材料的高分子溶液裝入噴涂溶液針筒402中，所述含光敏材料的高分子溶液為含聚氨酯丙烯酸酯和樟腦醌的水溶液，其中聚氨酯丙烯酸酯質(zhì)量濃度為30%_60%，光觸發(fā)劑樟腦醌質(zhì)量濃度為3%-5% ；
[0067]其次，從病人身上提取幾種相關(guān)細胞，如脂肪干細胞、肝細胞、星狀細胞。準備種細胞生長因子，如內(nèi)皮細胞生長因子和生物相容性優(yōu)良的生物材料。將上述一種細胞和一種生長因子溶液或天然高分子溶液混合制成含細胞和光敏材料的高分子溶液。所述的含細胞和光敏材料的高分子溶液為含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明膠、生長因子和細胞的水溶液，聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中質(zhì)量濃度分別為30%-60%和5%-10%，明膠質(zhì)量濃度為0.lg/ml，生長因子質(zhì)量濃度為10-50ng/ml，細胞濃度為I X IO5個/ml_l X IO7個/ml，其中所述的細胞是肝細胞、脂肪干細胞和腎臟細胞等多種細胞中的一種或者組合。將含細胞和光敏材料的高分子溶液分別裝入相應噴涂溶液針筒中。
[0068]聚氨酯或PLGA溶液為聚氨酯或PLGA溶于有機溶劑制成濃度為1%_30%的溶液，有機溶劑采用二甲基亞砜、四乙二醇或1.4 二氧六環(huán)，將聚氨酯或PLGA溶液裝入相應的噴涂溶液針筒中。
[0069]高分子光敏材料經(jīng)噴涂裝置103噴出形成支架，含脂肪干細胞和細胞生長因子的高分子溶液經(jīng)噴射閥噴出形成模擬血管系統(tǒng)的內(nèi)皮層，含肝細胞和星狀細胞的高分子溶液噴出形成肝小葉結(jié)構(gòu)中的不同肝功能細胞層，用安裝有噴霧閥的噴涂裝置將聚氨酯或PLGA溶液噴涂到所成形的肝細胞層內(nèi)外圍，使成形結(jié)構(gòu)的機械性能與肝臟動脈、靜脈血管的機械性能相匹配。
[0070]利用三維建模軟件建立肝臟葉片三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成型的NC代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計算機控制軟件。
[0071]加工前先啟動滅菌裝置110，給整個殼體內(nèi)環(huán)境滅菌。
[0072]設(shè)定偏轉(zhuǎn)臺106、升降臺107、X向運 動機構(gòu)108和Y向運動機構(gòu)109的初始坐標。
[0073]啟動溫度控制器403，使噴涂溶液針筒402內(nèi)部溫度達到實驗設(shè)定值并維持恒定。
[0074]由控制單元112根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制運動機構(gòu)的運動參數(shù)，通過噴閥選取裝置101選擇設(shè)定的噴涂裝置，然后設(shè)定的噴涂裝置開始工作，從噴涂裝置中噴射出來的材料在點狀光源405的照射下迅速凝固且相互粘結(jié)在一起，堆積成形。隨著每一層的堆積完成，旋轉(zhuǎn)成形臺105在升降臺107的帶動下下降一個特定高度，中間要更換不同的成形材料時，通過控制單元112啟動切換噴閥的程序，控制升降臺107下降一定的距離，然后根據(jù)噴涂裝置之間的位置關(guān)系，控制噴閥選取裝置101到設(shè)定位置，選取并固定相應的噴涂裝置，再使升降臺107上升同等的距離，繼續(xù)受控成形。
[0075]若需要加工圓環(huán)類結(jié)構(gòu)時，在控制單元112的控制下，運動機構(gòu)帶動和噴閥選取裝置固定在一起的噴涂裝置103運動到設(shè)定位置，啟動旋轉(zhuǎn)成形臺105，旋轉(zhuǎn)成形臺105圍繞其中心軸進行旋轉(zhuǎn)運動。等旋轉(zhuǎn)成形臺105旋轉(zhuǎn)一周后，然后升降臺107再下降一定的高度即可連續(xù)成形。
[0076]若需要在加工結(jié)構(gòu)表面噴涂另一層材料時，啟動偏轉(zhuǎn)臺106偏轉(zhuǎn)設(shè)定的角度，然后旋轉(zhuǎn)成形臺105開始轉(zhuǎn)動，此時安裝有噴霧閥的噴涂裝置啟動工作，在設(shè)定的時間后升降臺107啟動下降一定的高度，這樣即可在在加工結(jié)構(gòu)表面噴涂另一層材料。
[0077]不同材料在旋轉(zhuǎn)成形臺105上表面成形以后，依照程序?qū)⒊蓢娡垦b置103移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0078]本發(fā)明所述的一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備及方法，其優(yōu)點在于:可以實現(xiàn)在常溫環(huán)境下使多種光敏材料和多種細胞在空間位置上的準確定位，實現(xiàn)復雜曲面的制造和噴涂，大幅提高細胞的成活率并簡化了成形工藝。
