CN104873300B - 一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，包括喷头、喷头移动方向控制单元以及供液装置，所述喷头包括：带有内腔的安装管；同轴密封固定在内腔两端的外喷头和内喷头，所述内喷头的出料端伸入外喷头的喷腔内且继续延伸至与外喷头的出料端平齐；所述外喷头和内喷头分别通过管路与所述的供液装置连通。本发明操作简单，成本低，具有可更换的喷头和夹具，适用于不同尺寸和不同材料的生物结构打印。

Description

一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置

技术领域

本发明属于组织工程技术领域，尤其是涉及一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置。

背景技术

由于衰老、疾病、事故等导致的器官缺损严重影响人们的健康，解决这一问题的有效办法是进行器官移植，但是可供移植的器官数量有限，难以满足需求。

为了解决器官移植的缺陷，近年来组织工程应运而生，组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护和增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能，主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水平。这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。传统的组织工程采用基于三维生物支架的方法，在支架上种植细胞，细胞可以增殖和分化。然而这种方法不能制造复杂的生物结构。

近年来，三维打印技术开始应用于组织工程技术领域，这种技术直接将细胞和支撑材料混合打印出来，制造三维生物结构，称为生物打印或直接细胞打印。这种技术是基于快速成型技术，通过“逐层打印，层层叠加”的原理来制造复杂的三维生物结构，其中，喷墨打印技术、激光打印技术、熔融挤压技术是应用最广泛的生物打印方法。

尽管现有的生物打印技术可以制造出复杂的三维生物结构，然而在器官制造中包含血管网络还是一个很大的挑战。没有血管网络，制造出的三维生物结构无法进行营养和气体交换以及代谢产物的排放，不利用细胞的增殖和分化。所以，制造含有血管网络的三维生物结构是生物打印未来的重要发展方向。

发明内容

本发明提供了一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，该装置能够快速打印出具有内置营养通道的三维生物结构。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，包括喷头、喷头移动方向控制单元以及供液装置，所述喷头包括：

带有内腔的安装管；

同轴密封固定在安装管内腔两端的外喷头和内喷头，所述内喷头的出料端伸入外喷头的喷腔内且继续延伸至与外喷头的出料端平齐；

所述外喷头和内喷头分别通过管路与所述的供液装置连通。

采用上述技术方案，能够将储液装置中的不同凝胶材料通过内外喷头同时打印，形成未完全反应的中空凝胶纤维，通过喷头移动方向控制单元控制喷头的平面运动，同时配合现有的成形平台的上下运动，使相邻中空凝胶纤维融合在一起，从而实现具有内置营养通道的三维生物结构的打印。

作为优选，所述安装管顶端可拆卸安装有密封盖；所述内喷头顶端与所述密封盖抵接。通过密封盖可方便实现对内喷头的定位，防止内喷头从安装管顶部脱离。作为进一步优选，所述密封盖采用螺纹固定方式与安装管顶部固定。所述密封盖中部设有与内喷头喷腔进口端对应的避让孔。

作为优选，所述内腔内壁设有倒置的锥台面；所述内喷头底部外周与所述锥台面抵接。通过锥台面避免内喷头从安装管底部脱落。作为进一步优选，所述内喷头底部设有延伸段，该延伸段进一步深入安装管的内腔中，同时周向相互配合，实现对内喷头径向的定位，避免内喷头径向晃动。

作为优选，所述外喷头或内喷头分别通过可拆卸固定在安装管上的第一供液管或第二供液管与所述供液装置连通。第一供液管或第二供液管均采用可拆卸方式，方便了第一供液管或第二供液管的更换。

作为优选，所述内喷头的喷腔入口为内径逐渐缩小的内圆锥面，所述第二供液管底部外壁为与所述内锥面配合的外圆锥面；通过内圆锥面和外圆锥面可实现内喷头和第二供液管的插接固定；所述第一供液管螺纹固定在所述安装管外壁。通过上述可拆卸方式，保证第一供液管或第二供液管安装和拆卸方便。

作为优选，所述外喷头的喷腔进口处设有圆形的多孔定位盘，定位盘中心设有供内喷头出料端穿过的中心定位孔，定位盘四周与外喷头的喷腔进口内壁贴合。通过定位盘可保证内外喷头的同轴性。

