本發(fā)明涉及一種打印裝置、打印方法及人工皮膚，且特別是涉及一種三維組織打印裝置、三維組織打印方法及人工皮膚。

背景技術(shù)：

隨著電腦輔助制造(Computer-Aided Manufacturing,CAM)的進(jìn)步，制造業(yè)發(fā)展了三維打印技術(shù)，能很迅速的將設(shè)計(jì)原始構(gòu)想制造出來。立體打印技術(shù)實(shí)際上是一系列快速原型成型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理都是積層制造。

積層制造是一種快速成形的技術(shù)，制作程序是通過電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD)建立三維模型，再將該模型從水平方向以微小間格分割成多個(gè)截面，接著利用制造設(shè)備將液體、粉末、條狀或片狀材料依照截面形狀逐層打印、固化與接合，進(jìn)而堆積成實(shí)體。傳統(tǒng)切削加工是以“減法”將塊材不要的部分去除，而積層制造是以“加法”將需要的部分以類似打印的方式堆積成三維結(jié)構(gòu)，因此也被稱為三維打印技術(shù)。

上述三維打印技術(shù)能夠克服工具機(jī)無法完成的復(fù)雜幾何圖形，又可快速地做出無形狀限制的原型，因此受到市場青睞。經(jīng)過多年發(fā)展，從過去主要制作聚合物材質(zhì)的原型件，發(fā)展到制造金屬與復(fù)合材質(zhì)的工業(yè)用品與工具，也可以加工制作生醫(yī)材料，生物醫(yī)學(xué)(biomedical)所需的產(chǎn)品，如醫(yī)療輔助器具、組織工架用支架(scaffold)等。在其中，組織再生、重建技術(shù)是醫(yī)療方案中最具挑戰(zhàn)性的發(fā)展方向，技術(shù)的成功對(duì)人類的效益也是最大。

組織工程技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有超過20年以上的時(shí)間，但是一直無法有很好的突破，最大的原因在于現(xiàn)有的技術(shù)無法制備生產(chǎn)出復(fù)雜而且具備功能的組織結(jié)構(gòu)。三維組織打印技術(shù)讓組織工程技術(shù)有新的發(fā)展曙光，在概念上，三維組織打印技術(shù)可以在三維空間的每一個(gè)點(diǎn)上，呈現(xiàn)出組織中細(xì)胞、細(xì)胞間質(zhì)與活性分子的正確位置，并依個(gè)人化需求，制作不同外型、不同細(xì)胞或活 性分子密度的產(chǎn)品。組織打印的構(gòu)想，雖然整體概念已經(jīng)成形，就現(xiàn)存的打印組織的機(jī)臺(tái)而言，打印出來的產(chǎn)品只是具備組織外型的高分子組織彌補(bǔ)物，但是如何針對(duì)細(xì)胞提供適當(dāng)生長環(huán)境的組織結(jié)構(gòu)仍有許多需要突破的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種三維組織打印裝置，其能提供三維組織結(jié)構(gòu)完整性與機(jī)械強(qiáng)度，也將打印微結(jié)構(gòu)精密度提高到細(xì)胞的20-200微米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而還能維持打印之后的細(xì)胞功能，以避免細(xì)胞基因突變與功能變異。

本發(fā)明提供一種三維組織打印方法，由此方式而能建立一三維組織結(jié)構(gòu)，此三維組織結(jié)構(gòu)能提供組織足夠的機(jī)械強(qiáng)度，也將打印微結(jié)構(gòu)精密度提高到細(xì)胞的20-200微米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建構(gòu)適合細(xì)胞生長條件的三維組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供一種人工皮膚，以前述三維組織打印裝置及方法所打印形成，此設(shè)備與方法能客制化打印，并且，此人工皮膚含生長因子，可促進(jìn)皮膚生長。

本發(fā)明的一實(shí)施例提出一種三維組織打印裝置，三維組織打印裝置包括一三維移動(dòng)平臺(tái)、一滴注單元以及一承載單元。滴注單元連接于三維移動(dòng)平臺(tái)，滴注單元包含一大支架打印裝置與一小支架打印裝置，其中大支架打印裝置又包含一溫控調(diào)節(jié)模塊及用來填充一溫度反應(yīng)型材料，而小支架打印裝置包含一材料。承載單元連接于三維移動(dòng)平臺(tái)，且承載單元與滴注單元彼此相對(duì)，承載單元包括一加熱元件，其中，溫控調(diào)節(jié)模塊用以冷卻溫度反應(yīng)型材料，三維移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)大支架打印裝置，大支架打印裝置將冷卻后的溫度反應(yīng)型材料擠出至承載單元上，加熱元件加熱冷卻后的溫度反應(yīng)型材料以形成一第一打印體，小支架打印裝置通以電壓，小支架打印裝置與承載單元間產(chǎn)生電壓差，使小支架打印裝置內(nèi)的材料形成一細(xì)微噴注流，三維移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)小支架打印裝置，使細(xì)微噴注流打印在第一打印體上而形成一第二打印體，第一打印體與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一實(shí)施例提出一種三維組織打印方法，三維組織打印方法包括以下步驟。進(jìn)行一大支架打印，以形成一第一打印體。進(jìn)行一小支架打印，在第一打印體上形成一第二打印體，其中，第一打印體與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一實(shí)施例提出一種人工皮膚，人工皮膚包括一第一打印體、一第二打印體以及多個(gè)人體纖維母細(xì)胞。第一打印體以一溫度反應(yīng)型材料所構(gòu)成，其中經(jīng)由冷卻溫度反應(yīng)型材料并固化而成第一打印體。第二打印體，以一材料所構(gòu)成，其中經(jīng)施加電壓，使材料形成一細(xì)微噴注流，細(xì)微噴注打印在第一打印體上而形成一第二打印體，且第一打印體與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。多個(gè)人體纖維母細(xì)胞位于第一打印體與第二打印體之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)。

