CN105524831B - 一种生物3d打印培养一体化系统及方法 - Google Patents

一种生物3d打印培养一体化系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明构建了一种生物3D打印培养一体化系统及方法，解决了生物打印与培养系统分离所面临的环境污染及设备腐蚀问题；该系统能够实现各种细胞、细胞支架在生物培养系统中同步打印，即3D打印培养的一体化，保证打印过程中细胞的活性和打印后细胞的功能及分化，且避免受到外界环境的影响；该系统采取培养与打印驱动分离式设计，将打印喷头卡具嵌入生物培养系统，在保证无阻碍打印的基础上，避免打印设备及外界环境对无菌培养环境的破坏，可以实现高精度细胞打印和培养的一体化；该系统降低生物培养温湿度对工作台组件在材料、尺寸、设计等方面的特殊要求，提高工作台的定位精度、速度等，提升驱动模块的使用寿命，大大降低了成本。

Description

一种生物3D打印培养一体化系统及方法
技术领域
本发明属于3D打印与组织工程领域，具体涉及一种生物3D打印培养一体化系统及方法。
背景技术
细胞支架的3D打印与打印组织的体外培养是整个生物3D打印领域中最为关键的两个方面。传统的生物组织打印，大部分都是打印与培养是独立的两个部分，打印后再转移到相应的培养环境中，由于打印及转移过程中所处的环境与培养环境差异较大，不能达到培养环境要求，降低了细胞的打印质量和成活率。目前已有部分使用打印培养相结合的方式，将打印工作台直接放置于培养环境中从而使打印环境满足培养条件，省去了打印后的转移操作。但是，有限的培养空间及较高的培养温湿度要求，会提高对工作台构件材料、设计尺寸以及运动行程的要求。材料的防腐、丝杠轴承的润滑会对环境造成污染。即使找到了可以适应相应环境的材料，其机械性、使用寿命、加工难易程度、材料成本及无毒性等难以同时满足要求。
发明内容：
本发明提出了一种生物3D打印培养一体化系统及方法，保证在打印过程中不受外界环境及打印设备本身的影响，避免了3D打印工作台在较高的温湿度环境中，减小了对工作台构件材料的工作环境要求，更大限度的提高工作台的使用性能和寿命，降低了成本。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物3D打印培养一体化系统，由打印培养观测模块、运动模块和控制模块组成；其中，打印培养观测模块以生物培养系统2为主体，生物培养系统2内部配置喷头3和紫外光源9，喷头3下方设置半径可调节的固定卡具5，半径可调节的固定卡具5内固定培养皿8，培养皿8内为打印的细胞支架6，还包括对打印进行实时观测的微型摄像头4，所述生物培养系统2的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板7对其进行密封处理；所述运动模块包括机械臂13，控制机械臂13运动的三维移动工作台1以及为喷头3提供动力的电机12，所述三维移动工作台1通过机械臂13控制喷头3的移动，嵌入生物培养系统2的部分的机械臂13与柔性材料板7之间也保证密封；所述控制模块包括相连接的计算机11和控制器10，所述控制器10与电机12和三维移动工作台1连接；所述打印培养观测模块、运动模块和控制模块之间相互协同共同实现打印培养一体化，同时，这三个模块也相对独立，能够单独对任意一个模块进行调整与改进而不影响其他模块。
所述生物培养系统2的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板7对其进行密封处理，同时嵌入生物培养系统2的部分的机械臂13与柔性材料板7之间也保证密封，这两处密封，既保证了生物培养系统2中的培养环境的稳定，也实现了打印培养观测模块与运动模块的分离；其中生物培养系统2的开口尺寸大小要根据三维移动工作台1的y，z轴向行程大小而设计，以防止影响所要打印细胞支架的预期尺寸；而且柔性材料板7的面积应该大于生物培养系统2的开口面积，具体的大小设定根据三维移动工作台1的xyz三轴移动的行程的大小来决定；这样，通过适当的增大柔性材料板7的面积来保证打印过程中三维移动工作台1的自由移动。
所述柔性材料板7的材料选择乳胶、橡胶、帆布、毛毡、聚酯类、聚酰亚胺类或聚氟等所有具有无菌、隔热的柔性材料。
