CN102599989B - 一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，属于组织工程技术及快速成形技术领域。该装置包括主体支架、喷头组件、喷嘴组件、软管和销钉。主体支架竖直周向排列有至少两个喷头组件安装槽；每个喷头组件设有喷头组件支架，通过所述支架的安装孔实现与主体支架的固接；主体支架上设有中心轴及喷嘴组件连接端，通过销钉及螺钉将喷嘴组件与其固接；喷嘴组件周向排列有至少两个软管接口，软管连通对应喷头组件，进而形成材料挤出通路。本发明在固定喷嘴不动的情况下可实现料源的按需切换，有效避免了切换喷嘴造成的成形精度及效率的影响，可实现用户定义的非均质细胞与生物材料结构体的精确成形。

Description

一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置

技术领域

本发明涉及一种基于离散/堆积成形原理的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，属于组织工程技术及快速成形技术领域。

背景技术

对受损大块软组织及内脏器官的修复治疗研究，传统临床上，主要有人工替代物、器官移植以及基于再生医学的基因治疗和细胞注射等多种方法，但它们的功能还不尽如人意。对发生功能障碍或缺损、亟需替换病损大块软组织或内脏器官的患者而言，采用一定方法在体外人工制备出具有相应生命功能的活的软组织及内脏器官，可以较容易的克服供体来源和免疫排斥等问题，显得极为必需和重要。组织工程(tissue engineering)概念的提出，为实现这一目标开辟了新途径。其本质在于将活的细胞通过某种方式附合在生物材料基质或制备的载体支架上，来构建功能替代物。然后这一替代物通过培养后或直接植入宿主体内，经过材料的降解，组织的再生和融合而成为宿主组织的一部分，最终整合入到宿主的新陈代谢系统当中，从而达到恢复、维持及提高损伤功能的目的。

组织工程的出现，克服了非生命代替物无法与受体组织完全融合等缺点，也能解决器官移植中存在供体不足等问题，但是由于本身技术上的特点，在构建大块软组织及内脏器官方面，仍存在许多缺憾：1)种植的细胞密度有限，新生组织的长入缓慢；2)与天然组织中三维均衡的生存环境不同，细胞由支架表面向内部生长，因而不利于细胞的相互接触、相应器官的发育和功能表达；3)血管化不足，没有良好的血管化解决方案，导致营养物质在支架内部渗透能力降低，细胞得不到充足的养分，因而在还无法实现大块需要血供充足的大块软组织及内脏器官；4)无法实现将不同的细胞定位到不同的空间位置，而大块软组织及内脏器官往往含有多种细胞，不同细胞具有特有的空间排布特点。

以上难以解决的困难，都可归结到“将细胞种植到支架上”这一组织工程固有技术路线。因此在构建大块软组织及内脏器官时，需要在传统组织工程基础上发展新的技术，实现细胞在空间的可控分布。20世纪90年代末，伴随着生命科学、材料科学、信息科学的发展和进步，特别是与制造科学的融合，诞生了细胞三维受控组装这一重要技术，它是指模拟天然的组织和器官，基于快速原型思想，在计算机中医学解剖学数字模型驱动下，将活的细胞和仿生外基质材料、以及生长因子作为组装单元，按照模型中细胞和材料的实际空间分布，实现精确的定点定位的沉积，从而构建出模拟组织或器官的结构体。

近十年的发展中，诞生了细胞打印、细胞直接三维受控组装、三维生物组装、三维光绘图、立体光刻等诸多技术，但这些技术只能操作单种成份的细胞和材料，构建较为简单的结构体；而大块软组织及内脏器官是复杂的，含有大量的不同种细胞，以及细胞外基质，具有特别的空间分布的三维结构；因此，开发多种细胞的三维受控组装技术，实现真正的不同细胞的空间定位沉积，是体外构建大块软组织及内脏器官的必然趋势。而在一个典型的细胞三维受控组装机中，关键部件之一就是喷射装置。

