專利名稱：一種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于組織工程領(lǐng)域，具體是ー種使用微壓電噴頭控制的細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，用于實現(xiàn)高粘度生物制劑的噴射并解決堵頭現(xiàn)象。
背景技術(shù)：
細(xì)胞打印作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物可降解的固體支架法的一項新技術(shù)，它在組織工程中具有巨大發(fā)展?jié)撃?。它運(yùn)用發(fā)育生物學(xué)中細(xì)胞能自行組裝的原理，就像胚胎組織形成功能性結(jié)構(gòu)一祥，通過逐層打印細(xì)胞可以形成三維組織結(jié)構(gòu)。與基于三維多孔支架的細(xì)胞成形相比，細(xì)胞打印方式是在計算機(jī)輔助下，而不僅僅是靠細(xì)胞之間的黏連、増殖與分化成形的。Saunders Rachel Ε, Gough Julie E 在《Biomaterials》，2008 年 1 月第 2 期發(fā)表的論 JC "Delivery of Human Fibroblast Ceils by Piezoelectric Drop-On-Demand Inkjet Printing"的研究表明細(xì)胞打印不但可行，而且是人工器官制備最有前景的途徑之一。目前，細(xì)胞打印主要有ニ種方式，其一是激光直寫方式，其ニ是類似噴墨打印的細(xì)胞噴射方式。激光直寫細(xì)胞打印技術(shù)研究已經(jīng)取得了ー些進(jìn)展?；迨怯赏繚M金屬氧化層和細(xì)胞懸液的光學(xué)透明石英盤組成的。金屬氧化層吸收激光能量后，會將定量的細(xì)胞懸液蒸發(fā)并將其射到接收基板上。這種技術(shù)的優(yōu)點在于無需噴頭，因此避免了噴ロ堵塞問題，便于打印出高粘度的生物制劑，然而，局部的加熱會引起高溫和高噴射速度，一般在50m/s到 100m/s之間。高溫高壓會對細(xì)胞造成傷害，Yafu Lin, Yong Huang, Gaoyan Wang et al在 ((Journal of Applied Physics》，2009 年第 106 期發(fā)表的論文“Effect of Laser Fluence on Yeast Cell Viability in Laser-assisted Cell Transfer”的研究表明即使對于耐受カ較強(qiáng)的酵母細(xì)胞，仍有約10%到55%的細(xì)胞在打印后失去活性。另外，細(xì)胞基板需要提前準(zhǔn)備，不適合多細(xì)胞的打印。另ー個用于細(xì)胞打印的常用技術(shù)是按需噴墨打印技木，包括熱泡和壓電式兩大類。Xiaofeng Cui，Thomas Boland 在《Biomaterials》，2009 年第 30 期發(fā)表的論文 “Human Microvasculature Faorication Using Thermal Inkjet Printing Technology. Biomaterials"中使用惠普熱泡式打印機(jī)同時打印了人類微脈管內(nèi)皮細(xì)胞和纖維蛋白，打印出了纖維蛋白基板和微血管系統(tǒng)。Yamazoe Hironori，Tanabe Toshizu在 ((Journal of Biomedical Materials Research)), 2009 年 12 月第 4 期發(fā)表的論文 "Cell Micropatterning on An Albumin-based Substrate Using An Inkjet Printing Technique”介紹了使用噴墨打印機(jī)打印聚乙烯亞胺形成了有圖案和字體的清蛋白基板。 Saunders Rachel Ε, Gough Julie E 在《Biomaterials》，2008 年 1 月第 2 期發(fā)表的論 JC "Delivery of Human Fibroblast Ceils by Piezoelectric Drop-On-Demand Inkjet Printing”也成功的打印了人類纖維細(xì)胞。