所述生物培养系统2能够提供正常培养细胞的环境，其中包括：无菌、温度、湿度、电场、磁场、光照强度、CO2浓度与O2浓度方面的设定与调节。
嵌入生物培养系统2中的部分机械臂13和半径可调节的固定卡具5均使用铝合金、不锈钢或硬铝防锈材料，以防止设备生锈从而缩短设备的使用寿命且影响内部正常的无菌培养环境。
所述半径可调节的固定卡具5能够适用于不同尺寸半径的培养皿8的固定，便于满足打印不同尺寸即10×10mm2—150×150mm2的组织及所需培养环境个性化尺寸的设定。
所述运动模块中的三维移动工作台1的运动速度范围为0-50mm/s，xyz三轴行程都是150mm，且在此运动速度范围与行程的大小的条件下，能够达到10μm的定位精度，不会产生振动、爬行现象，保证了运动精度；所述喷头3的流量范围为0.14μl/min-52.95ml/min。
由计算机11向控制器10传输信号，通过控制器10来控制电机12对喷头3的注射器的挤压和三维移动工作台1的xyz三轴联动，这样能够通过直接在计算机上进行设定来实现喷头3的挤压与三维移动工作台1的运动集成化控制；解决了由于喷头3的材料挤压与三维移动工作台1的独立操控而导致的填料与移动之间的时差问题，从很大的程度上提高了打印的精确度。
上述所述的生物3D打印培养一体化系统，包括步骤如下：
步骤1：打开紫外光源9，对生物培养系统2的内部、嵌入生物培养系统2中的部分机械臂13、喷头3、微型摄像头4、半径可调节的固定卡具5以及柔性材料板7进行灭菌，保证照射24小时；
步骤2：灭菌结束后，关闭紫外光源9；启动生物培养系统2的相应程序，获得满足培养相应的细胞支架6的培养条件；选择适当大小的无菌的培养皿8，固定在半径可调节的固定卡具5上，且保证其处于水平，注入适量的培养液；
步骤3：采用混有不同细胞的水凝胶的溶液，注入相应的喷头3的注射器当中，调节三维移动工作台1调整喷头3与培养皿8之间的距离，使其达到所需要的打印距离；
步骤4：通过计算机11与控制器10设定和控制三维移动工作台1的运动和喷头3的流量，使打印的路径按照事先导入计算机11的CAD模型轨迹进行运动；直到完成第一层的打印，三维移动工作台1停止运动，电机12同时停止推动；
步骤5：使三维移动工作台1沿着Z轴向上移动，调节至适当的位置，计算机11与控制器10同时启动三维移动工作台1和电机12，使打印的路径按照CAD模型轨迹进行运动；直到完成第二层的打印，三维移动工作台1停止运动，电机12同时停止推动；
步骤6：重复步骤5，直至打印结束后为止；整个过程中，都使用微型摄像头4对打印进行实时观测，以便于一旦出现问题立刻调整。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明采取分离式设计，将打印工作台的有效打印喷头卡具嵌入生物培养系统，既保证了打印部分的无阻碍运动的执行，最大限度的避免了外界环境及打印设备本身对内部无菌培养环境的破坏，同时也降低了生物培养的温度湿度环境对工作台组件在材料、尺寸、设计等方面的特殊要求，提升了驱动模块的使用寿命，也更大限度的提高了工作台的定位精度、速度等使用性能参数，大大降低了成本。并且这种分离式系统采取不同模块间相互配合的方式，可以实现模块间的自由组合与任意替换，为后期对运动、打印及培养模块的更换与改进提供了便利条件。本发明解决了生物打印与培养一体化系统通常所面临的环境污染与设备腐蚀的矛盾问题。总之，该系统可以实现高精度细胞打印和培养的一体化。
2、本发明打破了打印培养一体化的常规方法，勿需考虑3D打印工作台整体置于培养环境中所带来的易腐蚀、寿命短等各类问题。降低了对3D打印工作台的外形尺寸的要求及行程的限制。保证了3D打印工作台的性能，优化了打印结果。
3、本发明在实验要求的培养环境(一般为温度37℃，湿度65％，CO2浓度5％)下，可以在完全避免由3D打印工作台对培养的无菌环境的影响(例如润滑油带来的污染)，实现体外培养打印一体化。这样可以大大减小培养环境的污染概率。
说明书附图
图1是本发明的生物3D打印培养一体化系统的结构示意图。