在2005年，Drexel大学的孙伟开发了一套多喷头喷射装置(multi-nozzle deposition)，包含气动、压电、螺杆和精确挤出四种喷头，尚未见将不同喷头集成到同一成形过程中。中国专利(2010101932132)公开了一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置；中国专利(201010193223.6)公开了一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置；中国专利(200910093785.0)公开了转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，上述报道或者公开的专利都是应用于多种细胞材料的受控组装的，但共同的特点是采用多个喷头(每个喷头包含一个喷嘴)方案，多喷头在成形中主要是通过切换喷头实现多种细胞的组装，由于切换喷头会降低成形效率，不同喷头在切换后又存在位置对准问题，因此，此方法较适用于成形结构简单，分层明显的多种细胞类组织结构体的构建。

而基于单喷嘴多材料源受控输送的喷射装置是今后重点研究和开发的多细胞组装技术的核心，将材料贮存、输送单元与成形喷头单元相分离，在芯片选通切换中，含有细胞的材料可独立由各料腔输送到同一个小内腔体积的喷嘴中挤出成形。这一方法将材料的存储、输送与挤出成形完全分离开，并衔接的非常紧密，不存在不同喷头切换后位置对准问题，有利于进一步提高工艺的成形效率和成形精度，适用于构建任意复杂形状的结构体。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，为实现用户自定义(形状复杂、体积较大、多种材料、非均质分布、)的组织工程结构体的精确成形，提供一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，该装置采用多料腔对应单一喷嘴的形式，在固定喷嘴不动的情况下可实现料源的按需切换，具有人工智能化、高精度、高效率等优点。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，含有细胞三维受控组装成形机机架及至少两个喷头组件，其特征在于：该装置还包括主体支架、喷嘴组件、软管、销钉，所述主体支架固定于细胞三维受控组装成形机机架上，在主体支架竖直周向排列有至少两个喷头组件安装槽；每个喷头组件设有喷头组件支架，通过喷头组件支架上的安装孔实现与主体支架的固接；主体支架上设有中心轴及喷嘴组件连接端，通过销钉及螺钉将喷嘴组件与其固接；喷嘴组件周向排列有至少两个软管接口，通过软管连通对应喷头组件，进而形成材料挤出通路。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述的喷头组件包括材料挤压装置、料腔组件和楔块；所述料腔组件从喷头组件支架上设有的料腔组件安装口装载在料腔组件安装板上，将楔块插入以锁紧料腔组件。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述的喷嘴组件包括喷嘴固定件、密封挡板、固定喷嘴、可调喷嘴和挡圈；密封挡板是带有至少两个锥孔的圆锥台，所述密封挡板的圆锥面与固定喷嘴紧密配合；喷嘴固定件上的出口插入所述密封挡板的锥孔；通过带有环形压板及内螺纹的挡圈与固定喷嘴的外螺纹区的螺纹连接，将上述喷嘴组件紧固。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述软管为透明塑料管，管内径为Φ2mm，可高温灭菌。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述材料挤压装置包括材料挤出控制电机、喷头螺杆、喷头组件支架、限位块、带导向压板、导向块；所述材料挤出控制电机固定在喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；所述导向块与喷头组件支架固接；所述带导向压板与喷头螺杆构成丝杠-螺母传动机构，其上导向柱与导向块接触；所述限位块穿过喷头螺杆并固定在喷头组件支架上。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述料腔组件包括料筒和活塞，活塞与料筒紧密配合。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述料腔组件可以采用金属铜加工，也可以直接采用一次性医用注射器。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述可调喷嘴可以采用金属铜加工，也可以直接采用一次性医用注射针头。