Jae Dong Kim, Ji Suk Choi在《Polymer》，2010 ^· 5 @ 4 Ε 丄 O 51 ^ :曰勺 i^3C“Piezoelectric ink jet printing of polymers :Stem ceil patterning on polymer substrates”使用壓電噴墨打印機(jī)打印人類衍生脂肪干細(xì)胞形成了聚苯乙烯基板。由于它們噴射速度較低(大概為5 8m/s)和細(xì)胞受到壓力小，所以細(xì)胞存活率很高，尤其是壓電噴墨技術(shù)，不會加熱細(xì)胞懸液，是ー種極具潛力的細(xì)胞打印方式。 目前細(xì)胞打印多是將培養(yǎng)好的細(xì)胞裝載在干凈的墨盒中使用商用噴頭噴射，由于此類噴頭是為噴射墨水設(shè)計的，在噴射具有不同物性參數(shù)的生物制劑時存在兩個主要問題，其ー是難以噴出高粘度、高密度的液體，其ニ是噴射不暢易導(dǎo)致噴孔堵塞，從而嚴(yán)重阻礙了細(xì)胞打印的工程實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，以便捷地實現(xiàn)具有不同物理特性生物制劑的噴射，并消除堵塞噴孔現(xiàn)象。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是包括噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片，噴墨通道一端至噴孔，另一端與噴墨液箱相通，噴墨通道外側(cè)有壓電片，壓電片在噴墨通道的上下分布；其步驟是101，初始階段102，根據(jù)噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片的參數(shù)計算墨水正常噴墨狀態(tài)下的壓カ波寬度；103，通過驅(qū)動電路產(chǎn)生一個大于墨水壓カ波寬度的方波信號作用在壓電片上；104，通過傳感器檢測噴墨液箱和噴墨通道至噴孔的噴射生物制劑壓カ波寬度；105，如壓カ波寬度小于初次輸入的方波信號寬度，則進(jìn)行下一歩，如相等，則轉(zhuǎn)入調(diào)整驅(qū)動信號幅值階段；106，重新調(diào)整驅(qū)動電路產(chǎn)生的方波寬度；107，新調(diào)整的方波寬度通過驅(qū)動電路再次作用在噴墨通道兩側(cè)的壓電片上；108，轉(zhuǎn)步驟 104，109，根據(jù)非平衡態(tài)的Bernoulli方程，調(diào)整驅(qū)動信號幅值，使預(yù)估液滴出口速度為 14m/s ；110，根據(jù)指令，以檢測到的壓カ波寬度和等于輸入的方波信號寬度的方波信號寬度，以產(chǎn)生預(yù)估液滴出ロ速度為14m/s的信號幅值作用在噴墨通道兩側(cè)的壓電片上。110，根據(jù)指令，以檢測到的壓カ波寬度等于輸入的方波信號寬度的方波信號寬度作用在噴墨通道兩側(cè)的壓電片上。所述的壓力波寬度或壓カ波周期是噴射液體的反饋電壓U的兩個峰值之間的時間差。根據(jù)噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片的參數(shù)計算其正常噴墨狀態(tài)下的壓カ波寬度波傳導(dǎo)公式t。pt = L/v,其中，L為腔體長度；ν為壓カ波傳導(dǎo)速度；t-為波傳導(dǎo)時間，也稱壓カ波周期，為一個壓カ波在腔體的一端傳導(dǎo)至另一端所需要的時間。所述的噴墨通道兩側(cè)的壓電片即是驅(qū)動器又是傳感器。通過傳感器檢測噴墨液箱和噴墨通道至噴孔的壓カ波寬度是當(dāng)驅(qū)動電壓V作用于壓カ片時，壓電片產(chǎn)生變形，當(dāng)噴射液體對壓電片反作用力F 吋，壓電片產(chǎn)生電荷q，它可用壓電方程組來表示
權(quán)利要求
1.一種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是包括噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片，噴墨通道一端至噴孔，另一端與噴墨液箱相通，噴墨通道外側(cè)有壓電片，壓電片在噴墨通道的上下分布；其步驟是101，初始階段102，根據(jù)噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片的參數(shù)計算墨水正常噴墨狀態(tài)下的壓カ 波寬度；103，通過驅(qū)動電路產(chǎn)生一個大于墨水壓カ波寬度的方波信號作用在壓電片上； 104，通過傳感器檢測噴墨液箱和噴墨通道至噴孔的噴射生物制劑壓カ波寬度； 