[0079]以上舉較佳實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍應以本發(fā)明申請范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備，所述設(shè)備含有支架(102)、控制單元(112)、旋轉(zhuǎn)成形臺(105)、升降臺(107)、噴涂裝置(103)和滅菌裝置(110)以及安裝在支架頂部的X向運動機構(gòu)(108)和Y向運動機構(gòu)(109)，所述的升降臺(107)安裝在支架(102)底部，X向運動機構(gòu)(108)安裝在Y向運動機構(gòu)(109)上，其特征在于:該設(shè)備還包括噴閥掛架(104)、噴閥選取裝置(101)和偏轉(zhuǎn)臺(106);所述的噴涂裝置(103)懸掛在噴閥掛架(104)上，噴涂裝置(103)至少采用3套；噴閥掛架(104)固定在支架(102)上，噴閥選取裝置(101)固定安裝在X向運動機構(gòu)(108)上，偏轉(zhuǎn)臺(106)安裝在升降臺(107)上；所述的旋轉(zhuǎn)成形臺(105)安裝在偏轉(zhuǎn)臺(106)的頂部；每套噴涂裝置(103)包括設(shè)置在底板(409)上的噴頭、噴涂溶液針筒(402)、連接板(406)、直線軸承(408)和兩個波長為300_600nm的點狀光源(405)，點狀光源布置在噴頭兩側(cè)，使兩束光同時照射在噴頭噴出的含有光敏材料的高分子溶液上。
2.如權(quán)利要求1所述一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備，其特征在于:所述的噴閥選取裝置(101)包括定位銷(301 )、定位板(302)和電動夾鉗(303);電動夾鉗(303)與噴涂裝置(103)的連接板(406)相配合；定位銷(301)與噴涂裝置(103)的連接板(406)上的定位孔(401)相配合。
3.如權(quán)利要求1所述一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備，其特征在于:所述噴頭包括氣動噴頭、電機助推式噴頭和壓電噴頭。
4.如權(quán)利要求3所述一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備，其特征在于:所述的氣動噴頭包括噴霧閥和 噴射閥中的一種或兩種的組合，氣動噴頭通過氣體管路與高壓氣體源(113)相連接。
5.如權(quán)利要求1所述一種基于光固化的組織器官前體組裝設(shè)備，其特征在于:噴閥掛架(104)包括多個懸掛單兀,每個懸掛單兀由支撐板(201)、磁鐵(202)和兩個懸掛桿(203)組成；每個懸掛單元的兩根懸掛桿(203)與噴涂裝置(103)的兩個直線軸承(408)對應插入，支撐板(201)固定安裝在支架(102)上。
6.采用如權(quán)利要求1所述裝置的一種基于光固化的組織器官前體組裝方法，其特征在于該方法包括如下步驟: O噴閥選取裝置(101)在控制單元(112)的控制下，首先選擇并卡緊一套裝有不含細胞但含有光敏材料的高分子溶液的噴涂裝置，使兩個波長為300-600nm的點狀光源(405)出射的兩束光同時照射在噴頭噴出的高分子溶液上，固化并形成組織器官三維結(jié)構(gòu)支架； 2)噴閥選取裝置(101)將步驟I)中所使用的噴涂裝置放回噴閥掛架(104)，選擇并卡緊另一套裝有含細胞和光敏材料的高分子溶液的噴涂裝置，在步驟I)形成的組織器官三維結(jié)構(gòu)支架表面噴涂并形成細胞層； 3)噴閥選取裝置(101)將步驟2)中所使用的噴涂裝置放回噴閥掛架(104)，選擇并卡緊另一套裝有聚氨酯或PLGA溶液的噴涂裝置，然后將聚氨酯或PLGA溶液以霧狀形態(tài)噴出，在成形體外表面形成一層保護膜，最終制造出具有空間復雜形狀和多種細胞的組織器官前體。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于光固化的組織器官前體組裝方法，其特征在于:步驟I)中所述的不含細胞但含有光敏材料的高分子溶液為含水溶性聚氨酯丙烯酸酯和樟腦醌的水溶液，其中水溶性聚氨酯丙烯酸酯質(zhì)量濃度為30%-60%，樟腦醌質(zhì)量濃度為3%-5% ；步驟2) 中所述的含細胞和光敏材料的高分子溶液為含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明膠、生長因子和細胞的水溶液，其中聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中質(zhì)量濃度分別為30%-60%和5%-10%，明膠的質(zhì)量體積濃度為0.05g-0.5g/ml,生長因子質(zhì)量體積濃度為10-50ng/ml，細胞濃度為I X IO5個/ml_l X IO7個/ml，其中所述的細胞是肝細胞、脂肪干細胞或星狀細胞中的一種或幾種的組合；步驟3)中所述的聚氨酯或PLGA溶液為聚氨酯或PLGA溶于有機溶劑制成質(zhì)量濃度為1%-30%的溶液；所述的有機溶劑采用二甲基亞砜、四乙二醇或1.4 二氧六環(huán)。
【文檔編號】A61F2/02GK103536373SQ201310499897
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】王小紅, 劉利彪 申請人:清華大學