3d細(xì)胞打印系統(tǒng)及其打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及細(xì)胞打印技術(shù)，具體涉及3D細(xì)胞打印系統(tǒng)及其打印方法。
【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞打印技術(shù)是快速成型技術(shù)和生物制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合的一種新技術(shù)。目前科學(xué)家研發(fā)出了能打印出皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的三維生物打印機(jī)。細(xì)胞打印工藝，如圖1所示。細(xì)胞打印技術(shù)受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。生物打印機(jī)面臨的挑戰(zhàn)之一是打印多細(xì)胞組成的人體或動物的器官，因?yàn)槿魏未蛴〕鰜淼钠鞴倩蛏眢w組織都需要同身體的血管相連。目前的生物打印技術(shù)主要是在于研宄新的成型方式、細(xì)胞支架材料、提高成型精度及成型支架機(jī)械性能等方面的研宄。
[0003]細(xì)胞打印技術(shù)多種多樣，按打印方式可分為噴墨式、噴射式、激光誘導(dǎo)直寫、激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移、激光固化以及聲控打印。目前的生物打印技術(shù)在構(gòu)建大塊軟組織及內(nèi)臟器官方面，仍存在許多缺憾:1)種植的細(xì)胞密度有限，新生組織的長入緩慢；2)與天然組織中三維均衡的生存環(huán)境不同，細(xì)胞由支架表面向內(nèi)部生長，因而不利于細(xì)胞的相互接觸、相應(yīng)器官的發(fā)育和功能表達(dá)；3)血管化不足，沒有良好的血管化解決方案，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)在支架內(nèi)部滲透能力降低，細(xì)胞得不到充足的養(yǎng)分，因而在還無法實(shí)現(xiàn)大塊需要血供充足的大塊軟組織及內(nèi)臟器官；4)無法實(shí)現(xiàn)將不同的細(xì)胞定位到不同的空間位置，而大塊軟組織及內(nèi)臟器官往往含有多種細(xì)胞，不同細(xì)胞具有特有的空間排布特點(diǎn)。比如專利CN201310294332.0公開了細(xì)胞打印方法及細(xì)胞打印系統(tǒng)，該技術(shù)方案利用同一個微噴管實(shí)現(xiàn)多種細(xì)胞的吸取和打印操作，避免了因采用多組微噴管而使設(shè)備負(fù)責(zé)程度增加，避免了因更換微噴管而造成的操作過程復(fù)雜化，但是該技術(shù)方案仍然不能很好地解決上述的問題。
[0004]細(xì)胞作為構(gòu)成人類器官的基本單元，其尺寸在幾微米到幾十微米的范圍內(nèi)。因此，如何在三維尺度上精確控制不同種類的細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的分布，并形成與人體或動物的的組織或器官相似的三維構(gòu)造體是組織工程所面臨的一大難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決三維尺度上精確控制不同種類的細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的分布，并形成與人體或動物的組織或器官相似的三維構(gòu)造體，本發(fā)明的一個目的在于提供一種3D細(xì)胞打印系統(tǒng)，通過運(yùn)用本3D細(xì)胞打印系統(tǒng)可在體外構(gòu)建人體或動物的組織或器官，能夠精確控制單個細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)分布。
[0006]本發(fā)明另一目的在于3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的打印方法，該方法可以精確打印高密度的細(xì)胞，打印的細(xì)胞可以相互接觸，可將不同的細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)打印到不同的空間位置，可有效解決細(xì)胞空間排布及新生組織的長入緩慢等問題。
[0007]本發(fā)明的3D細(xì)胞打印系統(tǒng)采用如下的技術(shù)方案:
3D細(xì)胞打印系統(tǒng)，包括總控制系統(tǒng)、細(xì)胞打印工作臺、成型工作臺、細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)及細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)，所述細(xì)胞打印工作臺包括第一工作臺和第二工作臺，所述第二工作臺位于所述第一工作臺的下方，所述第一工作臺上分布有多個細(xì)胞陣列安裝孔，細(xì)胞陣列位于所述細(xì)胞陣列安裝孔中，本專利中所述的細(xì)胞陣列是指細(xì)胞有規(guī)律的被加載在帶有陣列孔中；所述細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)用于對細(xì)胞陣列進(jìn)行打印，細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)安裝于所述第一工作臺上，成型工作臺安裝于所述第二工作臺中，所述細(xì)胞打印工作臺、細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)以及所述細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)分別與所述總控制系統(tǒng)電性連接，均由總控制系統(tǒng)控制。