作为优选，所述喷头移动方向控制单元包括：

用于固定喷头的喷头夹具；

驱动喷头和喷头夹具沿x轴和y轴方向分别往复移动的驱动机构；

所述喷头夹具上设有对所述喷头提供轴向托举力的轴向定位口，以及对喷头提供径向限位的径向定位口。

驱动机构一般包括X轴驱动机构、Y轴驱动机构，本发明通过X轴驱动机构、Y轴驱动机构对打印喷头进行平面运动控制。X轴驱动机构、Y轴驱动机构一般均包括电机、受电机驱动的丝杠、与丝杠传动的滑块、以及导向机构等主要部件。成形平台一般通过Z轴驱动机构实现z方向的上下运动。Z轴驱动机构一般也包括电机、受电机驱动的丝杠、与丝杠传动的滑块、以及导向机构等主要部件。

作为优选，所述喷头夹具包括可拆卸固定的夹具夹板和夹具压板；

所述夹具夹板底部设有所述轴向定位口，该轴向定位口为与外喷头外壁配合的倒锥台结构；所述夹具夹板顶部设有第一弧形槽；

所述夹具压板上设有第二弧形槽，该第二弧形槽与所述第一弧形槽相互对正形成所述的径向定位口。

作为优选，所述供液装置包括：

分别与所述外喷头和内喷头连通的两个注射器，每个注射器均包括储液管以及一端插入所述储液管且滑动配合的推杆；

用于固定所述储液管的固定块；

用于推动所述推杆的移动块；

驱动移动块往复移动的驱动器，该驱动器的输出端与所述移动块固定。

上述注射器与内喷头或外喷头之间一般通过连接管实现物料的传送。

作为优选，所述固定块或移动块上均设有用于扶持所述储液管或推杆的托槽；所述托槽的槽壁包括自上而下逐渐缩小的若干弧形段、以及将这些弧形段依次连接的过渡段，每个弧形段对应一个用于实现对相应尺寸注射器进行定位的定位点。上述结构托槽的设置，可实现对多种规格的注射器的支撑定位。

本发明中供液装置，密封盖，安装管，外喷头，内喷头，定位盘等均采用可拆卸方式固定，方便了同轴喷头的可更换，同时方便了同轴喷头的清洗。

本发明通过设置定位盘，保证了内外喷头的同轴性，保证了打印精度。

本发明的同轴喷头的工作过程为：一种凝胶材料通过第一供液管先进入安装管，然后通过定位盘外围的孔位进入外喷头；另一种凝胶材料通过第二供液管直接进入内喷头。两种材料在喷头端部相遇，反应生成需要的凝胶纤维。

使用本发明的打印装置时，为了打印包含两种细胞的三维生物结构，所述打印装置可以采用双喷头，与单喷头类似，设置含有两套夹紧装置的夹具并采用四通道注射泵同时供液。打印过程中，四通道注射泵按照设置的流速推进注射器，让注射器中凝胶材料进入同轴喷头，实现稳定供液。

上述四通道注射泵可以采用市场上成熟的注射泵装置，但是由于本发明中所使用的凝胶材料的粘度较大，作为优选，本发明采用自主设计的大推力四通道注射泵，该注射泵主要包括：电机、电机底座、丝杠、丝杠螺母、导轨滑块、直线光轴、导轨端板、联轴器、注射器夹具固定块、注射器夹具移动块、底板、立柱。

注射泵的工作过程为：电机转动通过联轴器带动丝杠转动，转化为滑块的往复运动，固定在滑块上的注射器夹具移动块驱动注射器的推杆进行往复运动实现稳定供液。

为了实现不同型号的注射器的装夹，所述注射器夹具的固定块和移动块均设置有配套的不同大小的弧形定位点，可实现对多种规格的注射器的定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明方法简单，易于操作，成本低，将形成的中空凝胶纤维沉到成形平台上，利用未完全反应的中空凝胶纤维可以融合的现象，通过同轴喷头的平面运动和成型平台的上下运动，打印具有内置营养通道的三维生物结构。

