一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3d打印裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置及方法，包括機(jī)架、噴頭模塊、供液模塊、基板、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、噴頭控制器、以及用于帶動(dòng)噴頭模塊三維運(yùn)動(dòng)的三軸運(yùn)動(dòng)模塊，噴頭模塊包括若干噴嘴，供液模塊的出液口與噴頭模塊的入液口相連通，基板位于各噴嘴的正下方，計(jì)算機(jī)的輸出端經(jīng)噴頭控制器與各噴嘴的控制端，機(jī)架上固定有用于檢測(cè)噴頭模塊的位置信息的光柵尺，光柵尺的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連接，三軸運(yùn)動(dòng)模塊固定于機(jī)架上，噴頭模塊固定于三軸運(yùn)動(dòng)模塊上，運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與三軸運(yùn)動(dòng)模塊的控制端相連接。本發(fā)明能夠通過多微滴同時(shí)打印生物軟組織，并且打印速度快、精度高。
【專利說明】
一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種細(xì)胞3D打印裝置及方法，涉及一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞打印是一種直接以生物材料和細(xì)胞為打印材料利用增材制造原理制造生物組織的生物3D打印方法。自然生物組織一般由多種細(xì)胞和材料組成，要求細(xì)胞打印機(jī)具備多材料多細(xì)胞復(fù)合打印的能力；自然生物組織中不同材料和細(xì)胞空間排列緊密聯(lián)系密切，要求細(xì)胞打印機(jī)能夠?qū)⒉牧虾图?xì)胞精確打印到特定的空間位置；自然生物組織和細(xì)胞離體后需培養(yǎng)在特定培養(yǎng)液中，打印過程中缺乏細(xì)胞長(zhǎng)期存活所需的條件，因此要求在盡量短的時(shí)間完成打印過程。
[0003]當(dāng)前細(xì)胞打印設(shè)備大多采用單噴嘴噴頭，所用噴頭噴嘴尺寸較大，所噴射液滴體積較大，每滴液滴里面都包含大量細(xì)胞，無法控制液滴里面細(xì)胞的分布，難以實(shí)現(xiàn)將材料和細(xì)胞精確打印到特定的空間位置;同時(shí)，這類噴頭受結(jié)構(gòu)尺寸的限制，一臺(tái)設(shè)備上所能集成的噴頭數(shù)量十分有限，限制了設(shè)備多材料多細(xì)胞打印能力。
[0004]如上所述，當(dāng)前細(xì)胞打印設(shè)備并不能滿足構(gòu)建生物組織對(duì)細(xì)胞打印設(shè)備的如下要求:為滿足多材料多細(xì)胞復(fù)合打印的要求，細(xì)胞打印裝置應(yīng)具備集成并獨(dú)立控制多只打印頭的能力；為滿足將材料和細(xì)胞精確打印到特定的空間位置的要求，細(xì)胞打印裝置所使用的打印頭應(yīng)具備單細(xì)胞打印的能力；單細(xì)胞打印時(shí)單個(gè)打印液滴尺寸僅為數(shù)十皮升，如何利用如此微小的液滴構(gòu)建宏觀組織結(jié)構(gòu)，并滿足盡量縮短打印時(shí)間的要求(即如何在保證打印精度的前提下提高打印效率)，上述要求給細(xì)胞打印設(shè)備的開發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置及方法，該裝置及方法能夠通過多微滴同時(shí)打印生物軟組織，并且打印速度快、
精度高。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置包括機(jī)架、噴頭模塊、供液模塊、基板、計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、噴頭控制器、以及用于帶動(dòng)噴頭模塊三維運(yùn)動(dòng)的三軸運(yùn)動(dòng)模塊，噴頭模塊包括若干噴嘴，供液模塊的出液口與噴頭模塊的入液口相連通，基板位于各噴嘴的正下方，計(jì)算機(jī)的輸出端經(jīng)噴頭控制器與各噴嘴的控制端，機(jī)架上固定有用于檢測(cè)噴頭模塊的位置信息的光柵尺，光柵尺的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連接，三軸運(yùn)動(dòng)模塊固定于機(jī)架上，噴頭模塊固定于三軸運(yùn)動(dòng)模塊上，運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與三軸運(yùn)動(dòng)模塊的控制端相連接。
[0007]所述噴頭模塊為集成式多噴嘴壓電式噴頭，各噴嘴的內(nèi)徑為30_60um。
[0008]本發(fā)明所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法包括以下步驟:
[0009]I)獲取待打印生物軟組織的三維模型，再將所述待打印生物軟組織的三維模型輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)對(duì)所述待打印生物軟組織的三維模型進(jìn)行分層處理，得若干層二維截面數(shù)據(jù)，然后將所述二維截面數(shù)據(jù)發(fā)送至噴頭控制器中，噴頭控制器根據(jù)二維截面數(shù)據(jù)的精度要求控制各噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓；