基于上述，在本發(fā)明的三維組織打印裝置、三維組織打印方法與人工皮膚中。第一打印體以溫度反應(yīng)型材料所構(gòu)成，溫度反應(yīng)型材料為經(jīng)由冷卻而呈流動(dòng)狀態(tài)，呈流動(dòng)狀態(tài)的溫度反應(yīng)型材料在承載板移動(dòng)打印，并經(jīng)加熱固化而成第一打印體，以提供具備強(qiáng)度的主支架。接著，經(jīng)由施加電壓使材料形成細(xì)微噴注流，此細(xì)微噴注打印在第一打印體上而形成第二打印體，此第二打印體提供細(xì)胞連結(jié)，且由于小支架打印裝置的線寬比較細(xì)小，得以建構(gòu)在第一打印體之間，而與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)，以提供足夠的強(qiáng)度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的三維組織打印裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明的滴注單元與Z軸驅(qū)動(dòng)元件的局部示意圖；

圖3為本發(fā)明的滴注單元的示意圖；

圖4為圖3的滴注單元的局部構(gòu)件的示意圖；

圖5為圖3的快拆壓板組件與驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)部分構(gòu)件的示意圖；

圖6為圖3的溫控調(diào)節(jié)模塊與針筒壓板的示意圖；

圖7為圖3的溫控調(diào)節(jié)模塊與注射裝置的剖面示意圖；

圖8為本發(fā)明的小支架打印裝置的注射裝置的示意圖；

圖9為圖8的小支架打印時(shí)的示意圖；

圖10為本發(fā)明的三維組織打印的示意圖；

圖11為本發(fā)明三維組織打印方法的流程圖；

圖12為圖11的大支架打印進(jìn)一步的流程示意圖；

圖13為圖11的小支架打印進(jìn)一步的流程示意圖；

圖14A至圖14D為觀察細(xì)胞位于小支架打印生長的示意圖；

圖15為本發(fā)明細(xì)胞位于支架疊層的示意圖；

圖16為一實(shí)際電場測試的細(xì)胞組織晶相圖；

圖17為小支架打印裝置的模擬示意圖。

符號(hào)說明

100 三維組織打印裝置

110 滴注單元

110a 大支架打印裝置

110b 小支架打印裝置

110c 細(xì)胞打印裝置

112 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)

112a 減速機(jī)

114 驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)

114a 固定件

114b 滾珠螺桿

114c 導(dǎo)桿

114d 上板

114e 側(cè)板

114f 底板

114g 連接件

114h 凹槽

114i 滾珠螺帽

114j 線性襯套

114k 第一磁性元件

114m 承靠板

116 快拆壓板組件

116a 壓板

116b 附壓紋螺帽

116c 推桿螺絲

116d 溝槽

116e 突出部

116f 第二磁性元件

117 針筒壓板

118 溫控調(diào)節(jié)模塊

118a 冷卻水環(huán)套

118b 容置部

118c 導(dǎo)冷墊圈

118d 冷卻內(nèi)環(huán)

118e O型環(huán)

118f 熱交換區(qū)

118g 第一溫度調(diào)節(jié)管路

118f 第二溫度調(diào)節(jié)管路

119 注射裝置

119a 注射推桿

119b 注射筒身

119c 針頭

119d 供料區(qū)

120 三維移動(dòng)平臺(tái)

122 X軸驅(qū)動(dòng)元件

122a X軸電纜護(hù)管

124 Y軸驅(qū)動(dòng)元件

124a Y軸電纜護(hù)管

124b Y軸線槽盒

126 Z軸驅(qū)動(dòng)元件

130 承載單元

140 加熱元件

150 基座

152 底部

154 左支柱

156 右支柱

158 基座背板

20 電場輔助系統(tǒng)

22 電源供應(yīng)器

24 電壓控制器

32 泰勒錐

34 細(xì)微噴注流

50 培養(yǎng)皿

60 第一打印體

70 第二打印體

80 人體纖維母細(xì)胞

D 針頭孔徑

L 針頭長度

H 距離

γ 液體的表面張力

Vc 臨界電壓

Z 培養(yǎng)皿與針頭尖部的距離

S200 三維組織打印方法

S210～S230 步驟

S212～S218 步驟

S222～S226 步驟

具體實(shí)施方式

以下謹(jǐn)結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明的三維組織打印裝置的示意圖。圖2為本發(fā)明的滴注單元與Z軸驅(qū)動(dòng)元件的局部示意圖。請(qǐng)先參閱圖1。在本實(shí)施例中，三維組織打印裝置100包括一滴注單元110、一三維移動(dòng)平臺(tái)120以及一承載單元130，其中滴注單元110連接于三維移動(dòng)平臺(tái)120，承載單元130連接于三維移動(dòng)平臺(tái)120，且承載單元130與滴注單元110彼此相對(duì)。