(2)本发明的同轴喷头由可装配的零件组成，装配后密封性好，并且喷头尺寸可以根据三维生物结构的内部通道尺寸进行更换。

(3)本发明的同轴喷头夹具结构简单，可根据不同的同轴喷头进行更换。

(4)本发明采用大推力四通道注射泵供液，可以驱动高粘度的材料，而且方便控制材料的流动速度。

附图说明

图1为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置结构示意图。

图2a为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置的同轴喷头结构示意图。

图2b为图2a所示同轴喷头的剖视图。

图2c为图2b所示同轴喷头中定位盘的结构示意图。

图3为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置的单喷头夹具结构示意图。

图4为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置的双喷头夹具结构示意图。

图5为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置的大推力四通道注射泵结构示意图。

图6为本发明的大推力四通道注射泵上单个通道的安装结构示意图。

图7为本发明的大推力四通道注射泵上导轨滑块的结构示意图。

图8为本发明的大推力四通道注射泵上注射器夹具固定块的结构示意图。

图9为本发明的大推力四通道注射泵上注射器夹具移动块的结构示意图。

图10为本发明的一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置的成形平台结构示意图。

图11为一种利用本发明的装置打印具有内部通道的三维生物结构的工艺流程图。

图中：1为同轴喷头，2为同轴喷头夹具，3为Y轴导轨连接板，4为Y轴电机，5为Y轴导轨固定板，6为Y轴丝杠，7为Y轴滑块，8为X轴电机，9为第一X轴导轨连接板，10为X轴丝杠，11为同轴喷头夹具连接板，12为X轴滑块，13为X轴导轨固定板，14为第二X轴导轨连接板，15为Y轴直线导轨连接板，16为Y轴直线导轨滑块，17为Y轴直线导轨固定板，18为Y轴直线导轨，19为Z轴电机，20为Z轴导轨连接板，21为Z轴导轨固定板，22为Z轴滑块，23为成形平台连接板，24为成形平台横板，25为安装框架，26为Z轴丝杠，27为固定底板，28为成形平台竖板，29为成形平台接收板，30为培养皿，31为四通道注射泵，32为盛放海藻酸钠与细胞混合液的注射器，33为盛放氯化钙溶液的注射器，34为第一连接管，35为第二连接管，36为同轴喷头的第一供液管，37为同轴喷头的第二供液管，38为同轴喷头的密封盖，39为同轴喷头的安装管，40为同轴喷头的外喷头，41为同轴喷头的内喷头，42为同轴喷头的定位盘，43为同轴喷头的夹具压板，44为同轴喷头的夹具夹板，45为注射泵的联轴器，46为注射器夹具固定块，47为注射泵的电机，48为注射泵的立柱，49为注射泵的电机底座，50为注射泵的底板，51为注射泵的丝杠螺母，52为注射泵的导轨滑块，53为注射泵的导轨端板，54为注射泵的直线光轴，55为注射泵的丝杠，56为注射器夹具移动块。

具体实施方式

如图1所示，一种具有内部通道的三维生物结构的打印装置，包括用于打印的同轴喷头1，成形平台，供液系统。

如图1所示，同轴喷头1通过X轴驱动机构、Y轴驱动电机运动实现平面运动。X轴驱动机构、Y轴驱动电机均包括电机、丝杠、滑块、导向机构等主要部件。

其中Y轴驱动机构中，Y轴电机4带动Y轴丝杠6转动，从而带动Y轴滑块7直线运动，Y轴滑块7滑动安装在Y轴导轨固定板5上，可根据需要在Y轴滑块7与Y轴导轨固定板5之间设置导向机构，例如导向凹槽和导向凸块的配合结构等，然后Y轴导轨固定板5通过Y轴导轨连接板3固定在安装框架25上，Y轴另一侧通过Y轴直线导轨18承载，Y轴直线导轨18通过Y轴直线导轨固定板17固定在安装框架25上。

其中X轴驱动机构中，X轴电机8带动X轴丝杠10转动，从而带动X轴滑块12直线运动，X轴滑块12滑动安装在X轴导轨固定板13上，X轴滑块12与X轴导轨固定板13之间设有导向部件，该导向部件可以是相互配合的导向槽和导向凸块结构，也可以是与X轴导轨固定板13周缘直接配合的单独的导向槽结构，X轴导轨固定板13一端通过第一X轴导轨连接板9固定在Y轴滑块7上，另一侧通过第二X轴导轨连接板14和Y轴直线导轨连接板15固定在Y轴直线导轨滑块16上，Y轴直线导轨滑块16底部设有与Y轴直线导轨18滑动配合的导向槽。同轴喷头夹具2通过同轴喷头夹具连接板11固定在X轴滑块12上，从而实现同轴喷头平面运动。

如图1和图10所示，成形平台通过Z轴驱动机构实现上下运动。其中Z轴驱动机构中，Z轴电机19带动Z轴丝杠26转动，从而带动Z轴滑块22直线运动，Z轴滑块22滑动安装在Z轴导轨固定板21上，Z轴滑块22与Z轴导轨固定板21之间设有导向件，该导向件为设置在Z轴滑块22一侧的导向槽，该导向槽与Z轴导轨固定板21滑动配合，然后Z轴导轨固定板21通过Z轴导轨连接板20固定在安装框架25上，下端固定在固定底板27上。成形平台接收板29通过成形平台竖板28、成形平台横板24和成形平台连接板23固定在Z轴滑块22上，从而在Z轴电机19驱动下实现上下运动。培养皿30放置在成形平台接收板29上。

