CN106012052A - 结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其包括材料释放单元、旋转接收单元、水平移动平台、垂直移动平台、高压电源和控制单元。旋转接收单元位于材料释放单元的下方，旋转接收单元包括旋转电机和接收杆，旋转电机能够驱动接收杆做旋转操作。其有益效果是，工作过程当中，材料释放单元在使用生物打印喷头时，第一步进马达控制挤出泵将储料罐当中的包含细胞的水凝胶材料挤出，挤出泵可以由控制单元设置和控制材料释放的速度和量。垂直移动平台控制整个材料释放单元与旋转接收单元的相对位移，其可以上下垂直位移(如0.1mm，0.5mm，5mm以及连续位移)，根据挤出的要求进行调节，通过这个位移调整生物打印喷头与旋转接收单元的距离。生物打印喷头和静电纺丝喷头可以同时工作，也可以交替工作，根据实际需要通过控制单元系统调整。

Description

结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置
技术领域
本发明属于医学实验领域，尤其是涉及一种结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置。
背景技术
人工血管的发明为临床病患带来了福音。人工血管的制作技术和方法多种多样，材料也是丰富多样。然而，这些都是利用一些可降解或者不可降解的支架结构或管腔结构替代血管，有的不利于细胞定植、生长、分化，有的是非人体固有的高分子聚合物，细胞毒性和代谢毒性不可避免，有的则强度不够。而且这些都是以材料为主的非活性血管，生物制造具有生物活性的高强度的血管将为人工血管临床应用的发展和血管发生的基础研究提供更优越的条件。
发明内容
本发明的目的在于提供结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，能够解决上述问题中的至少一个。
根据本发明的一个方面，提供了结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其包括材料释放单元、旋转接收单元、水平移动平台、垂直移动平台、高压电源和控制单元。
材料释放单元包含第一马达、挤出泵、储料罐、加热保温装置、生物打印喷头和两个静电纺丝喷头，储料罐内储存有含细胞的水凝胶材料，第一马达与挤出泵相连接，第一马达驱动挤出泵运动，加热保温装置设置在储料罐的外侧，生物打印喷头与储料罐相通，两个静电纺丝喷头并列设置于生物打印喷头的两侧，静电纺丝喷头连接有微量注射泵，微量注射泵内含可生物降解高聚物材料，材料释放装置固定在垂直移动平台上。
旋转接收单元位于材料释放单元的下方，旋转接收单元包括旋转电机和接收杆，旋转电机能够驱动接收杆做旋转操作。
旋转接收单元设置于水平移动平台上，高压电源与静电纺丝喷头电连接，第一马达、旋转电机、微量注射泵和高压电源均由控制单元控制。
其有益效果是，工作过程当中，材料释放单元在使用生物打印喷头时，第一步进马达控制挤出泵将储料罐当中的包含细胞的水凝胶材料挤出，挤出泵可以由控制单元设置和控制材料释放的速度和量。垂直移动平台控制整个材料释放单元与旋转接收单元的相对位移，其可以上下垂直位移(如0.1mm，0.5mm，5mm以及连续位移)，根据挤出的要求进行调节，通过这个位移调整生物打印喷头与旋转接收单元的距离。
当材料释放单元使用静电纺丝喷头时，微量注射泵连接到静电纺丝喷头，外接高压电源；旋转接收单元的金属材质的接收杆接地；旋转接收单元的旋转电机驱动旋转，水平移动的水平传动轴马达驱动，转速均由计算机设置和控制。旋转的速度为可调节的(如步进速度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，1mm或者连续旋转而且可调转速)，整个旋转接收单元安装在一个水平移动平台上，由第三马达来驱动进行水平运动。
