本發(fā)明涉及一種生物打印裝置和方法，特別是關(guān)于一種基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印裝置和方法。
背景技術(shù)：
：自20世紀80年代起，組織工程學這一概念被提出之后，其相關(guān)發(fā)展極大地促進了現(xiàn)代生物醫(yī)學的進步。其中，組織工程學的發(fā)展，很大程度上依賴于組織支架的構(gòu)建；而傳統(tǒng)的組織支架，受限于現(xiàn)有的材料成型技術(shù)，僅能獲得一些簡單的結(jié)構(gòu)。隨著三維打印技術(shù)的快速發(fā)展，諸多研究人員利用三維打印技術(shù)輔助組織工程，進一步應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，取得了重大進展。將細胞在打印過程中原位地放置在組織支架中，待成型后，于一定的培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)，可獲得預(yù)期的活性組織支架。利用這種可打印生物材料或細胞的三維打印機，研究人員可以將細胞定點定量地打印在組織支架中。目前，國內(nèi)外學者已陸續(xù)研發(fā)出多種不同原理的生物三維打印機，如基于液體擠出-固化模式、噴墨模式和紫外光固化成型等。基于液體擠出-固化模式的三維打印大多是打印單種細胞，或者利用多個噴嘴裝載并交替打印不同的細胞，很大程度上降低了打印速度?；趪娔Ｊ降娜S打印，通?？梢曰旌隙喾N細胞，但對于溶液的粘度、表面張力等要求較高，應(yīng)用嚴重受限。而基于紫外光固化成型的三維生物打印技術(shù)，由于紫外光對細胞具有一定的殺傷力，因此對于細胞的存活率有一定的限制。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印裝置和方法，其具有簡單靈活，可以精確控制各組分含量，打印出特定圖案的三維凝膠，并能夠在凝膠的特定位置定量地負載一種或多種細胞的特點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印裝置，其特征在于：它包括多通道噴嘴、三軸步進電機、若干液體儲存器、若干流體驅(qū)動設(shè)備、由打印基底和溫控裝置構(gòu)成的溫控基底以及終端控制系統(tǒng)；所述多通道噴嘴設(shè)置在所述三軸步進電機上，且所述多通道噴嘴由多個微管道并排設(shè)置而成，所有所述微管道的一端對齊構(gòu)成噴嘴，另一端分別通過特氟龍管與各所述液體儲存器連接；各所述流體驅(qū)動設(shè)備與各所述液體儲存器連接，對各所述液體儲存器內(nèi)的液體進行驅(qū)動；所述終端控制系統(tǒng)對所述三軸步進電機、各所述流體驅(qū)動設(shè)備以及所述溫控裝置進行控制，實現(xiàn)在所述溫控基底上的三維打印。各所述微管道采用玻璃毛細管或不銹鋼針管。所述多個微管道的具體數(shù)量為2～7個。各所述微管道的內(nèi)徑范圍為1～5mm。各所述微管道與所述特氟龍管連接處采用石蠟進行密封。所述液體儲存器包括注射器或儲液池。所述流體驅(qū)動設(shè)備為可程序控制的流體驅(qū)動設(shè)備，包括注射泵、蠕動泵、氣壓驅(qū)動泵或壓力驅(qū)動泵。所述打印基底包括玻璃平板、無紡布、玻璃或塑料培養(yǎng)皿。一種基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印方法，特征在于其包括以下步驟：1)設(shè)置一多通道噴嘴，該多通道噴嘴由多個微管道并列設(shè)置而成，各微管道末端出墨口對齊構(gòu)成噴嘴；2)分別將各微管道另一端通過特氟龍管與液體儲存器連接，且各微管道與特氟龍管連接處采用石蠟進行密封；3)在各液體儲存器內(nèi)注入相應(yīng)的打印墨水，且注入的打印墨水中，需至少存在兩種具有反應(yīng)活性的打印墨水，以實現(xiàn)短時間內(nèi)打印墨水由液態(tài)到凝膠的轉(zhuǎn)變；4)將多通道噴嘴固定設(shè)置在三軸步進電機上，調(diào)節(jié)三軸步進電機使得多通道噴嘴位于溫控基底的上方，且間距小于1mm；5)在終端控制系統(tǒng)中設(shè)置溫控裝置的溫度，使得打印基底溫度控制在-10℃～40℃范圍內(nèi)，便于凝膠成型和保存；6)根據(jù)打印要求，在終端控制系統(tǒng)中設(shè)置打印速度和液體注射速度，通過三軸步進電機和各流體驅(qū)動設(shè)備的協(xié)同控制，使得多通道噴嘴相應(yīng)運動與出墨；7)各液體儲存器中的液體流經(jīng)各微管道后在噴嘴處匯聚，由噴嘴噴出的不同墨水通過物理或化學相互作用在溫控基底上輔助成型，逐層堆疊實現(xiàn)三維打印。