供液系统由大推力四通道注射泵31、盛放海藻酸钠与细胞混合液的注射器32、盛放氯化钙溶液的注射器33、第一连接管34和第二连接管35组成。

如图1所示，盛放海藻酸钠与细胞混合液的注射器32和盛放氯化钙溶液的注射器33放置在四通道注射泵31上，盛放海藻酸钠与细胞混合液的注射器32通过第一连接管34与同轴喷头第一供液管36连通，盛放氯化钙溶液的注射器33通过第二连接管35与同轴喷头第二供液管37连通，从而实现流量可控供液。

如图2a-图2c所示，同轴喷头1由第一供液管36、第二供液管37、带有保证第二供液管37能够插入的避让孔的密封盖38、安装管39、外喷头40、内喷头41、多孔的定位盘42组成。安装管39内设有内腔，内腔靠近顶部内壁设有倒置的圆锥台，顶部的圆锥台用于实现内喷头的固定。外喷头顶面设有定位台阶，用于实现定位盘42的定位。工作时，第一供液管36、密封盖38、外喷头40通过螺纹连接固定在安装管39上，内喷头41顶面与密封盖38底面抵接，内喷头41底端为类似外锥台结构，与安装管39内壁设置的锥形台抵接，通过密封盖38下压力实现自身的固定，第二供液管37下端为圆锥面，通过圆锥面与内喷头41连接，内喷头41通过多孔的定位盘42中间的孔深入到外喷头40的端部，内外喷头端面平齐。整个同轴喷头装配后密封性很好。定位盘42、内喷头41和外喷头同轴设置，多孔的定位盘42中间设有避让内喷头41端部的避让通孔，以及用于与第一供液管36导通的打印通道，打印通道沿圆柱形多孔的定位盘42的中心轴周向均匀设置。

如图3所示，同轴喷头1通过同轴喷头夹具2固定，同轴喷头夹具2可拆卸，由夹具压板43和夹具夹板44组成。夹具夹板44下端设置有与同轴喷头外喷头40的外锥面配合的倒锥台结构，对同轴喷头1提供向上的支撑力，夹具夹板44上端设置有与同轴喷头密封盖38配合的半圆柱槽，实现对同轴喷头1径向的固定，和夹具压板43上设置的半圆柱槽一起形成完成的圆柱形槽，将同轴喷头1卡住。工作时，同轴喷头1先放入夹具夹板44中，夹具压板43通过螺钉与夹具夹板44连接，将同轴喷头1固定。这种夹紧方式还可以使同轴喷头1转动，这样在打印过程中，可以配合第一连接管34和第二连接管35转动，避免连接管动作太大脱落，且不影响打印质量。

如果需要打印包含两种细胞的三维生物结构，如图4所示，需要采用两个喷头的喷头夹具。夹具夹板44设置有两组分别与同轴喷头1的外喷头40配合的锥面和与同轴喷头1的密封盖38配合的半圆柱槽，两个夹具压板43通过螺钉与夹具夹板44连接，将两个同轴喷头1固定。

如图5、图6和图7所示，本发明采用的大推力四通道注射泵31主要包括：电机47、电机底座49、丝杠55、丝杠螺母51、导轨滑块52、直线光轴54、导轨端板53、联轴器45、注射器夹具固定块46、注射器夹具移动块56、底板50、立柱48。工作时，电机47转动，通过联轴器45带动丝杠55转动，转化为导轨滑块52的往复运动，注射器夹具移动块56通过螺钉与导轨滑块52连接，注射器33的推杆固定在滑块上的注射器夹具移动块56上，注射器33的安装管固定在注射器夹具固定块46上，导轨滑块52与直线光轴54配合实现导向，从而实现稳定供液。

如图8和图9所示，注射器夹具固定块46和注射器夹具移动块56均设置有托槽，托槽槽壁由多个不同大小的弧形段，以及将这些弧形段相互连接的过渡段，相邻两个弧形段和过渡段形成一个定位点，实现特定尺寸的注射器的定位固定，满足不同型号注射器的装夹。

如图11，利用此发明中的装置，以打印含有兔软骨细胞的海藻酸凝胶三维结构为例，通过控制打印过程中的工艺参数，使形成的中空凝胶纤维未完全反应，没有完全反应的凝胶先驱材料可以融合成一体，最终得到所需要的三维生物结构。该方法具体按如下步骤进行：