三維移動(dòng)平臺(tái)120包含一基座150、一X軸驅(qū)動(dòng)元件122、一Y軸驅(qū)動(dòng)元件124以及一Z軸驅(qū)動(dòng)元件126，其中X軸驅(qū)動(dòng)元件122、Y軸驅(qū)動(dòng)元件124與Z軸驅(qū)動(dòng)元件126分別設(shè)于基座150。

詳細(xì)而言，基座150包含一底部152、一左支柱154、一右支柱156以 及一基座背板158，其中左支柱154與右支柱156分別立設(shè)在底部152上，而基座背板158被左支柱154與右支柱156所夾固。

Y軸驅(qū)動(dòng)元件124位于底部152上。Y軸驅(qū)動(dòng)元件124包含一Y軸電纜護(hù)管124a以及一Y軸線槽盒124b。Y軸電纜護(hù)管124a位于Y軸驅(qū)動(dòng)元件124與Y軸線槽盒124b之間。

承載單元130位于Y軸驅(qū)動(dòng)元件124上，Y軸驅(qū)動(dòng)元件124能驅(qū)動(dòng)承載單元130沿著Y軸方向移動(dòng)。承載單元130包括一加熱元件140與一培養(yǎng)皿50。

X軸驅(qū)動(dòng)元件122及Z軸驅(qū)動(dòng)元件126分別架設(shè)于左支柱154與右支柱156上，其中X軸驅(qū)動(dòng)元件122包含一X軸電纜護(hù)管122a。

需說明的是，圖1所示的Z軸驅(qū)動(dòng)元件126被一板金件所覆蓋遮擋，由圖2可看出Z軸驅(qū)動(dòng)元件126的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。滴注單元110設(shè)于Z軸驅(qū)動(dòng)元件126，Z軸驅(qū)動(dòng)元件126能驅(qū)動(dòng)滴注單元110沿著Z軸方向移動(dòng)。滴注單元110包含一大支架打印裝置110a、一小支架打印裝置110b以及一細(xì)胞打印裝置110c，需說明的是，圖1中小支架打印裝置110b排列在大支架打印裝置110a與細(xì)胞打印裝置110c之間，然而本實(shí)施例不以此為限，端視實(shí)際情況而可調(diào)整大支架打印裝置110a、小支架打印裝置110b及細(xì)胞打印裝置110c排列順序。

圖3為本發(fā)明的滴注單元的示意圖。圖4為圖3的滴注單元的局部構(gòu)件的示意圖。圖5為圖3的快拆壓板組件與驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)部分構(gòu)件的示意圖。圖6為圖3的溫控調(diào)節(jié)模塊與針筒壓板的示意圖。請(qǐng)參閱圖2至圖6。

在本實(shí)施例中，滴注單元110包括一驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112、一驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114、一快拆壓板組件116、一針筒壓板117、一溫控調(diào)節(jié)模塊118以及一注射裝置119。

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112包含一減速機(jī)112a。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112連接于驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114。快拆壓板組件116設(shè)于驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114。溫控調(diào)節(jié)模塊118設(shè)于驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114。

注射裝置119包括一注射推桿119a、一注射筒身119b以及一針頭119c。注射筒身119b穿設(shè)于溫控調(diào)節(jié)模塊118，且如圖5所示針筒壓板117插入至溫控調(diào)節(jié)模塊118以扣住注射筒身119b。針頭119c位于注射筒身119b的一端，而注射推桿119a的一端可移動(dòng)地設(shè)于注射筒身119b，而注射推桿119a的另一端通過快拆壓板組件116而連接于驅(qū)動(dòng)平臺(tái)114。

請(qǐng)續(xù)參閱圖3至圖5。在本實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114包含一上板114d、一側(cè)板114e、一底板114f、一承靠板114m、兩導(dǎo)桿114c、一滾珠螺桿114b、一固定件114a、一連接件114g、兩線性襯套114j、一滾珠螺帽114i、一凹槽114h以及兩第一磁性元件114k。

如圖3及圖4所示，側(cè)板114e兩端分別垂直連接上板114d與底板114f，以構(gòu)成一容置空間，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112的減速機(jī)112a位于上板114d上，而承靠板114m位于上板114d下方，固定件114a、滾珠螺桿114b、兩導(dǎo)桿114c、兩線性襯套114j以及一滾珠螺帽114i(見圖5)位于此容置空間內(nèi)。

詳細(xì)而言，兩導(dǎo)桿114c位于滾珠螺桿114b兩側(cè)，兩線性襯套114j與滾珠螺帽114i分別固定于固定件114a，兩線性襯套114j位于滾珠螺帽114i兩側(cè)。兩導(dǎo)桿114c對(duì)應(yīng)套設(shè)于兩線性襯套114j，滾珠螺桿114b套設(shè)于滾珠螺帽114i。連接件114g連接于固定件114a。凹槽114h形成于連接件114g，而兩第一磁性元件114k位于凹槽114h內(nèi)。