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由于設(shè)置了多通道噴嘴，各種打印墨水或細胞培養(yǎng)液可通過多個微管道輸入，保證了打印速度。2、本發(fā)明由于在多通道噴嘴中注入多種細胞或打印墨水，并通過三軸步進電機和液體驅(qū)動設(shè)備的協(xié)同控制，可以精確控制不同細胞的負載位點及負載量，使打印出的三維支架更加接近于真實組織或器官，使其在組織工程學中具有比現(xiàn)有技術(shù)更加廣闊的應(yīng)用前景。3、本發(fā)明由于采用了多種具備反應(yīng)活性的打印墨水，配制方法簡單，且各打印墨水在多通道噴嘴處匯聚并發(fā)生物理或化學反應(yīng)，實現(xiàn)了短時間內(nèi)液體到凝膠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。附圖說明圖1為本發(fā)明基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印裝置示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1三維打印海藻酸鈉-CaCl2水凝膠裝置示意圖；圖3為本發(fā)明實施例2三維打印藍色海藻酸鈉-CaCl2凝膠裝置示意圖；圖4為本發(fā)明實施例3三維打印裝載細胞的海藻酸鈉-CaCl2凝膠裝置示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，為本發(fā)明基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印裝置，其包括多通道噴嘴1、三軸步進電機2、若干液體儲存器3、若干流體驅(qū)動設(shè)備4、由打印基底和溫控裝置構(gòu)成的溫控基底5以及終端控制系統(tǒng)6。其中，多通道噴嘴1設(shè)置在三軸步進電機2上，其是由多個微管道11并排設(shè)置而成，各微管道11的一端對齊構(gòu)成多通道噴嘴12，另一端各通過特氟龍管13與各注射器3連接。各流體驅(qū)動設(shè)備4與各注射器3連接，對各注射器3中儲存的液體進行驅(qū)動。終端控制系統(tǒng)6對三軸步進電機2、各流體驅(qū)動設(shè)備4以及溫控裝置進行控制，使得多通道噴嘴12相應(yīng)運動和出墨，實現(xiàn)在溫控基底5上的三維打印。上述實施例中，微管道11采用玻璃毛細管或不銹鋼針管，多個微管道11具體數(shù)量為2～7個。上述各實施例中，微管道11的內(nèi)徑范圍為1～5mm。上述各實施例中，各微管道與特氟龍管連接處采用石蠟14進行密封以防止漏液。上述各實施例中，液體儲存器3包括注射器或儲液池。上述各實施例中，各流體驅(qū)動設(shè)備4為可程序控制的流體驅(qū)動設(shè)備，包括注射泵、蠕動泵、氣壓驅(qū)動泵或壓力驅(qū)動泵。上述各實施例中，打印基底包括玻璃平板、無紡布、玻璃或塑料培養(yǎng)皿；以及通過物理或化學方法進行表面處理的上述4種打印基底，比如采用plasma處理得到親水表面；化學修飾指利用化學手段對打印基底進行親疏水處理或改變表面黏附性能?；谏鲜龌诙嗤ǖ绹娮斓亩嘟M分三維生物打印裝置，本發(fā)明還提供一種基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印方法，包括以下步驟：1)設(shè)置一多通道噴嘴1，該多通道噴嘴由多個微管道11并列設(shè)置而成，且各微管道11末端出墨口對齊構(gòu)成噴嘴12。2)分別將各微管道11另一端通過特氟龍管13與液體儲存器3連接，且各微管道11與特氟龍管13連接處采用石蠟14進行密封，防止漏液。(本發(fā)明中僅以3個微管道為例進行介紹，但不限于此)3)在各液體儲存器3內(nèi)注入相應(yīng)的打印墨水，且注入的打印墨水中，需至少存在兩種具有反應(yīng)活性的打印墨水，以實現(xiàn)短時間內(nèi)打印墨水由液態(tài)到凝膠的轉(zhuǎn)變。打印墨水包括黏土墨水、羥基磷灰石墨水、生物凝膠墨水、離子墨水以及細胞墨水。其中，黏土墨水、羥基磷灰石墨水、生物凝膠墨水、離子墨水之間可相互反應(yīng)形成凝膠，且除生物凝膠墨水與離子墨水外，可以將其他類型墨水任意比例相互混合得到新的墨水。