图2是本发明的三维移动工作台的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明一种生物3D打印培养一体化系统，由打印培养观测模块、运动模块和控制模块三个模块组成；其中，打印培养观测模块以生物培养系统2为主体，生物培养系统2内部配置喷头3和紫外光源9，喷头3下方设置半径可调节的固定卡具5，半径可调节的固定卡具5内固定培养皿8，培养皿8内为打印的细胞支架6，还包括对打印进行实时观测的微型摄像头4，所述生物培养系统2的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板7对其进行密封处理；所述运动模块包括机械臂13，控制机械臂13运动的三维移动工作台1以及与为喷头3提供动力的电机12，所述三维移动工作台1通过机械臂13控制喷头3的移动，嵌入生物培养系统2的部分的机械臂13与柔性材料板7之间也保证密封；所述控制模块包括相连接的计算机11和控制器10，所述控制器10与电机12和三维移动工作台1连接；所述打印培养观测模块、运动模块和控制模块之间相互协同共同实现打印培养一体化，同时，这三个模块也相对独立，能够单独对任意一个模块进行调整与改进而不影响其他模块。
本实例以打印的脑神经元与神经胶质细胞为例。
打印前做好准备工作，使用紫外光源9，对生物培养系统2的内部、伸入生物培养系统2中的部分机械臂13、喷头3、微型摄像头4、半径可调节的固定卡具5、柔性材料板7进行灭菌处理。选择I型胶原为支架材料，将脑细胞与支架材料按照所要求的比例混合，配置成所谓的生物打印油墨。
对生物培养系统2的相关参数进行设定，获得满足培养相应的细胞支架的培养条件，恒温37℃，湿度65％、CO2的浓度5％。选择适当大小的无菌培养皿8，固定在夹具5上，且保证其处于水平，注入适量的培养液。
将设计好的所要打印的细胞支架6的模型导入计算机11。并且将配置好的生物打印油墨注入相应的喷头3的注射器当中，调节三维移动工作台1调整喷头3与培养皿8之间的距离使其达到所需要的打印距离。
通过计算机11与控制器10对三维移动工作台1的运动速度和喷头3的流量进行设置，然后进行打印，按照事先导入计算机11的CAD模型轨迹完成打印。三维移动工作台1与喷头3同时停止。调整三维移动工作台1使机械臂13回到初始位置，完成打印。
调整生物培养系统2，对光照强度、磁场强度、电场强度大小进行设定，对神经细胞进行刺激培养。

Claims (9)

1.一种生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：由打印培养观测模块、运动模块和控制模块组成；其中，打印培养观测模块以生物培养系统(2)为主体，生物培养系统(2)内部配置喷头(3)和紫外光源(9)，喷头(3)下方设置半径可调节的固定卡具(5)，半径可调节的固定卡具(5)内固定培养皿(8)，培养皿(8)内为打印的细胞支架(6)，还包括对打印进行实时观测的微型摄像头(4)，所述生物培养系统(2)的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板(7)对其进行密封处理；所述运动模块包括机械臂(13)，控制机械臂(13)运动的三维移动工作台(1)以及为喷头(3)提供动力的电机(12)，所述三维移动工作台(1)通过机械臂(13)控制喷头(3)的移动，嵌入生物培养系统(2)的部分的机械臂(13)与柔性材料板(7)之间也保证密封；所述控制模块包括相连接的计算机(11)和控制器(10)，所述控制器(10)与电机(12)和三维移动工作台(1)连接；所述打印培养观测模块、运动模块和控制模块之间相互协同共同实现打印培养一体化，同时，这三个模块也相对独立，能够单独对任意一个模块进行调整与改进而不影响其他模块。
2.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：所述生物培养系统(2)的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板(7)对其进行密封处理，同时嵌入生物培养系统(2)的部分的机械臂(13)与柔性材料板(7)之间也保证密封，这两处密封，既保证了生物培养系统(2)中的培养环境的稳定，也实现了打印培养观测模块与运动模块的分离；其中生物培养系统(2)的开口尺寸大小要根据三维移动工作台(1)的y，z轴向行程大小而设计，以防止影响所要打印细胞支架的预期尺寸；而且柔性材料板(7)的面积应该大于生物培养系统(2)的开口面积，具体的大小设定根据三维移动工作台(1)的xyz三轴移动的行程的大小来决定；这样，通过适当的增大柔性材料板(7)的面积来保证打印过程中三维移动工作台(1)的自由移动。