快拆壓板組件116包含一壓板116a、兩附壓紋螺帽116b、一推桿螺絲116c、一溝槽116d、兩突出部116e以及兩第二磁性元件116f。

兩附壓紋螺帽116b分別設(shè)于壓板116a的兩側(cè)，推桿螺絲116c穿設(shè)兩附壓紋螺帽116b與壓板116a，且推桿螺絲116c一端連接于注射推桿119a。

在本實(shí)施例中，壓板116a本身為一馬蹄形結(jié)構(gòu)，壓板116a一端具有兩突出部116e，溝槽116d形成于壓板116a的兩突出部116e之間，兩第二磁性元件116f設(shè)于壓板116且兩第二磁性元件116f位于溝槽116d兩側(cè)。據(jù)此，兩第一磁性元件114k與兩第二磁性元件116f彼此相吸，使壓板116a接合至連接件114g。

如此配置之下，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114，且使?jié)L珠螺桿114b與滾珠螺帽114i相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因滾珠螺桿114b的兩端被固定旋轉(zhuǎn)，使得滾珠螺帽114i被滾珠螺桿114b旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)，與固定件114a在兩導(dǎo)桿114c與兩線性襯套114j上作上下Z軸方向直線運(yùn)動(dòng)，以推動(dòng)注射推桿119a沿著注射筒身119b內(nèi)移動(dòng)。在其他未繪示實(shí)施例中，可采用線性滑軌與滑塊的導(dǎo)引方式，或者可采用氣壓推動(dòng)的方式來推動(dòng)注射推桿在注射筒身內(nèi)移動(dòng)，本實(shí)施例不以此為限。

圖7為圖3的溫控調(diào)節(jié)模塊與注射裝置的剖面示意圖。請(qǐng)參閱圖2、圖3、圖6及圖7。

在本實(shí)施例中，溫控調(diào)節(jié)模塊118包含一冷卻水環(huán)套118a、一容置部118b、一導(dǎo)冷墊圈118c、一冷卻內(nèi)環(huán)118d、一O型環(huán)118e、一熱交換區(qū)118f、一第一溫度調(diào)節(jié)管路118g以及一第二溫度調(diào)節(jié)管路118f。

如圖2所示，第一溫度調(diào)節(jié)管路118g與第二溫度調(diào)節(jié)管路118f分別連通至冷卻水環(huán)套118a內(nèi)部，第一溫度調(diào)節(jié)管路118g與第二溫度調(diào)節(jié)管路118f得以對(duì)外連接一水源供應(yīng)裝置(未繪示)，在本實(shí)施例中，水源供應(yīng)裝置例如為一冰水主機(jī)，此冰水主機(jī)用以通過與冷媒作熱交換而能提供冰水。

請(qǐng)繼續(xù)參閱圖3、圖6及圖7，冷卻內(nèi)環(huán)118d設(shè)于冷卻水環(huán)套118a內(nèi)，且在冷卻水環(huán)套118a與冷卻內(nèi)環(huán)118d之間形成熱交換區(qū)118f，而第一溫度調(diào)節(jié)管路118g與第二溫度調(diào)節(jié)管路118f分別連通至熱交換區(qū)118f內(nèi)部。O型環(huán)118e位于冷卻水環(huán)套118a與冷卻內(nèi)環(huán)118d兩者之間，以防止液體(如上述冰水主機(jī)所提供的冰水)由冷卻水環(huán)套118a與冷卻內(nèi)環(huán)118d兩者之間交界處泄漏。導(dǎo)冷墊圈118c位于注射筒身119b前端與冷卻水環(huán)套118a之間，導(dǎo)冷墊圈118c將注射筒身119b內(nèi)的低溫溫度傳導(dǎo)至針頭119c，使針頭119c維持注射筒身119b內(nèi)的低溫溫度，而能增進(jìn)注射筒身119b內(nèi)溫度反應(yīng)型材料的保冷效果。

注射筒身119b位于冷卻內(nèi)環(huán)118d所形成的容置部118b內(nèi)。注射筒身119b內(nèi)具有一供料區(qū)119d。在本實(shí)施例中，此供料區(qū)119d能視不同的打印裝置而盛裝相對(duì)應(yīng)的材料。在一實(shí)施例中，如圖1所示的大支架打印裝置110a，供料區(qū)119d內(nèi)盛裝膠原蛋白的溫度反應(yīng)型材料。在另一實(shí)施例中，如圖1所示的小支架打印裝置110b，供料區(qū)119d內(nèi)可盛裝具揮發(fā)特性的高分子材料、添加溶解液的流動(dòng)態(tài)聚乳酸(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料。在其他實(shí)施例中，如圖1所示的細(xì)胞打印裝置110c，供料區(qū)119d內(nèi)則盛裝人體纖維母細(xì)胞。