105，如壓カ波寬度小于初次輸入的方波信號寬度，則進(jìn)行下一歩，如相等，則轉(zhuǎn)入調(diào)整驅(qū)動信號幅值階段；106，重新調(diào)整驅(qū)動電路產(chǎn)生的方波寬度；107，新調(diào)整的方波寬度通過驅(qū)動電路再次作用在噴墨通道兩側(cè)的壓電片上； 108，轉(zhuǎn)步驟104，109，根據(jù)非平衡態(tài)的Bernoulli方程，調(diào)整驅(qū)動信號幅值，使預(yù)估液滴出ロ速度為 14m/s ；110，根據(jù)指令，以檢測到的壓カ波寬度和等于輸入的方波信號寬度的方波信號寬度， 以產(chǎn)生預(yù)估液滴出口速度為14m/s的信號幅值作用在噴墨通道兩側(cè)的壓電片上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是所述的壓カ波寬度或壓カ波周期是噴射液體的反饋電壓U的兩個峰值之間的時間差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是根據(jù)噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片的參數(shù)計算其正常噴墨狀態(tài)下的壓カ波寬度波傳導(dǎo)公式:topt = L/v,其中，L為腔體長度；ν為壓カ波傳導(dǎo)速度；t-為波傳導(dǎo)時間，也稱壓カ波周期，為ー個壓カ波在腔體的一端傳導(dǎo)至另一端所需要的時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是所述的噴墨通道兩側(cè)的壓電片即是驅(qū)動器又是傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是通過傳感器檢測噴墨液箱和噴墨通道至噴孔的壓カ波寬度是當(dāng)驅(qū)動電壓V作用于壓カ片時，壓電片產(chǎn)生變形，當(dāng)噴射液體對壓電片反作用力F吋， 壓電片產(chǎn)生電荷q，它可用壓電方程組來表示u β其中，U為壓電片的變形；d為壓電片電荷常數(shù)；C為壓電片電容；V為加到壓電片上的瞬時電壓；F為液體作用于壓電片的反作用力；q為壓電片上的電荷量；q是由兩部分ql和 q2組成的，第一部分是由壓電片作為作動器作用時產(chǎn)生，定義為q2，是由驅(qū)動電壓V通過電容C通過直接路徑產(chǎn)生；第二部分是由壓電片作為傳感器產(chǎn)生，定義為ql，是由噴射液體通對壓電片作用力F通過電荷常數(shù)d間接作用產(chǎn)生，只有ql是我們所需要的傳感器信號； q = ql+q2 = dF+CV (2)如果將壓電片看成是ー個電容，則反饋電壓存在關(guān)系2dHkVCdFU = ql/C (3)(3)式帶入(2)式得到反饋電壓U = dF/C (4)因為壓電片的長度相對于噴墨渠道來說，比較小。近似認(rèn)為壓電片的變形一致，則(4)式為U = dpA/C (5)由于模型中只在ー個方向存在變形，則壓電常數(shù)d = d33 ； C = Sp* ξ 33/h (6)ξ 33 = ξ 0 ξ r(7)式中，d33為壓電片的壓電常數(shù)，も為噴射液體與壓電片的作用面積，當(dāng)認(rèn)為變形一致的情況下，も近似認(rèn)為是Α，ξ 33為壓電片的介電常數(shù)，ξ ^為真空情況下的介電常數(shù)，ξ ^為相對介電常數(shù)，h為壓電片的厚度；則(6)和(7)帶入(5)式化簡后，可得U = (d33hp)m0lr) (8)
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法， 其特征是所述的非平衡態(tài)的Bernoulli方程是
全文摘要
本發(fā)明屬于組織工程領(lǐng)域，具體是一種使用微壓電噴頭控制的細(xì)胞打印的自適應(yīng)噴墨驅(qū)動控制方法，其特征是包括噴墨液箱、噴墨通道、噴孔及壓電片，噴墨通道一端至噴孔，另一端與噴墨液箱相通，噴墨通道外側(cè)有壓電片，壓電片在噴墨通道的上下分布。它用于實現(xiàn)高粘度生物制劑的噴射并解決堵頭現(xiàn)象。
文檔編號B41J2/01GK102555555SQ201210001408
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者徐榮澤, 胡飛飛, 范建宇, 黃進(jìn) 申請人:西安電子科技大學(xué)