整个装置的所有马达的控制都由控制单元来进行控制，控制单元当中集成有相应的计算机控制软件。通过配合性的调整材料释放单元和旋转接收单元以及垂直移动平台和水平移动平台的相对运动，达到生物制造人工血管的目的。
对于制造过程，生物打印喷头可以制造出沿着传动轴方向和环绕传动轴方向的两个方向纤维层层叠加构成的网格状血管支架；静电纺丝喷头可以在含细胞水凝胶表面纺一层无规纳米级纤维膜。生物打印喷头和静电纺丝喷头可以同时工作，也可以交替工作，根据实际需要通过控制单元系统调整。
在一些实施方式当中，垂直移动平台包括垂直传动轴、第二马达和悬臂，材料释放单元设置于悬臂上，第二马达驱动悬臂沿垂直传动轴在垂直方向上运动，第二马达由控制单元控制。其有益效果是，通过控制单元来控制第二马达的运动，从而可以调整整个材料释放单元在垂直方向上的运动和位置。
在一些实施方式当中，水平移动平台包括底座、水平传动轴、移动块和第三马达，旋转接收单元设置于移动块上，第三马达驱动移动块沿水平传动轴在水平方向上运动，第三马达由控制单元控制。其有益效果是，通过控制单元来控制第三马达的运动，从而可以调整整个旋转接收单元在水平方向上的运动和位置。
附图说明
图1是本发明实施方式的结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的实施方式的结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其包括材料释放单元1、旋转接收单元2、水平移动平台3、垂直移动平台4、高压电源5和控制单元6。
材料释放单元1包含第一马达7、挤出泵8、储料罐9、加热保温装置10、生物打印喷头11和两个静电纺丝喷头12，储料罐9内储存有含细胞的水凝胶材料，第一马达7与挤出泵8相连接，第一马达7驱动挤出泵8运动，加热保温装置10设置在储料罐9的外侧，生物打印喷头11与储料罐9相通，两个静电纺丝喷头12并列设置于生物打印喷头11的两侧，静电纺丝喷头12连接有微量注射泵13，微量注射泵13内含可生物降解高聚物材料，材料释放装置固定在垂直移动平台4上。
旋转接收单元2位于材料释放单元1的下方，旋转接收单元2包括旋转电机14和接收杆15，旋转电机14能够驱动接收杆15做旋转操作。
旋转接收单元2设置于水平移动平台3上，高压电源5与静电纺丝喷头12电连接，第一马达7、旋转电机14、微量注射泵13和高压电源5均由控制单元6控制。
工作过程当中，材料释放单元1在使用生物打印喷头11时，第一步进马达控制挤出泵8将储料罐9当中的包含细胞的水凝胶材料挤出，挤出泵8可以由控制单元6设置和控制材料释放的速度和量。垂直移动平台4控制整个材料释放单元1与旋转接收单元2的相对位移，其可以上下垂直位移如0.1mm，0.5mm，5mm以及连续位移，根据挤出的要求进行调节，通过这个位移调整生物打印喷头11与旋转接收单元2的距离。
当材料释放单元1使用静电纺丝喷头12时，微量注射泵13连接到静电纺丝喷头12，外接高压电源5；旋转接收单元2的金属材质的接收杆接地；旋转接收单元2的旋转电机14驱动旋转，水平移动的水平传动轴20马达驱动，转速均由计算机设置和控制。旋转的速度为可调节的如步进速度为0.1mm，0.3mm，0.5mm，1mm或者连续旋转而且可调转速，整个旋转接收单元2安装在一个水平移动平台3上，由第三马达22来驱动进行水平运动。
整个装置的所有马达的控制都由控制单元6来进行控制，控制单元6当中集成有相应的计算机控制软件。通过配合性的调整材料释放单元1和旋转接收单元2以及垂直移动平台4和水平移动平台3的相对运动，达到生物制造人工血管的目的。
对于制造过程，生物打印喷头11可以制造出沿着传动轴方向和环绕传动轴方向的两个方向纤维层层叠加构成的网格状血管支架；静电纺丝喷头12可以在含细胞水凝胶表面纺一层无规纳米级纤维膜。生物打印喷头11和静电纺丝喷头12可以同时工作，也可以交替工作，根据实际需要通过控制单元6系统调整。