在此配置之下，通過如一冰水主機(jī)(未繪示)將4℃的冰水由第一溫度調(diào)節(jié)管路118g進(jìn)入至熱交換區(qū)118f，并經(jīng)由第二溫度調(diào)節(jié)管路118h將4℃的冰水帶離出熱交換區(qū)118f，故能將4℃的冰水在熱交換區(qū)118f內(nèi)作循環(huán)，使溫控調(diào)節(jié)模塊118能維持在低溫。然而，本實(shí)施例不以此為限，在其他實(shí)施例中，溫控調(diào)節(jié)模塊可依據(jù)溫度控制需求而通以不同的流體，例如室溫以下的冰水、室溫以上的熱水、冷凍劑、燃煤油、或者各種可以進(jìn)行溫度熱交換反應(yīng)的流體。在另一實(shí)施例中，溫控調(diào)節(jié)模塊也可通過致冷芯片或電熱方 式來進(jìn)行冷卻或加熱的控制。

以上大致介紹完三維組織打印裝置的結(jié)構(gòu)后，接著介紹大支架打印裝置110a、小支架打印裝置110b以及細(xì)胞打印裝置110c，并可參閱10圖，圖10為本發(fā)明的三維組織打印的示意圖。

以大支架打印裝置110a而言，大支架打印裝置110a用來填充一溫度反應(yīng)型材料，溫度反應(yīng)型材料主要為一膠原蛋白。此膠原蛋白的特性為保存在4℃以下的溫度能呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，而經(jīng)加熱至37℃后此膠原蛋白呈現(xiàn)擬膠狀態(tài)，而溫度在4℃及37℃之間時(shí)此膠原蛋白也可以進(jìn)行可逆反應(yīng)。在其他實(shí)施例中，溫度反應(yīng)型材料可為一熱熔態(tài)材料、一添加溶解液的流動(dòng)態(tài)聚乳酸(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料。

在此配置之下，溫控調(diào)節(jié)模塊118用以冷卻溫度反應(yīng)型材料，三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)大支架打印裝置110a，大支架打印裝置110a將冷卻后的溫度反應(yīng)型材料擠出至承載單元130上，加熱元件140加熱冷卻后的溫度反應(yīng)型材料以形成如圖10所示一第一打印體60。

詳細(xì)而言，在大支架打印裝置110a打印第一打印體60的過程中，溫度反應(yīng)型材料容置于注射筒身119b的供料區(qū)119d(如圖7)內(nèi)，在本實(shí)施例中，溫度反應(yīng)型材料例如為膠原蛋白，注射筒身119b穿設(shè)于溫控調(diào)節(jié)模塊118，溫控調(diào)節(jié)模塊118通過前述冷卻的方式并能維持在4℃以下的低溫溫度，使注射筒身119b內(nèi)溫度反應(yīng)型材料呈流動(dòng)狀態(tài)，而冷卻的方式可如前述提及，在此不多加以贅述。

接著，推動(dòng)注射推桿119a而使冷卻后的溫度反應(yīng)型材料自針頭119c擠出至承載單元130，且通過導(dǎo)冷墊圈118c使得針頭119c能維持如4℃以下的低溫溫度，而能增進(jìn)注射筒身119b內(nèi)溫度反應(yīng)型材料的保冷效果。除此之外，通過三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)而讓針頭119c與承載單元130產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，再經(jīng)由加熱元件140加熱以固化冷卻后的溫度反應(yīng)型材料而形成第一打印體60，而經(jīng)固化后的第一打印體60能建立并提供具備強(qiáng)度的主支架。

以小支架打印裝置110b而言，圖8為本發(fā)明的小支架打印裝置的注射裝置的示意圖。圖9為圖8的小支架打印時(shí)的示意圖。請(qǐng)參閱圖1、圖8及圖9。三維組織打印裝置100還包含一電場輔助系統(tǒng)20，電場輔助系統(tǒng)20耦接于注射裝置119與承載單元130。

電場輔助系統(tǒng)20包含一電源供應(yīng)器21與一電壓控制器22。

小支架打印裝置110b用來填充一材料。所述材料例如為一具揮發(fā)特性的高分子材料、一添加溶解液的流動(dòng)態(tài)聚乳酸(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料。在其他實(shí)施例中，此材料也可為一固態(tài)抽絲、粉體或顆粒狀，而經(jīng)攪拌融化或熱熔處理后具流動(dòng)性的材料。

在此配置之下，小支架打印裝置110b通以電壓，小支架打印裝置110b的注射裝置119與承載單元130間產(chǎn)生電壓差，使小支架打印裝置110b內(nèi)的材料形成一細(xì)微噴注流，三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)小支架打印裝置110b，使細(xì)微噴注流打印在第一打印體60上而形成一第二打印體70，第一打印體60與第二打印體70之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)(如圖10所示)。

詳細(xì)而言，在小支架裝置110b打印第二打印體70的過程中，材料容置于注射筒身119b的供料區(qū)119d(如圖7)內(nèi)，通過三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)注射裝置119，使針頭119c與承載單元130在一距離H，其中距離H介于0.2mm至5mm之間。

電壓控制器22用以提供一電壓條件并經(jīng)由電壓供應(yīng)器21輸出至針頭119c，其中該電壓條件為供應(yīng)針頭119c與承載單元130之間的相對(duì)電壓差范圍介于10至30kV之間。在本實(shí)施例中，將針頭119c連接正電壓，然而本實(shí)施例不以此為限，在其他實(shí)施例中，針頭可為負(fù)電壓或接地為零電位。