3.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：所述柔性材料板(7)的材料选择无菌、隔热的乳胶、橡胶、帆布、毛毡、聚酯类、聚酰亚胺类或聚氟。
4.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：所述生物培养系统(2)能够提供正常培养细胞的环境，其中包括：无菌、温度、湿度、电场、磁场、光照强度、CO2浓度与O2浓度方面的设定与调节。
5.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：嵌入生物培养系统(2)中的部分机械臂(13)和半径可调节的固定卡具(5)均使用铝合金、不锈钢或硬铝防锈材料，以防止设备生锈从而缩短设备的使用寿命且影响内部正常的无菌培养环境。
6.根据权利要求5所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：所述半径可调节的固定卡具(5)能够适用于不同尺寸半径的培养皿(8)的固定，便于满足打印不同尺寸即10×10mm2—150×150mm2的组织及所需培养环境个性化尺寸的设定。
7.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：所述运动模块中的三维移动工作台(1)的运动速度范围为0-50mm/s，xyz三轴行程都是150mm，且在此运动速度范围与行程的大小的条件下，能够达到10μm的定位精度，不会产生振动、爬行现象，保证了运动精度；所述喷头(3)的流量范围为0.14μl/min-52.95ml/min。
8.根据权利要求1所述的生物3D打印培养一体化系统，其特征在于：由计算机(11)向控制器(10)传输信号，通过控制器(10)来控制电机(12)对喷头(3)的注射器的挤压和三维移动工作台(1)的xyz三轴联动，这样能够通过直接在计算机上进行设定来实现喷头(3)的挤压与三维移动工作台(1)的运动集成化控制；解决了由于喷头(3)的材料挤压与三维移动工作台(1)的独立操控，而导致的填料与移动之间的时差问题，从很大的程度上提高了打印的精确度。
9.权利要求1至8任何一项所述的生物3D打印培养一体化系统的打印培养一体化方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1：打开紫外光源(9)，对生物培养系统(2)的内部、嵌入生物培养系统(2)中的部分机械臂(13)、喷头(3)、微型摄像头(4)、半径可调节的固定卡具(5)以及柔性材料板(7)进行灭菌，保证照射24小时；
步骤2：灭菌结束后，关闭紫外光源(9)；启动生物培养系统(2)的相应程序，获得满足培养相应的细胞支架(6)的培养条件；选择适当大小的无菌的培养皿(8)，固定在半径可调节的固定卡具(5)上，且保证其处于水平，注入适量的培养液；
步骤3：采用混有不同细胞的水凝胶的溶液，注入相应的喷头(3)的注射器当中，调节三维移动工作台(1)调整喷头(3)与培养皿(8)之间的距离使其达到所需要的打印距离；
步骤4：通过计算机(11)与控制器(10)设定和控制三维移动工作台(1)的运动和喷头(3)的流量，使打印的路径按照事先导入计算机(11)的CAD模型轨迹进行运动；直到完成第一层的打印，三维移动工作台(1)停止运动，电机(12)同时停止推动；
步骤5：使三维移动工作台(1)沿着Z轴向上移动，调节至适当的位置，计算机(11)与控制器(10)同时启动三维移动工作台(1)和电机(12)，使打印的路径按照CAD模型轨迹进行运动；直到完成第二层的打印，三维移动工作台(1)停止运动，电机(12)同时停止推动；
步骤6：重复步骤5，直至打印结束后为止；整个过程中，都使用微型摄像头(4)对打印进行实时观测，以便于一旦出现问题立刻调整。
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