其中，黏土墨水指納米黏土顆粒的水相分散液，其質(zhì)量分數(shù)在0.1％～10％范圍內(nèi)。羥基磷灰石墨水指羥基磷灰石納米顆粒的水相分散液，其質(zhì)量分數(shù)在0.1％～10％范圍內(nèi)。生物凝膠墨水指一系列常用生物相容性材料的水溶液，其中包括瓊脂糖、海藻酸鈉、透明質(zhì)酸、殼聚糖、膠原蛋白、纖維蛋白、明膠、右旋糖酐、聚丙烯酰胺、纖維素、聚乙二醇、聚肽及上述12種物質(zhì)的衍生物，水溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)在0.1％～40％范圍內(nèi)。離子墨水包括氯化鈣(CaCl2)、氯化鎂(MgCl2)的水溶液，其質(zhì)量分數(shù)在0.5％～20％范圍內(nèi)。細胞墨水包括細胞和懸浮液，其細胞類型包括間充質(zhì)干細胞、誘導多能干細胞、成纖維細胞、腎內(nèi)皮細胞、腎系膜細胞，血管內(nèi)皮細胞、血管外皮細胞等，懸浮液包含相應(yīng)的細胞培養(yǎng)液，細胞培養(yǎng)液包括各種與細胞培養(yǎng)、分裂、分化相關(guān)的物質(zhì)。4)將多通道噴嘴1固定設(shè)置在三軸步進電機2上，調(diào)節(jié)三軸步進電機2使得噴嘴12位于溫控基底5的上方，且間距小于1mm。5)在終端控制系統(tǒng)6中設(shè)置溫控裝置的溫度，使得打印基底溫度控制在-10℃～40℃范圍內(nèi)，便于凝膠成型和保存。6)根據(jù)打印要求，在終端控制系統(tǒng)6中設(shè)置打印速度和液體注射速度，通過三軸步進電機2和各流體驅(qū)動設(shè)備4的協(xié)同控制，使得多通道噴嘴1相應(yīng)運動與出墨。終端控制系統(tǒng)6中可以對三軸步進電機2和各液體驅(qū)動設(shè)備4進行設(shè)置，精確控制各液體儲存器3中的打印墨水或細胞懸浮液的噴出，進而實現(xiàn)不同細胞的負載位點及負載量，使打印出的三維支架更加接近于真實組織或器官。7)各液體儲存器3中的液體流經(jīng)各微管道11后在噴嘴12處匯聚，由噴嘴12噴出的不同墨水通過物理或化學相互作用在溫控基底5上輔助成型，逐層堆疊實現(xiàn)三維打印。為了進一步說明本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明基于多通道噴嘴的多組分三維生物打印方法進行具體地描述，但不能將它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。實施例1如圖2所示，為本發(fā)明實施例1提供的三通道噴嘴的裝置示意圖。本實施例采用三根玻璃毛細管并排構(gòu)成多通道噴嘴1，玻璃毛細管內(nèi)徑均為500μm。各玻璃毛細管頂端用特氟龍管13與液體儲存器3(圖2中未畫出)相連接并用石蠟14密封。本實施例選擇的1號墨水為質(zhì)量分數(shù)為5％的海藻酸鈉溶液；2號和3號墨水均為質(zhì)量分數(shù)為5％的氯化鈣(CaCl2)水溶液。分別將各液體通道連接好之后，將多通道噴嘴1固定在三軸步進電機2上，調(diào)節(jié)z軸高度，使多通道噴嘴1與打印基底間的間距小于1mm。開啟打印程序，并設(shè)置打印速度為20mm/s，液體注射速度為0.2mL/min，即可以打印出一塊網(wǎng)格間距為3mm的水凝膠，且利用海藻酸鈉與氯化鈣的體系，打印出的水凝膠分辨率小于500μm。實施例2如圖3所示，將實施例1中的3號墨水改為普通藍色墨水，其他參數(shù)不變進行打印，可以打印出一塊藍色的凝膠，類似地，可以在不同的位點混合多種不同的墨水，打印出彩色的凝膠。實施例3如圖4所示，將實施例1中的3號墨水換成大鼠主動脈內(nèi)皮細胞懸浮液，以同樣的參數(shù)進行打印，可以得到均勻負載細胞的凝膠。實施例4～10將實施例1中的三種墨水換成不同的成分，其中3號墨水可以任意選取，1，2號墨水可以更換為下表1中的墨水，以與實施例1相同的參數(shù)進行打印，均可以順利地打印凝膠并成型。表1：實施例墨水1墨水240.5～10％海藻酸鈉5～40％明膠50.5～10％海藻酸鈉1～5％殼聚糖60.5～10％海藻酸鈉0.5～20％MgCl270.5～10％透明質(zhì)酸鈉0.5～20％CaCl280.5～10％透明質(zhì)酸鈉0.5～20％MgCl290.5～10％透明質(zhì)酸鈉5～40％明膠100.5～10％透明質(zhì)酸鈉1～5％殼聚糖上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。當前第1頁1 2 3