例如，当需要制造一个长度为30mm，壁厚为3层的血管，内层为内皮细胞层，中间为基膜层，外层为星形胶质细胞和周细胞层。我们首先安装含内皮细胞的水凝胶材料体系，选择生物打印喷头11内径为0.25mm，纤维直径为0.26mm，出丝速度为1mm/s；水平移动平台3带动旋转接收单元2每水平运动30s，即30mm时，旋转电机14旋转0.25mm，再走30mm，又反向水平运动，这样就可以沿着接收杆15打印一层水凝胶；当完成一层打印时，旋转电机14开始旋转，每旋转一周，接收杆15移动0.25mm，以此类推直到达到30mm长度；重复以上操作3次，这样就作出了一个含内皮细胞血管。然后静电纺丝制造仿生基底膜，旋转电机14和水平位移平台同时工作，纳米纤维膜均匀覆盖内皮层构成基底层。接着更换内皮细胞水凝胶体系为含星形胶质细胞和周细胞的水凝胶体，重复制造内皮层的那个过程，得到含星形胶质细胞和周细胞的外层。再在表面喷雾交联剂交联凝胶材料，保证更好地呈现血管的空腔结构和强度。至此，3层结构的生物血管制造完成。
本发明当中，垂直移动平台4包括垂直传动轴16、第二马达17和悬臂18，材料释放单元1设置于悬臂18上，第二马达17驱动悬臂18沿垂直传动轴16在垂直方向上运动，第二马达17由控制单元6控制。其有益效果是，通过控制单元6来控制第二马达17的运动，从而可以调整整个材料释放单元1在垂直方向上的运动和位置。
本发明当中，水平移动平台3包括底座19、水平传动轴20、移动块21和第三马达22，旋转接收单元2设置于移动块21上，第三马达22驱动移动块21沿水平传动轴20在水平方向上运动，第三马达22由控制单元6控制。其有益效果是，通过控制单元6来控制第三马达22的运动，从而可以调整整个旋转接收单元2在水平方向上的运动和位置。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其特征在于，包括材料释放单元(1)、旋转接收单元(2)、水平移动平台(3)、垂直移动平台(4)、高压电源(5)和控制单元(6)；
所述材料释放单元(1)包含第一马达(7)、挤出泵(8)、储料罐(9)、加热保温装置(10)、生物打印喷头(11)和两个静电纺丝喷头(12)，所述储料罐(9)内储存有含细胞的水凝胶材料，所述第一马达(7)与所述挤出泵(8)相连接，所述第一马达(7)驱动所述挤出泵(8)运动，所述加热保温装置(10)设置在所述储料罐(9)的外侧，所述生物打印喷头(11)与所述储料罐(9)相通，两个所述静电纺丝喷头(12)并列设置于所述生物打印喷头(11)的两侧，所述静电纺丝喷头(12)连接有微量注射泵(13)，所述微量注射泵(13)内含可生物降解高聚物材料，所述材料释放装置固定在垂直移动平台(4)上；
所述旋转接收单元(2)位于所述材料释放单元(1)的下方，所述旋转接收单元(2)包括旋转电机(14)和接收杆(15)，所述旋转电机(14)能够驱动所述接收杆(15)做旋转操作；
所述旋转接收单元(2)设置于所述水平移动平台(3)上，所述高压电源(5)与所述静电纺丝喷头(12)电连接，所述第一步进马达、旋转电机(14)、微量注射泵(13)和高压电源(5)均由控制单元(6)控制。
2.根据权利要求1所述的结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其特征在于，所述垂直移动平台(4)包括垂直传动轴(16)、第二马达(17)和悬臂(18)，所述材料释放单元(1)设置于所述悬臂(18)上，所述第二马达(17)驱动所述悬臂(18)沿垂直传动轴(16)在垂直方向上运动，所述第二马达(17)由所述控制单元(6)控制。
3.根据权利要求1所述的结合生物打印和静电纺丝技术制造人工血管的装置，其特征在于，所述水平移动平台(3)包括底座(19)、水平传动轴(20)、移动块(21)和第三马达(22)，所述旋转接收单元(2)设置于所述移动块(21)上，所述第三马达(22)驱动所述移动块(21)沿所述水平传动轴(20)在水平方向上运动，所述第三马达(22)由所述控制单元(6)控制。
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