接著，推動(dòng)注射推桿119a而使材料自針頭119c流出，由于材料表面將受牽引產(chǎn)生電荷極性，并在針頭119c頂端附近聚集，這些聚集的電荷因電荷間的排斥力，使材料在針頭119c頂端形成一泰勒錐(Taylor cone)32(如圖9所示)，并產(chǎn)生細(xì)微噴注流34從泰勒錐32噴出，且通過三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)而讓針頭119c與承載單元130產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，使細(xì)微噴注流打印34在第一打印體60上而形成第二打印體70(如圖10所示)，此第二打印體70能夠提供細(xì)胞連結(jié)。

相對(duì)于第一打印體60，由于小支架打印裝置110b所打印出的第二打印體70的線寬比較細(xì)小，能建構(gòu)在先前第一打印體60之間。如圖10所示，第二打印體70包含多個(gè)長條狀結(jié)構(gòu)，這些長條狀結(jié)構(gòu)在第一打印體60上呈垂直交叉相連的結(jié)構(gòu)，而第一打印體60包覆這些長條狀，以提供足夠的強(qiáng)度，并且，第二打印體70的這些長條狀結(jié)構(gòu)會(huì)與大支架結(jié)構(gòu)60之間交連形成多個(gè)細(xì)胞配置的空間，以提供細(xì)胞培養(yǎng)與增生的穩(wěn)定的生長環(huán)境。

以細(xì)胞打印裝置110c而言，細(xì)胞打印裝置110c用來填充一人體纖維母細(xì)胞80，人體纖維母細(xì)胞80容置于注射筒身119b的供料區(qū)119d(如圖7)內(nèi)。如此配置之下，三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)細(xì)胞打印裝置110c，使人體纖維母細(xì)胞80滴注在第一打印體60與第二打印體70之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)。并且通過三維移動(dòng)平臺(tái)120的Z軸驅(qū)動(dòng)元件126使細(xì)胞打印裝置110c進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如使細(xì)胞打印裝置110c作上下Z軸方向直線運(yùn)動(dòng))，使人體纖維母細(xì)胞80能進(jìn)行攪拌動(dòng)作，以提升細(xì)胞滴注的密度均勻性。

圖11為本發(fā)明三維組織打印方法的流程圖。請(qǐng)參閱圖11。本實(shí)施例的三維組織打印方法S200包含以下步驟S210至步驟S230。

需說明的是，三維組織打印方法S200包含一前置作業(yè)流程。

首先，提供如圖1所示的三維組織打印裝置100。

接著，打印參數(shù)設(shè)定，舉例而言，冷卻溫度設(shè)定、打印路徑設(shè)定、打印速度設(shè)定、電壓強(qiáng)度設(shè)定、針頭119c與承載單元130之間距離設(shè)定等參數(shù)。

而后，打印材料安裝。以大支架打印裝置110a為例。將溫度反應(yīng)型材料填充于注射筒身119b的供料區(qū)119d(如圖7)內(nèi)。如此大致完成前置作業(yè)流程。

進(jìn)行步驟S210，進(jìn)行一大支架打印，以形成一第一打印體。

步驟S210還包括以下步驟。如圖12所示，圖12為圖11的大支架打印進(jìn)一步的流程示意圖。

進(jìn)行步驟S212，提供一溫度反應(yīng)型材料。

溫度反應(yīng)型材料為一膠原蛋白。在其他實(shí)施例中，溫度反應(yīng)型材料可為一熱熔態(tài)材料、一添加溶解液的流動(dòng)態(tài)(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料。

接著，進(jìn)行步驟S214，冷卻溫度反應(yīng)型材料。

在冷卻溫度反應(yīng)型材料的步驟包含使溫度反應(yīng)型材料呈流動(dòng)狀態(tài)。以本實(shí)施例而言，冷卻溫度反應(yīng)型材料至4℃以下，并保存在4℃以下的溫度讓溫度反應(yīng)型材料呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。

接著，進(jìn)行步驟S216，擠出溫度反應(yīng)型材料。

以本實(shí)施例而言，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)112驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)114，使?jié)L珠螺桿114b與滾珠螺帽114i相對(duì)旋轉(zhuǎn)，因滾珠螺桿114b的兩端被固定旋轉(zhuǎn)，使得滾珠螺帽114i被滾珠螺桿114b旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)，與固定件114a在兩導(dǎo)桿114c與兩線性 襯套114j上作上下Z軸方向直線運(yùn)動(dòng)，以推動(dòng)注射推桿119a沿著注射筒身119b內(nèi)移動(dòng)，用于擠出注射筒身119b內(nèi)的溫度反應(yīng)型材料。在其他未繪示實(shí)施例中，可采用線性滑軌與滑塊的導(dǎo)引方式，或者可采用氣壓推動(dòng)的方式來推動(dòng)注射推桿119a在注射筒身119b內(nèi)移動(dòng)，本實(shí)施例不以此為限。

此外，上述擠出溫度反應(yīng)型材料的過程中，可通過三維移動(dòng)平臺(tái)120讓針頭119c移動(dòng)，而移動(dòng)路徑可為弓字線條、樹枝狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、同心圓或螺旋狀等形式，以形成所需的打印架構(gòu)，然而，本實(shí)施例不對(duì)此加以限制，端視實(shí)際需求而可調(diào)整打印架構(gòu)。