本发明具有以下优点及突出性效果：

①本发明采用多料腔对应单一喷嘴的形式，在固定喷嘴不动的情况下可实现料源的按需切换，可用于形状复杂、多种材料非均质分布的组织结构体的精确成形；

②本发明采用多料腔对应单一喷嘴的形式，可实现两种或两种以上材料的共混成形，为某些特殊材料(不能长时间共混)及结构的成形提供了技术手段；

③通过软件选通切换料源，喷嘴不动，不存在喷头切换后位置对准问题，运动控制简单，成形效率高；

综上，本发明采用多料腔对应单一喷嘴的形式，在固定喷嘴不动的情况下可实现料源的按需切换，具有人工智能化、运动控制简单，高精度、高效率等优点，可实现形状复杂、多种材料非均质分布的组织结构体的精确成形。

附图说明

图1是本发明提供的一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置的实施例的立体图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的俯视图。

图4是主体支架立体图

图5-a是喷头组件立体图，图5-b是料腔组件爆炸视图，图5-c是材料挤压装置立体图，

图5-d是材料挤压装置主视图。

图6-a是喷嘴组件的立体图，图6-b是喷嘴组件爆炸视图，图6-c是喷嘴组件剖面视图。

在图1至图6中：

1-主体支架，11-安装面，12-喷头组件安装槽，13-喷嘴组件固定螺钉孔，14-喷嘴组件连接销钉孔，15-中心轴，16-喷嘴组件连接端，

2-喷头组件，21-材料挤压装置，211-材料挤出控制电机，212-喷头螺杆，213-喷头组件支架，2131-料腔组件安装口，2132-料腔组件安装板，2133-安装孔，214-限位块，215-带导向压板，2151-导向柱，216导向块，22-料腔组件，221-活塞，222-料筒，23-楔块，

3-喷嘴组件，31-喷嘴固定件，311-软管接口，312-连接柱，313-通孔，314-螺纹孔，315-出口，32-密封挡板，321-锥孔，33-固定喷嘴，331-外螺纹，332-锥形喷嘴，34-可调喷嘴，35-挡圈，351-内螺纹，352-环形压板，

4-软管，

5-销钉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理和工作过程内容。

本发明设计的一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，如图1～图6所示，所述装置，含有细胞三维受控组装机机架及六个喷头组件2，该装置还包括主体支架1、喷嘴组件3、软管4、销钉5，所述主体支架1固定于细胞三维受控组装成形机机架上，在主体支架竖直周向排列有至少两个喷头组件安装槽12；每个喷头组件设有喷头组件支架213，通过喷头组件支架上的安装孔2133实现与主体支架的固接；主体支架上设有中心轴15及喷嘴组件连接端16，通过销钉5及螺钉将喷嘴组件3与其固接；喷嘴组件周向排列有至少两个软管接口311，通过软管4连通对应喷头组件，进而形成材料挤出通路。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述的喷头组件包括材料挤压装置21、料腔组件22和楔块23；所述料腔组件从喷头组件支架上设有的料腔组件安装口2131装载在料腔组件安装板2132上，将楔块插入以锁紧料腔组件。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述的喷嘴组件包括喷嘴固定件31、密封挡板32、固定喷嘴33、可调喷嘴34和挡圈35；密封挡板是带有至少两个锥孔321的圆锥台，所述密封挡板的圆锥面与固定喷嘴紧密配合；喷嘴固定件上的出口315插入所述密封挡板的锥孔321；通过带有环形压板352及内螺纹351的挡圈与固定喷嘴的外螺纹区331的螺纹连接，将上述喷嘴组件紧固。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述软管为透明塑料管，管内径为Φ2mm，可高温灭菌。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述材料挤压装置包括材料挤出控制电机211、喷头螺杆212、喷头组件支架213、限位块214、带导向压板215、导向块216；所述材料挤出控制电机固定在喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；所述导向块与喷头组件支架固接；所述带导向压板与喷头螺杆构成丝杠-螺母传动机构，其上导向柱2151与导向块接触；所述限位块穿过喷头螺杆并固定在喷头组件支架上。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述料腔组件包括料筒222和活塞221，活塞与料筒紧密配合。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述料腔组件22直接采用一次性医用注射器。

本发明所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置中，所述可调喷嘴34直接采用一次性医用注射针头。

