CN105861308B - 一种多微滴精准喷射的细胞3d打印装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法，包括机架、喷头模块、供液模块、基板、计算机、运动控制器、喷头控制器、以及用于带动喷头模块三维运动的三轴运动模块，喷头模块包括若干喷嘴，供液模块的出液口与喷头模块的入液口相连通，基板位于各喷嘴的正下方，计算机的输出端经喷头控制器与各喷嘴的控制端，机架上固定有用于检测喷头模块的位置信息的光栅尺，光栅尺的输出端与计算机的输入端相连接，三轴运动模块固定于机架上，喷头模块固定于三轴运动模块上，运动控制器的输出端与三轴运动模块的控制端相连接。本发明能够通过多微滴同时打印生物软组织，并且打印速度快、精度高。

Description

一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及一种细胞3D打印装置及方法，涉及一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法。
背景技术
细胞打印是一种直接以生物材料和细胞为打印材料利用增材制造原理制造生物组织的生物3D打印方法。自然生物组织一般由多种细胞和材料组成，要求细胞打印机具备多材料多细胞复合打印的能力；自然生物组织中不同材料和细胞空间排列紧密联系密切，要求细胞打印机能够将材料和细胞精确打印到特定的空间位置；自然生物组织和细胞离体后需培养在特定培养液中，打印过程中缺乏细胞长期存活所需的条件，因此要求在尽量短的时间完成打印过程。
当前细胞打印设备大多采用单喷嘴喷头，所用喷头喷嘴尺寸较大，所喷射液滴体积较大，每滴液滴里面都包含大量细胞，无法控制液滴里面细胞的分布，难以实现将材料和细胞精确打印到特定的空间位置；同时，这类喷头受结构尺寸的限制，一台设备上所能集成的喷头数量十分有限，限制了设备多材料多细胞打印能力。
如上所述，当前细胞打印设备并不能满足构建生物组织对细胞打印设备的如下要求：为满足多材料多细胞复合打印的要求，细胞打印装置应具备集成并独立控制多只打印头的能力；为满足将材料和细胞精确打印到特定的空间位置的要求，细胞打印装置所使用的打印头应具备单细胞打印的能力；单细胞打印时单个打印液滴尺寸仅为数十皮升，如何利用如此微小的液滴构建宏观组织结构，并满足尽量缩短打印时间的要求(即如何在保证打印精度的前提下提高打印效率)，上述要求给细胞打印设备的开发提出了巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法，该装置及方法能够通过多微滴同时打印生物软组织，并且打印速度快、精度高。
为达到上述目的，本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印装置包括机架、喷头模块、供液模块、基板、计算机、运动控制器、喷头控制器、以及用于带动喷头模块三维运动的三轴运动模块，喷头模块包括若干喷嘴，供液模块的出液口与喷头模块的入液口相连通，基板位于各喷嘴的正下方，计算机的输出端经喷头控制器与各喷嘴的控制端，机架上固定有用于检测喷头模块的位置信息的光栅尺，光栅尺的输出端与计算机的输入端相连接，三轴运动模块固定于机架上，喷头模块固定于三轴运动模块上，运动控制器的输出端与三轴运动模块的控制端相连接。
所述喷头模块为集成式多喷嘴压电式喷头，各喷嘴的内径为30-60um。
本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法包括以下步骤：
1)获取待打印生物软组织的三维模型，再将所述待打印生物软组织的三维模型输入到计算机中，计算机对所述待打印生物软组织的三维模型进行分层处理，得若干层二维截面数据，然后将所述二维截面数据发送至喷头控制器中，喷头控制器根据二维截面数据的精度要求控制各喷嘴的驱动电压；
2)供液模块将液态生物材料输入到喷头模块中，再调整喷头模块内液态生物材料受到的压力，运动控制器根据待打印生物软组织的三维模型规划喷头模块的运动路径；
3)光栅尺检测喷头模块的位置信息，并将所述位置信息发送至喷头控制器中，喷头控制器根据所述位置信息计算喷头模块的运动速度，然后根据喷头模块的运动速度以及该层二维截面数据控制各喷嘴的开关状态及喷射频率，三轴运动模块带动喷头模块匀速运动，使喷嘴将液态生物材料的微滴喷射到基板上，完成一层二维截面的打印，其中，液态生物材料的微滴的体积为35-85pl，相邻液态生物材料的微滴之间的间距为100-300um；
4)三轴运动模块带动喷头模块向上移动下一层二维截面的厚度，重复步骤3)，完成下一层二维截面的打印；
5)重复步骤4)，直至所有层二维截面打印完成为止，得生物软组织。
供液模块包括供液箱以及用于为供液箱提供气压的气源，供液箱的出液口与喷头模块的入液口相连通，气源的输出气压大于等于0.5mPa，气源的出气口处设有阀门。