(1)制备质量百分比浓度为2％的海藻酸钠溶液：按比例将生化级海藻酸钠粉末和去离子水混合，用磁力搅拌机进行搅拌，混合均匀，并进行灭菌处理；

(2)将培养一段时间后的兔软骨细胞与步骤(1)配置的海藻酸钠溶液混合，制备成溶液细胞的混合物，细胞的浓度为1×10⁶个/ml。

(3)制备质量百分比浓度为2％的氯化钙溶液：按比例将氯化钙粉末与去离子水混合，用磁力搅拌机进行搅拌，混合均匀，并进行灭菌处理；

(4)将步骤(2)中配置好的含有兔软骨细胞的2％的海藻酸钠溶液倒入与同轴喷头外喷头40相连的注射器32中；将步骤(3)中配置好的2％的氯化钙溶液倒入与同轴喷头内喷头41相连的注射器33中。并将两个注射器均放置在四通道注射泵31上；

(5)利用四通道注射泵31控制同轴喷头外喷头40和内喷头41的液体的流动速度，均设置为1ml/min，得到含有兔软骨细胞的未完全反应的中空凝胶纤维；

(6)利用控制系统，根据每层的代码信息，驱动同轴喷头1沿X轴、Y轴、Z轴方向运动，同时控制成形平台运动沿Z轴方向运动，成形平台的速度设置为1200mm/min，线距和层高均设置为1mm，使形成的中空凝胶纤维以一定的轨迹沉积在成形平台上的培养皿30中，中空凝胶纤维线与线之间及层与层之间均融合在一起，逐层打印，最终形成一个整体三维生物结构。

(7)将打印完成的三维生物结构浸泡在步骤(2)中2％的氯化钙溶液中，完全反应后得到具有一定强度且内部具有通道的三维生物结构。

Claims (6)

1.一种具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，包括喷头、喷头移动方向控制单元以及供液装置，其特征在于，所述喷头包括：

带有内腔的安装管；

同轴密封固定在安装管内腔两端的外喷头和内喷头，所述内喷头的出料端伸入外喷头的喷腔内且继续延伸至与外喷头的出料端平齐；

所述外喷头和内喷头分别通过管路与所述的供液装置连通；

所述供液装置包括：

分别与所述外喷头和内喷头连通的两个注射器，每个注射器均包括储液管以及一端插入所述储液管且滑动配合的推杆；

用于固定所述储液管的固定块；

用于推动所述推杆的移动块；

驱动移动块往复移动的驱动器，该驱动器的输出端与所述移动块固定；

所述固定块或移动块上均设有用于扶持所述储液管或所述推杆的托槽；所述托槽的槽壁包括自上而下逐渐缩小的若干弧形段、以及将这些弧形段依次连接的过渡段，每个弧形段对应一个用于实现对相应尺寸注射器进行定位的定位点；

所述安装管顶端可拆卸安装有密封盖；所述内喷头顶端与所述密封盖抵接，所述密封盖采用螺纹固定方式与安装管顶部固定；

所述内腔内壁设有倒置的锥台面；所述内喷头底部外周与所述锥台面抵接；所述内喷头底部设有延伸段，该延伸段进一步深入安装管的内腔中，同时周向相互配合。

2.根据权利要求1所述的具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，其特征在于，所述外喷头或内喷头分别通过可拆卸固定在安装管上的第一供液管或第二供液管与所述供液装置连通。

3.根据权利要求2所述的具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，其特征在于，所述内喷头的喷腔入口为内径逐渐缩小的内圆锥面，所述第二供液管底部外壁为与所述内锥面配合的外圆锥面；所述第一供液管螺纹固定在所述安装管外壁。

4.根据权利要求1所述的具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，其特征在于，所述外喷头的喷腔进口处设有圆形的多孔定位盘，定位盘中心设有供内喷头出料端穿过的中心定位孔，定位盘四周与外喷头的喷腔进口内壁贴合。

5.根据权利要求1所述的具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，其特征在于，所述喷头移动方向控制单元包括：

用于固定喷头的喷头夹具；

驱动喷头和喷头夹具沿x轴和y轴方向分别往复移动的驱动机构；

所述喷头夹具上设有对所述喷头提供轴向托举力的轴向定位口，以及对喷头提供径向限位的径向定位口。

6.根据权利要求5所述的具有内置营养通道的三维生物结构的打印装置，其特征在于，所述喷头夹具包括可拆卸固定的夹具夹板和夹具压板；

所述夹具夹板底部设有所述轴向定位口，该轴向定位口为与外喷头外壁配合的倒锥台结构；所述夹具夹板顶部设有第一弧形槽；

所述夹具压板上设有第二弧形槽，该第二弧形槽与所述第一弧形槽相互对正形成所述的径向定位口。