[0010]2)供液模塊將液態(tài)生物材料輸入到噴頭模塊中，再調(diào)整噴頭模塊內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)待打印生物軟組織的三維模型規(guī)劃噴頭模塊的運(yùn)動(dòng)路徑；
[0011]3)光柵尺檢測(cè)噴頭模塊的位置信息，并將所述位置信息發(fā)送至噴頭控制器中，噴頭控制器根據(jù)所述位置信息計(jì)算噴頭模塊的運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)噴頭模塊的運(yùn)動(dòng)速度以及該層二維截面數(shù)據(jù)控制各噴嘴的開關(guān)狀態(tài)及噴射頻率，三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊勻速運(yùn)動(dòng)，使噴嘴將液態(tài)生物材料的微滴噴射到基板上，完成一層二維截面的打印，其中，液態(tài)生物材料的微滴的體積為35-85pl，相鄰液態(tài)生物材料的微滴之間的間距為100-300um;
[0012]4)三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊向上移動(dòng)下一層二維截面的厚度，重復(fù)步驟3)，完成下一層二維截面的打??；
[0013]5)重復(fù)步驟4)，直至所有層二維截面打印完成為止，得生物軟組織。
[0014]供液模塊包括供液箱以及用于為供液箱提供氣壓的氣源，供液箱的出液口與噴頭模塊的入液口相連通，氣源的輸出氣壓大于等于0.5mPa，氣源的出氣口處設(shè)有閥門。
[0015]噴頭控制器通過控制噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓控制液態(tài)生物材料的微滴的噴射速度及大小，噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓為80V-150V，噴嘴的噴射頻率為100Hz-12000Hz。
[0016]液態(tài)生物材料在10-30°C范圍內(nèi)的粘度為4-20cps、表面張力為20-55dyn/cm、pH為4-9。
[0017]液態(tài)生物材料中除細(xì)胞以外的微粒的直徑小于1/10噴嘴內(nèi)徑。
[0018]還包括:通過紫外燈對(duì)噴頭模塊表面及打印區(qū)域進(jìn)行滅菌，通過滅菌溶液對(duì)液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行滅菌，再通過無菌去離子水沖洗液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域，然后將液體生物材料裝入供液箱中，使液態(tài)生物材料充滿噴頭模塊，排除液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域中的氣體，再調(diào)節(jié)噴頭模塊內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，然后斷開供液箱與噴頭模塊，通過注射器將混合細(xì)胞的液體生物材料注入到噴頭模塊中，最后再將供液箱與噴頭模塊相連通。
[0019]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]本發(fā)明所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置及方法在具體操作時(shí)，所述噴頭模塊包括若干噴嘴，根據(jù)噴頭模塊的運(yùn)動(dòng)速度及二維截面數(shù)據(jù)控制各噴嘴的開關(guān)及噴射頻率，并通過三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多噴嘴的控制，完成一層二維截面的打印，從而有效提高打印的速度。同時(shí)三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊勻速運(yùn)動(dòng)，液態(tài)生物材料的微滴的體積為35-85pl，相鄰液態(tài)生物材料的微滴之間的間距為100-300um，打印精度較高，解決了現(xiàn)有細(xì)胞打印機(jī)噴嘴尺寸較大難以將材料和細(xì)胞精確打印到待定空間位置的問題。另外，噴頭控制器根據(jù)二維截面數(shù)據(jù)的精度要求控制各噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓，通過各噴嘴的驅(qū)動(dòng)電壓來實(shí)現(xiàn)各層二維截面的精度控制，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明中噴頭模塊3的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]其中，I為計(jì)算機(jī)、2為噴頭控制器、3為噴頭模塊、4為供液箱、5為氣源、6為噴嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0025]參考圖1，本發(fā)明所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置包括機(jī)架、噴頭模塊3、供液模塊、基板、計(jì)算機(jī)1、運(yùn)動(dòng)控制器、噴頭控制器2、以及用于帶動(dòng)噴頭模塊3三維運(yùn)動(dòng)的三軸運(yùn)動(dòng)模塊，噴頭模塊3包括若干噴嘴6，供液模塊的出液口與噴頭模塊3的入液口相連通，基板位于各噴嘴6的正下方，計(jì)算機(jī)I的輸出端經(jīng)噴頭控制器2與各噴嘴6的控制端，機(jī)架上固定有用于檢測(cè)噴頭模塊3的位置信息的光柵尺，光柵尺的輸出端與計(jì)算機(jī)I的輸入端相連接，三軸運(yùn)動(dòng)模塊固定于機(jī)架上，噴頭模塊3固定于三軸運(yùn)動(dòng)模塊上，運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與三軸運(yùn)動(dòng)模塊的控制端相連接;噴頭模塊3為集成式多噴嘴壓電式噴頭，各噴嘴6的內(nèi)徑為 30_60um。