[0008]作為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述細(xì)胞陣列的上方設(shè)置有補(bǔ)料系統(tǒng)，所述補(bǔ)料系統(tǒng)由所述總控制系統(tǒng)控制，補(bǔ)料系統(tǒng)主要用于填補(bǔ)相應(yīng)細(xì)胞陣列上的細(xì)胞，或直接拆換整個細(xì)胞陣列。
[0009]作為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的另一種改進(jìn)，所述第一工作臺和第二工作臺能夠相對上下移動以及相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以方便細(xì)胞陣列的定位與安裝以及及成型工作臺的定位與安裝。
[0010]作為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的再一種改進(jìn)，所述細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)的介質(zhì)為能夠?qū)λ黾?xì)胞陣列產(chǎn)生壓力的介質(zhì)，當(dāng)細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到介質(zhì)的作用時，細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到垂直往下的作用力，相應(yīng)的細(xì)胞按需地打印到成型工作臺相應(yīng)的位置上，而沒有受到作用的細(xì)胞仍然留在細(xì)胞陣列上，從而能夠精確地打印出所需的單層細(xì)胞的形狀。
[0011]作為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述介質(zhì)為光壓或氣壓等可以對細(xì)胞陣列產(chǎn)生作用力而又不對細(xì)胞產(chǎn)生損害的介質(zhì)。
[0012]作為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述細(xì)胞陣列由多個與細(xì)胞形狀相對應(yīng)的細(xì)胞孔槽組成，所述細(xì)胞孔槽為通孔。
[0013]本發(fā)明的3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的打印方法，具體包括如下的步驟:
51、對細(xì)胞陣列中的細(xì)胞孔槽進(jìn)行定位；
52、按照步驟SI中的細(xì)胞孔槽定位方式獲得相應(yīng)的細(xì)胞陣列，相應(yīng)的細(xì)胞陣列分布于第一工作臺上的細(xì)胞陣列安裝孔中；
53、總控制系統(tǒng)控制第二工作臺旋轉(zhuǎn)，使得第二工作臺上的成型工作臺與步驟S2中的細(xì)胞陣列相對應(yīng)；
54、總控制系統(tǒng)控制細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)工作，使得細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到介質(zhì)的作用，細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到垂直往下的作用力，相應(yīng)的細(xì)胞按需地打印到成型工作臺相應(yīng)的位置上，而沒有受到作用的細(xì)胞仍然留在細(xì)胞陣列上，精確地打印出所需的單層細(xì)胞的形狀；
55、總控制系統(tǒng)控制第一工作臺旋轉(zhuǎn)，使得第一工作臺上的細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)與步驟S4中所打印出來的單層細(xì)胞相對應(yīng)，然后總控制系統(tǒng)控制細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)往步驟S4中打印出來的單層細(xì)胞添加細(xì)胞外基質(zhì)材料；
56、完成一層細(xì)胞打印后，總控制系統(tǒng)控制第二工作臺往下移動一個層距離，同時第一工作臺將轉(zhuǎn)換到另一個細(xì)胞陣列，重復(fù)步驟S4、S5 ；
57、重復(fù)步驟S1-S6直至整個器官打印完成。
[0014]其中上述步驟SI中的細(xì)胞陣列中的細(xì)胞孔槽定位方法可以為:確定定位中心，在定位中心作直徑為D的圓，以定位中心所做的圓為定圓連續(xù)不斷地作與在定位中心相切圓，所作的圓相互相切直徑均為D，此時相切圓的圓心正好是通孔的中心，其中D與待打印細(xì)胞的直徑相等。
[0015]其中上述步驟SI中的細(xì)胞陣列中的細(xì)胞孔槽定位方法也可以為:確定定位中心，在定位中心的外圍作連續(xù)包圍的邊長為nD’的正六邊形，各正六邊形的邊長相互平行且定位中心相互重合，然后以正六邊形邊上距離各正六邊形頂點(diǎn)為D’的點(diǎn)為定位中心所作的直徑為D’的圓，其中，η為整數(shù)，D’與待打印細(xì)胞的直徑相等。