接著，進(jìn)行步驟S218，固化溫度反應(yīng)型材料。

在固化溫度反應(yīng)型材料的步驟包含加熱使溫度反應(yīng)型材料呈擬膠狀態(tài)，如此形成第一打印體，以提供具備強(qiáng)度的主支架。

復(fù)參閱圖11，進(jìn)行步驟S220，進(jìn)行一小支架打印，在第一打印體上形成一第二打印體，其中，第一打印體與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。

需說明的是，當(dāng)進(jìn)行完步驟S210后，會(huì)再回到前置作業(yè)流程。此時(shí)打印參數(shù)設(shè)定中，需要重新調(diào)整打印路徑設(shè)定、打印速度設(shè)定、電壓強(qiáng)度設(shè)定、針頭119c與承載單元130之間距離H設(shè)定等參數(shù)，其中距離H介于0.2mm至5mm之間。

在打印材料安裝時(shí)。以小支架打印裝置110b為例，將具揮發(fā)特性的高分子材料、一添加溶解液的流動(dòng)態(tài)聚乳酸(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料，或者為一固態(tài)抽絲、粉體或顆粒狀，而經(jīng)攪拌融化或熱熔處理后具流動(dòng)性的材料，填充于注射筒身119b的供料區(qū)119d(如圖7)內(nèi)。

步驟S220還包括以下步驟。如圖13所示，圖13為圖11的小支架打印進(jìn)一步的流程示意圖。

首先，進(jìn)行步驟S222，施加一電壓。接著，進(jìn)行步驟S224，使小支架打印的一材料產(chǎn)生靜電聚集。步驟S226在電荷牽引的作用下形成一微細(xì)噴注流。

以本實(shí)施例而言，小支架打印裝置110b通以電壓，小支架打印裝置110b與承載單元130間產(chǎn)生電壓差，使小支架打印裝置110b內(nèi)的材料形成一細(xì)微噴注流，三維移動(dòng)平臺(tái)120移動(dòng)小支架打印裝置110b，使細(xì)微噴注流打印在第一打印體60上而形成如圖10所示一第二打印體70，此第二打印體70 提供細(xì)胞連結(jié)，第一打印體60與第二打印體70之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。

需說明的是，當(dāng)進(jìn)行完步驟S220后，會(huì)再回到前置作業(yè)流程。此時(shí)打印參數(shù)設(shè)定中，需要重新調(diào)整打印路徑設(shè)定、打印速度設(shè)定、電壓強(qiáng)度設(shè)定、針頭119c與承載單元130之間距離設(shè)定等參數(shù)。

復(fù)參閱圖11，進(jìn)行步驟S230，進(jìn)行一細(xì)胞打印，于第二打印體與第一打印體之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)滴注多個(gè)細(xì)胞。

進(jìn)行細(xì)胞打印的步驟包含攪拌該多個(gè)細(xì)胞，多個(gè)細(xì)胞為人體纖維母細(xì)胞，如圖11所示，人體纖維母細(xì)胞80位于第一打印體60與第二打印體70之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)。

如此重復(fù)步驟S210至步驟S230，重復(fù)打印程序而能形成一三維組織結(jié)構(gòu)。

請(qǐng)復(fù)參閱圖10。在本實(shí)施例中，第一打印體60以一溫度反應(yīng)型材料所構(gòu)成，溫度反應(yīng)型材料主要為一膠原蛋白，經(jīng)由冷卻溫度反應(yīng)型材料并固化而成第一打印體60。

第二打印體70以一材料所構(gòu)成，所述材料例如為一具揮發(fā)特性的高分子材料、一添加溶解液的流動(dòng)態(tài)聚乳酸(Polylactide,PLA)或聚己內(nèi)脂(polycaprolactone,PCL)等生物可分解材料。因此，經(jīng)施加電壓，使材料形成一細(xì)微噴注流，細(xì)微噴注打印在第一打印體60上而形成一第二打印體70，且第一打印體60與第二打印體60之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)。

多個(gè)人體纖維母細(xì)胞80位于第一打印體60與第二打印體60之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)。

圖14A至圖14D為觀察細(xì)胞位于小支架打印生長的示意圖。請(qǐng)復(fù)參閱圖14A至圖14D。在一實(shí)際應(yīng)用例中，此三維組織結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用在三維皮膚組織打印而形成一人工皮膚。以前述圖10為例，在本實(shí)施例中，第一打印體60采用膠原蛋白，第二打印體70采用生物可分解材料，而細(xì)胞采用人體纖維母細(xì)胞。細(xì)胞培養(yǎng)液采用胎牛血清。