[0026]本發(fā)明所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法包括以下步驟:
[0027]I)獲取待打印生物軟組織的三維模型，再將所述待打印生物軟組織的三維模型輸入到計(jì)算機(jī)I中，計(jì)算機(jī)I對(duì)所述待打印生物軟組織的三維模型進(jìn)行分層處理，得若干層二維截面數(shù)據(jù)，然后將所述二維截面數(shù)據(jù)發(fā)送至噴頭控制器2中，噴頭控制器2根據(jù)二維截面數(shù)據(jù)的精度要求控制各噴嘴6的驅(qū)動(dòng)電壓；
[0028]2)供液模塊將液態(tài)生物材料輸入到噴頭模塊3中，再調(diào)整噴頭模塊3內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)待打印生物軟組織的三維模型規(guī)劃噴頭模塊3的運(yùn)動(dòng)路徑；
[0029]3)光柵尺檢測(cè)噴頭模塊3的位置信息，并將所述位置信息發(fā)送至噴頭控制器2中，噴頭控制器2根據(jù)所述位置信息計(jì)算噴頭模塊3的運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)噴頭模塊3的運(yùn)動(dòng)速度以及該層二維截面數(shù)據(jù)控制各噴嘴6的開關(guān)狀態(tài)及噴射頻率，三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊3勻速運(yùn)動(dòng)，使噴嘴6將液態(tài)生物材料的微滴噴射到基板上，完成一層二維截面的打印，其中，液態(tài)生物材料的微滴的體積為35-85pl，相鄰液態(tài)生物材料的微滴之間的間距為100-300um；
[0030]4)三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊3向上移動(dòng)下一層二維截面的厚度，重復(fù)步驟3)，完成下一層二維截面的打印；
[0031]5)重復(fù)步驟4)，直至所有層二維截面打印完成為止，得生物軟組織。
[0032 ]供液模塊包括供液箱4以及用于為供液箱4提供氣壓的氣源5，供液箱4的出液口與噴頭模塊3的入液口相連通，氣源5的輸出氣壓大于等于0.5 m P a，氣源5的出氣口處設(shè)有閥門。
[0033]噴頭控制器2通過控制噴嘴6的驅(qū)動(dòng)電壓控制液態(tài)生物材料的微滴的噴射速度及大小，噴嘴6的驅(qū)動(dòng)電壓為80V-150V，噴嘴6的噴射頻率為100Hz-12000Hz。
[0034]液態(tài)生物材料在10-30°C范圍內(nèi)的粘度為4-20cps、表面張力為20-55dyn/cm、pH為4-9。
[0035]液態(tài)生物材料中除細(xì)胞以外的微粒的直徑小于1/10噴嘴6內(nèi)徑。
[0036]本發(fā)明中步驟2)與步驟3)之間還包括:通過紫外燈對(duì)噴頭模塊3表面及打印區(qū)域進(jìn)行滅菌，通過滅菌溶液對(duì)液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行滅菌，再通過無菌去離子水沖洗液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域，然后將液體生物材料裝入供液箱4中，使液態(tài)生物材料充滿噴頭模塊3，排除液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域中的氣體，再調(diào)節(jié)噴頭模塊3內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，然后斷開供液箱4與噴頭模塊3，通過注射器將混合細(xì)胞的液體生物材料注入到噴頭模塊3中，最后再將供液箱4與噴頭模塊3相連通。
[0037]所述噴頭模塊3上所有噴嘴6可同時(shí)噴射也可選擇部分或單個(gè)噴嘴6噴射，供液箱4能將氣源5輸入的一路正壓氣源5轉(zhuǎn)換成正負(fù)兩路氣壓氣源5，并可簡(jiǎn)單切換，供液箱4通過供液管路與噴頭模塊3的入液口相連，供液箱4能控制噴頭模塊3進(jìn)料時(shí)的正負(fù)壓，保證噴頭模塊3正常打印，并能實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)值，打印結(jié)束時(shí)供液箱4提供較大正壓沖洗噴頭模塊3，避免打印剩余材料堵塞噴頭模塊3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置，其特征在于，包括機(jī)架、噴頭模塊(3)、供液模塊、基板、計(jì)算機(jī)(1)、運(yùn)動(dòng)控制器、噴頭控制器(2)、以及用于帶動(dòng)噴頭模塊(3)三維運(yùn)動(dòng)的三軸運(yùn)動(dòng)模塊，噴頭模塊(3)包括若干噴嘴(6)，供液模塊的出液口與噴頭模塊(3)的入液口相連通，基板位于各噴嘴(6)的正下方，計(jì)算機(jī)(I)的輸出端經(jīng)噴頭控制器(2)與各噴嘴(6)的控制端，機(jī)架上固定有用于檢測(cè)噴頭模塊(3)的位置信息的光柵尺，光柵尺的輸出端與計(jì)算機(jī)(1)的輸入端相連接，三軸運(yùn)動(dòng)模塊固定于機(jī)架上，噴頭模塊(3)固定于三軸運(yùn)動(dòng)模塊上，運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與三軸運(yùn)動(dòng)模塊的控制端相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置，其特征在于，所述噴頭模塊(3)為集成式多噴嘴壓電式噴頭，各噴嘴(6)的內(nèi)徑為30-60um。