喷头控制器通过控制喷嘴的驱动电压控制液态生物材料的微滴的喷射速度及大小，喷嘴的驱动电压为80V-150V，喷嘴的喷射频率为100Hz-12000Hz。
液态生物材料在10-30℃范围内的粘度为4-20cps、表面张力为20-55dyn/cm、pH为4-9。
液态生物材料中除细胞以外的微粒的直径小于1/10喷嘴内径。
还包括：通过紫外灯对喷头模块表面及打印区域进行灭菌，通过灭菌溶液对液态生物材料经过的区域进行灭菌，再通过无菌去离子水冲洗液态生物材料经过的区域，然后将液体生物材料装入供液箱中，使液态生物材料充满喷头模块，排除液态生物材料经过的区域中的气体，再调节喷头模块内液态生物材料受到的压力，然后断开供液箱与喷头模块，通过注射器将混合细胞的液体生物材料注入到喷头模块中，最后再将供液箱与喷头模块相连通。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法在具体操作时，所述喷头模块包括若干喷嘴，根据喷头模块的运动速度及二维截面数据控制各喷嘴的开关及喷射频率，并通过三轴运动模块带动喷头模块运动，实现多喷嘴的控制，完成一层二维截面的打印，从而有效提高打印的速度。同时三轴运动模块带动喷头模块匀速运动，液态生物材料的微滴的体积为35-85pl，相邻液态生物材料的微滴之间的间距为100-300um，打印精度较高，解决了现有细胞打印机喷嘴尺寸较大难以将材料和细胞精确打印到待定空间位置的问题。另外，喷头控制器根据二维截面数据的精度要求控制各喷嘴的驱动电压，通过各喷嘴的驱动电压来实现各层二维截面的精度控制，操作简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中喷头模块3的结构示意图。
其中，1为计算机、2为喷头控制器、3为喷头模块、4为供液箱、5为气源、6为喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印装置包括机架、喷头模块3、供液模块、基板、计算机1、运动控制器、喷头控制器2、以及用于带动喷头模块3三维运动的三轴运动模块，喷头模块3包括若干喷嘴6，供液模块的出液口与喷头模块3的入液口相连通，基板位于各喷嘴6的正下方，计算机1的输出端经喷头控制器2与各喷嘴6的控制端，机架上固定有用于检测喷头模块3的位置信息的光栅尺，光栅尺的输出端与计算机1的输入端相连接，三轴运动模块固定于机架上，喷头模块3固定于三轴运动模块上，运动控制器的输出端与三轴运动模块的控制端相连接；喷头模块3为集成式多喷嘴压电式喷头，各喷嘴6的内径为30-60um。
本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法包括以下步骤：
1)获取待打印生物软组织的三维模型，再将所述待打印生物软组织的三维模型输入到计算机1中，计算机1对所述待打印生物软组织的三维模型进行分层处理，得若干层二维截面数据，然后将所述二维截面数据发送至喷头控制器2中，喷头控制器2根据二维截面数据的精度要求控制各喷嘴6的驱动电压；
2)供液模块将液态生物材料输入到喷头模块3中，再调整喷头模块3内液态生物材料受到的压力，运动控制器根据待打印生物软组织的三维模型规划喷头模块3的运动路径；
3)光栅尺检测喷头模块3的位置信息，并将所述位置信息发送至喷头控制器2中，喷头控制器2根据所述位置信息计算喷头模块3的运动速度，然后根据喷头模块3的运动速度以及该层二维截面数据控制各喷嘴6的开关状态及喷射频率，三轴运动模块带动喷头模块3匀速运动，使喷嘴6将液态生物材料的微滴喷射到基板上，完成一层二维截面的打印，其中，液态生物材料的微滴的体积为35-85pl，相邻液态生物材料的微滴之间的间距为100-300um；
4)三轴运动模块带动喷头模块3向上移动下一层二维截面的厚度，重复步骤3)，完成下一层二维截面的打印；
5)重复步骤4)，直至所有层二维截面打印完成为止，得生物软组织。
供液模块包括供液箱4以及用于为供液箱4提供气压的气源5，供液箱4的出液口与喷头模块3的入液口相连通，气源5的输出气压大于等于0.5mPa，气源5的出气口处设有阀门。
喷头控制器2通过控制喷嘴6的驱动电压控制液态生物材料的微滴的喷射速度及大小，喷嘴6的驱动电压为80V-150V，喷嘴6的喷射频率为100Hz-12000Hz。
液态生物材料在10-30℃范围内的粘度为4-20cps、表面张力为20-55dyn/cm、pH为4-9。
液态生物材料中除细胞以外的微粒的直径小于1/10喷嘴6内径。
本发明中步骤2)与步骤3)之间还包括：通过紫外灯对喷头模块3表面及打印区域进行灭菌，通过灭菌溶液对液态生物材料经过的区域进行灭菌，再通过无菌去离子水冲洗液态生物材料经过的区域，然后将液体生物材料装入供液箱4中，使液态生物材料充满喷头模块3，排除液态生物材料经过的区域中的气体，再调节喷头模块3内液态生物材料受到的压力，然后断开供液箱4与喷头模块3，通过注射器将混合细胞的液体生物材料注入到喷头模块3中，最后再将供液箱4与喷头模块3相连通。