结合图1～图6，本实施例的工作原理和工作过程叙述如下：

细胞结构体成形时，细胞三维受控组装机的成形环境设定到合适的成形温度。调整成形平台并进行初始对准。根据成形的结构体材料成分配制多种材料(细胞、生物材料、生长因子等其它生物材料共混物)，将不同成形材料(A、B、C、D等)装入不同的料腔组件22中，材料A挤出控制电机211开始转动，通过丝杠-螺母传动机构推动带导向压板215挤压料腔组件22的活塞221，使成形材料A从喷嘴组件3挤出，在三维运动的成形平台上堆积成形。当成形完成一层时，材料挤出控制电机211停止转动，同时，成形平台下降一个成形厚度，材料A挤出控制电机211继续转动并重复上述工作；根据计算机层片信息文件及材料压缩率以及喷嘴组件的材料填充体积，计算机软件自动计算出成形相继材料需要的前置时间t，当材料B需要成形时，材料A挤出控制电机会提前时间t停止转动，材料B相应挤出控制电机211开始转动，当材料B控制电机转动t时间后，恰好就是结构模型中的材料B的成形起始点，挤出成形的执行过程与材料A挤出成形过程一样。结构体模型中所有材料的成形控制方式都是如同A、B材料的前后相继控制方式。当结构体被最终完成后，依照特定工艺将成形平台移到初始位置，将成形的细胞生物材料结构体取出。

Claims (7)

1.一种细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，含有细胞三维受控组装成形机机架及至少两个喷头组件(2)，其特征在于：该装置还包括主体支架(1)、喷嘴组件(3)、软管(4)、销钉(5)，所述主体支架固定于细胞三维受控组装成形机机架上，在主体支架竖直周向排列有至少两个喷头组件安装槽(12)；每个喷头组件设有喷头组件支架(213)，通过喷头组件支架上的安装孔(2133)实现与主体支架的固接；主体支架上设有中心轴(15)及喷嘴组件连接端(16)，通过销钉(5)及螺钉将喷嘴组件(3)与其固接；喷嘴组件周向排列有至少两个软管接口(311)，通过软管(4)连通对应喷头组件，进而形成材料挤出通路；

所述的喷嘴组件包括喷嘴固定件(31)、密封挡板(32)、固定喷嘴(33)、可调喷嘴(34)和挡圈(35)；密封挡板是带有至少两个锥孔(321)的圆锥台，所述密封挡板的圆锥面与固定喷嘴紧密配合；喷嘴固定件上的出口(315)插入所述密封挡板的锥孔(321)；通过带有环形压板(352)及内螺纹(351)的挡圈与固定喷嘴的外螺纹区(331)的螺纹连接，将上述喷嘴组件紧固。

2.如权利要求1所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述的喷头组件包括材料挤压装置(21)、料腔组件(22)和楔块(23)；所述料腔组件从喷头组件支架上设有的料腔组件安装口(2131)装载在料腔组件安装板(2132)上，将楔块插入以锁紧料腔组件。

3.如权利要求1所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述软管(4)为透明塑料管，管内径为Φ2mm，可高温灭菌。

4.如权利要求2所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述材料挤压装置包括材料挤出控制电机(211)、喷头螺杆(212)、喷头组件支架(213)、限位块(214)、带导向压板(215)、导向块(216)；所述材料挤出控制电机固定在喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；所述导向块与喷头组件支架固接；所述带导向压板与喷头螺杆构成丝杠-螺母传动机构，其上导向柱(2151)与导向块接触；所述限位块穿过喷头螺杆并固定在喷头组件支架上。

5.如权利要求2所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述料腔组件包括料筒(222)和活塞(221)，活塞与料筒紧密配合。

6.如权利要求5所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述料腔组件(22)可以采用金属铜加工，也可以直接采用一次性医用注射器。

7.如权利要求3所述的细胞三维受控组装机用多料源输送单喷嘴喷射装置，其特征在于：所述可调喷嘴(34)可以采用金属铜加工，也可以直接采用一次性医用注射针头。