經(jīng)過實(shí)際打印測試，圖14A代表以小支架打印成方格形狀，線寬為50～95μm。如圖14B所示，其為剛滴入纖維母細(xì)胞，此纖維母細(xì)胞呈球狀，圖14C的纖維母細(xì)胞貼覆呈現(xiàn)細(xì)長狀，而如圖14D表示纖維母細(xì)胞成功復(fù)制增生及連結(jié)。由圖14B至圖14D可看出，細(xì)胞可以維持打印的細(xì)胞功能并還能成功增生，足以證明此三維組織打印裝置與三維組織打印方法所制成 的組織結(jié)構(gòu)是能夠提供細(xì)胞培養(yǎng)與增生的穩(wěn)定的生長環(huán)境。當(dāng)應(yīng)用在三維皮膚組織打印而形成人工皮膚時(shí)，由于采用人體纖維母細(xì)胞，其含生長因子(growth factor)，通過生長因子可促進(jìn)皮膚生長，且無排他性。此外，如圖15所示，可看出本發(fā)明細(xì)胞位于支架疊層的示意圖。

圖16為一實(shí)際電場測試的細(xì)胞組織晶相圖。請(qǐng)參閱圖9與圖16。

如圖9所示，假定模擬條件會(huì)受到針頭長度L、針頭孔徑D及液體的表面張力γ的影響。由泰勒錐32的尖端噴出產(chǎn)生細(xì)微噴注流34的電壓稱為臨界電壓Vc，該電壓除以針頭119c至承載單元130的距離H為臨界電場E_c，其計(jì)算公式如下。

如圖17所示，圖17為培養(yǎng)皿50與針頭119c尖部的距離Z，與針頭孔徑D的比值，相對(duì)于電場的關(guān)系圖。在本實(shí)施例中，固定針長L假定為3mm，探討針頭孔徑D對(duì)噴印的影響，針頭孔徑D越小經(jīng)模擬可得電場越大細(xì)微噴注流34噴柱線寬越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相同趨勢?？紤]針頭制造的難易度，選定針頭119c尺寸為針頭孔徑D＝0.6mm，針頭長度L＝3mm，依分析結(jié)果在接收承載單元130的區(qū)域電場約為200kV/m，由該圖知培養(yǎng)皿50與針頭119c尖部的距離Z，與針頭孔徑D的比值，在1到10為最佳值。針對(duì)高壓電場對(duì)于細(xì)胞影響效果，進(jìn)行人體纖維母細(xì)胞滴定，此細(xì)胞在小支架打印裝置的針頭下，以200kV/m電場實(shí)際掃描10分鐘并培養(yǎng)48小時(shí)，經(jīng)觀察其細(xì)胞仍然可以增生，不受高電壓影響，如圖16所示的細(xì)胞組織晶相圖。但細(xì)胞打印裝置110c在打印細(xì)胞時(shí)不須加電壓，僅在小支架打印裝置110b在打印時(shí)需通以電壓。

綜上所述，在本發(fā)明的三維組織打印裝置、三維組織打印方法與人工皮膚中。第一打印體以溫度反應(yīng)型材料所構(gòu)成，溫度反應(yīng)型材料為經(jīng)由冷卻而呈流動(dòng)狀態(tài)，呈流動(dòng)狀態(tài)的溫度反應(yīng)型材料在承載板移動(dòng)打印，并經(jīng)加熱固化而成第一打印體，以提供具備強(qiáng)度的主支架。

接著，經(jīng)由施加電壓使材料形成細(xì)微噴注流，此細(xì)微噴注打印在第一打印體上而形成第二打印體，此第二打印體提供細(xì)胞連結(jié)，且由于小支架打印裝置的線寬比較細(xì)小，得以建構(gòu)在第一打印體之間，而與第二打印體之間交連形成一組織結(jié)構(gòu)并形成多個(gè)細(xì)胞配置的空間，此組織結(jié)構(gòu)通過第一打印體 而提供足夠的強(qiáng)度，并能提供細(xì)胞培養(yǎng)與增生的穩(wěn)定的生長環(huán)境。

再來，人體纖維母細(xì)胞滴注在第一打印體與第二打印體之間交連形成的組織結(jié)構(gòu)，重復(fù)打印程序而能形成一三維組織結(jié)構(gòu)，故能提供三維組織結(jié)構(gòu)完整性與機(jī)械強(qiáng)度，也將打印微結(jié)構(gòu)精密度提高到細(xì)胞的20-200微米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而還能維持打印之后的細(xì)胞功能，建構(gòu)適合細(xì)胞生長條件的三維組織結(jié)構(gòu)，用于避免細(xì)胞基因突變與功能變異。

再來，當(dāng)應(yīng)用在三維皮膚組織打印而形成人工皮膚時(shí)，以前述三維組織打印裝置及方法打印所形成的人工皮膚，由于采用人體纖維母細(xì)胞，使人工皮膚含生長因子，通過生長因子而可促進(jìn)皮膚生長，且無排他性。此外，由于本發(fā)明的三維組織打印裝置能設(shè)定三維移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)路徑，依據(jù)使用者的需求(如傷口的范圍)而形成所需的打印架構(gòu)，故能達(dá)到客制化打印皮膚組織，以完整貼附傷口，用于降低傷口感染的風(fēng)險(xiǎn)。

以上所述，僅記載本發(fā)明為呈現(xiàn)解決問題所采用的技術(shù)手段的優(yōu)選實(shí)施方式或?qū)嵤├?，并非用來限定本發(fā)明專利實(shí)施的范圍。即凡與本發(fā)明權(quán)利要求文義相符，或依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所涵蓋。