所述喷头模块3上所有喷嘴6可同时喷射也可选择部分或单个喷嘴6喷射，供液箱4能将气源5输入的一路正压气源5转换成正负两路气压气源5，并可简单切换，供液箱4通过供液管路与喷头模块3的入液口相连，供液箱4能控制喷头模块3进料时的正负压，保证喷头模块3正常打印，并能实时显示压力数值，打印结束时供液箱4提供较大正压冲洗喷头模块3，避免打印剩余材料堵塞喷头模块3。

Claims (7)

1.一种多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，基于多微滴精准喷射的细胞3D打印装置，所述多微滴精准喷射的细胞3D打印装置包括机架、喷头模块(3)、供液模块、基板、计算机(1)、运动控制器、喷头控制器(2)、以及用于带动喷头模块(3)三维运动的三轴运动模块，喷头模块(3)包括若干喷嘴(6)，供液模块的出液口与喷头模块(3)的入液口相连通，基板位于各喷嘴(6)的正下方，计算机(1)的输出端经喷头控制器(2)与各喷嘴(6)的控制端，机架上固定有用于检测喷头模块(3)的位置信息的光栅尺，光栅尺的输出端与计算机(1)的输入端相连接，三轴运动模块固定于机架上，喷头模块(3)固定于三轴运动模块上，运动控制器的输出端与三轴运动模块的控制端相连接；
包括以下步骤：
1)获取待打印生物软组织的三维模型，再将所述待打印生物软组织的三维模型输入到计算机(1)中，计算机(1)对所述待打印生物软组织的三维模型进行分层处理，得若干层二维截面数据，然后将所述二维截面数据发送至喷头控制器(2)中，喷头控制器(2)根据二维截面数据的精度要求控制各喷嘴(6)的驱动电压；
2)供液模块将液态生物材料输入到喷头模块(3)中，再调整喷头模块(3)内液态生物材料受到的压力，运动控制器根据待打印生物软组织的三维模型规划喷头模块(3)的运动路径；
3)光栅尺检测喷头模块(3)的位置信息，并将所述位置信息发送至喷头控制器(2)中，喷头控制器(2)根据所述位置信息计算喷头模块(3)的运动速度，然后根据喷头模块(3)的运动速度以及该层二维截面数据控制各喷嘴(6)的开关状态及喷射频率，三轴运动模块带动喷头模块(3)匀速运动，使喷嘴(6)将液态生物材料的微滴喷射到基板上，完成一层二维截面的打印，其中，液态生物材料的微滴的体积为35-85pl，相邻液态生物材料的微滴之间的间距为100-300um；
4)三轴运动模块带动喷头模块(3)向上移动下一层二维截面的厚度，重复步骤3)，完成下一层二维截面的打印；
5)重复步骤4)，直至所有层二维截面打印完成为止，得生物软组织。
2.根据权利要求1所述多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，供液模块包括供液箱(4)以及用于为供液箱(4)提供气压的气源(5)，供液箱(4)的出液口与喷头模块(3)的入液口相连通，气源(5)的输出气压大于等于0.5mPa，气源(5)的出气口处设有阀门。
3.根据权利要求1所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，喷头控制器(2)通过控制喷嘴(6)的驱动电压控制液态生物材料的微滴的喷射速度及大小，喷嘴(6)的驱动电压为80V-150V，喷嘴(6)的喷射频率为100Hz-12000Hz。
4.根据权利要求1所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，液态生物材料在10-30℃范围内的粘度为4-20cps、表面张力为20-55dyn/cm、pH为4-9。
5.根据权利要求1所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，液态生物材料中除细胞以外的微粒的直径小于1/10喷嘴(6)内径。
6.根据权利要求2所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，还包括：通过紫外灯对喷头模块(3)表面及打印区域进行灭菌，通过灭菌溶液对液态生物材料经过的区域进行灭菌，再通过无菌去离子水冲洗液态生物材料经过的区域，然后将液体生物材料装入供液箱(4)中，使液态生物材料充满喷头模块(3)，排除液态生物材料经过的区域中的气体，再调节喷头模块(3)内液态生物材料受到的压力，然后断开供液箱(4)与喷头模块(3)，通过注射器将混合细胞的液体生物材料注入到喷头模块(3)中，最后再将供液箱(4)与喷头模块(3)相连通。
7.根据权利要求1所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法，其特征在于，所述喷头模块(3)为集成式多喷嘴压电式喷头，各喷嘴(6)的内径为30-60um。
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