[0016]由上述可知本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的有益效果:
本發(fā)明的3D細(xì)胞打印系統(tǒng)可在體外構(gòu)建人體或動物的組織或器官，能夠精確控制單個細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)分布；同時本發(fā)明的打印方法可以精確打印高密度的細(xì)胞，打印的細(xì)胞可以相互接觸，可將不同的細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)打印到不同的空間位置，可有效解決細(xì)胞空間排布及新生組織的生長緩慢的問題。
[0017]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0018]圖1為現(xiàn)有的細(xì)胞打印工藝示意圖；
圖2為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的示意圖；
圖3為本發(fā)明3D細(xì)胞打印系統(tǒng)工作臺的工作原理示意圖；
圖4為細(xì)胞陣列示意圖；
圖5為細(xì)胞陣列與成型工作臺定位示意圖；
圖6為打印原理不意圖；
圖7為細(xì)胞陣列拆分及組合方法示意圖；
圖8為直徑為D的連續(xù)相切圓示意圖；
圖9為正六邊形式陣列定位方法示意圖；
圖10為高致密度細(xì)胞打印流程圖；
圖中:I總控制系統(tǒng)，2細(xì)胞打印工作臺，3細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)，4補(bǔ)料系統(tǒng)，20第一工作臺，21第二工作臺，50定位中心，51分度圓，60細(xì)胞陣列a，61細(xì)胞陣列b，200細(xì)胞陣列安裝孔，201細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)，210成型工作臺。
【具體實(shí)施方式】
[0019]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
[0020]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0021]下面將結(jié)合本發(fā)明中的說明書附圖，對發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]實(shí)施例一
如圖2所示，為本發(fā)明較佳實(shí)施例的3D細(xì)胞打印系統(tǒng)的示意圖，其包括總控制系統(tǒng)1、細(xì)胞打印工作臺2及細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)3，其中，細(xì)胞打印工作臺2如圖3所示，包括第一工作臺20和第二工作臺21，第二工作臺位21于第一工作臺20的下方，第一工作臺20上分布有多個細(xì)胞陣列安裝孔200，可以根據(jù)實(shí)際需要安裝同一類型或不同的細(xì)胞陣列，其中該細(xì)胞陣列如圖4所示由多個與細(xì)胞形狀相對應(yīng)的細(xì)胞孔槽組成，細(xì)胞孔槽為通孔，其中圖4a為捕獲細(xì)胞前的細(xì)胞陣列示意圖，圖4b為捕獲細(xì)胞后的的細(xì)胞陣列示意圖，細(xì)胞捕獲后即可將其安裝于第一工作臺上20的細(xì)胞陣列安裝孔200中；需要說明的是，細(xì)胞陣列也可以直接在細(xì)胞陣安裝孔200中進(jìn)行捕獲。
[0023]再如圖2所示，細(xì)胞外基質(zhì)材料打印系統(tǒng)201安裝于所述第一工作臺20上，成型工作臺210安裝于第二工作臺21中并與第一工作臺20中的細(xì)胞陣列200相對應(yīng)，細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)3位于某一細(xì)胞陣列200的上方。
[0024]再如圖3所示，細(xì)胞打印工作臺2在總控制系統(tǒng)I的控制下，第一工作臺20和第二工作臺21能夠相對上下移動以及相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以保證成型工作臺與細(xì)胞陣列可以相互定位，需要說明的是，圖3所示的工作臺僅僅是工作原理圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)工作原理的描述應(yīng)當(dāng)能夠制作出其具體的結(jié)構(gòu)；當(dāng)組裝不同類型的細(xì)胞陣列時，比如圖中的細(xì)胞陣列a60以及細(xì)胞陣列b61，成型工作臺210與不同類型的細(xì)胞陣列可以相互調(diào)節(jié)定位中心；細(xì)胞陣列與成型工作臺210定位具體如圖5所示，為它們相互定位的平面示意圖，其中，包括定位中心50，虛線圓為分度圓51。當(dāng)細(xì)胞陣列與成型工作臺210定位后，總控制系統(tǒng)I控制細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)3工作，其中細(xì)胞控制介質(zhì)系統(tǒng)3中使用的介質(zhì)可以為光壓或氣壓等可以對細(xì)胞陣列產(chǎn)生作用力而又不對細(xì)胞產(chǎn)生損害的介質(zhì)，使得細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到介質(zhì)的作用，細(xì)胞陣列上的細(xì)胞受到垂直往下的作用力，相