3.—種多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法，其特征在于，基于權(quán)利要求1所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置，包括以下步驟: 1)獲取待打印生物軟組織的三維模型，再將所述待打印生物軟組織的三維模型輸入到計(jì)算機(jī)(1)中，計(jì)算機(jī)(1)對(duì)所述待打印生物軟組織的三維模型進(jìn)行分層處理，得若干層二維截面數(shù)據(jù)，然后將所述二維截面數(shù)據(jù)發(fā)送至噴頭控制器(2)中，噴頭控制器(2)根據(jù)二維截面數(shù)據(jù)的精度要求控制各噴嘴(6)的驅(qū)動(dòng)電壓； 2)供液模塊將液態(tài)生物材料輸入到噴頭模塊(3)中，再調(diào)整噴頭模塊(3)內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)待打印生物軟組織的三維模型規(guī)劃噴頭模塊(3)的運(yùn)動(dòng)路徑； 3)光柵尺檢測(cè)噴頭模塊(3)的位置信息，并將所述位置信息發(fā)送至噴頭控制器(2)中，噴頭控制器(2)根據(jù)所述位置信息計(jì)算噴頭模塊(3)的運(yùn)動(dòng)速度，然后根據(jù)噴頭模塊(3)的運(yùn)動(dòng)速度以及該層二維截面數(shù)據(jù)控制各噴嘴(6)的開關(guān)狀態(tài)及噴射頻率，三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊(3)勻速運(yùn)動(dòng)，使噴嘴(6)將液態(tài)生物材料的微滴噴射到基板上，完成一層二維截面的打印，其中，液態(tài)生物材料的微滴的體積為35-85pl，相鄰液態(tài)生物材料的微滴之間的間距為100-300um; 4)三軸運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)噴頭模塊(3)向上移動(dòng)下一層二維截面的厚度，重復(fù)步驟3)，完成下一層二維截面的打??； 5)重復(fù)步驟4)，直至所有層二維截面打印完成為止，得生物軟組織。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印裝置，其特征在于，供液模塊包括供液箱(4)以及用于為供液箱(4)提供氣壓的氣源(5)，供液箱(4)的出液口與噴頭模塊(3)的入液口相連通，氣源(5)的輸出氣壓大于等于0.5mPa，氣源(5)的出氣口處設(shè)有閥門。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法，其特征在于，噴頭控制器(2)通過控制噴嘴(6)的驅(qū)動(dòng)電壓控制液態(tài)生物材料的微滴的噴射速度及大小，噴嘴(6)的驅(qū)動(dòng)電壓為80V-150V，噴嘴(6)的噴射頻率為100Hz-12000Hz。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法，其特征在于，液態(tài)生物材料在10-30°C范圍內(nèi)的粘度為4-20cps、表面張力為20-55dyn/cm、pH為4-9。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法，其特征在于，液態(tài)生物材料中除細(xì)胞以外的微粒的直徑小于1/10噴嘴(6)內(nèi)徑。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多微滴精準(zhǔn)噴射的細(xì)胞3D打印方法，其特征在于，還包括:通過紫外燈對(duì)噴頭模塊(3)表面及打印區(qū)域進(jìn)行滅菌，通過滅菌溶液對(duì)液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行滅菌，再通過無菌去離子水沖洗液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域，然后將液體生物材料裝入供液箱(4)中，使液態(tài)生物材料充滿噴頭模塊(3)，排除液態(tài)生物材料經(jīng)過的區(qū)域中的氣體，再調(diào)節(jié)噴頭模塊(3)內(nèi)液態(tài)生物材料受到的壓力，然后斷開供液箱(4)與噴頭模塊(3)，通過注射器將混合細(xì)胞的液體生物材料注入到噴頭模塊(3)中，最后再將供液箱(4)與噴頭模塊(3)相連通。
【文檔編號(hào)】C12M1/36GK105861308SQ201610228622
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】連芩, 劉詩洋, 李滌塵, 賈書海
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)