CN106222085B - 一种高精度的生物复合3d打印装置及打印方法 - Google Patents

一种高精度的生物复合3d打印装置及打印方法 Download PDF

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Abstract

一种高精度的生物复合3D打印装置及打印方法，装置包括收集平台上方设有与运动控制模块相连的细胞打印喷头和静电直写装置，细胞打印喷头与超精密注射泵连接，静电直写装置与回流加热装置连接，超净实验台外设置有主机、高压直流电源，静电直写装置、细胞打印喷头、高压直流电源均与主机连接；打印方法通过主机自动切换细胞打印喷头和静电直写装置，打印出含细胞的凝胶/生物支架/微通道的复合结构，打印完一层后，细胞打印喷头和静电直写装置沿Z轴方向移动一层的距离进行下一层的打印，如此往复，直至所打印的组织器官全部完成，本发明能够稳定、精确的打印出多种细胞的与亚微米或纳米级别生物支架的复合物。

Description

一种高精度的生物复合3D打印装置及打印方法
技术领域
本发明涉及生物3D打印技术领域，具体涉及一种高精度的生物复合3D打印装置及打印方法。
背景技术
生物3D打印技术是将工程领域的3D打印技术融合到组织工程学中，涉及临床医学、生物材料学、生物细胞学等。该技术利用3D打印技术进行体内或者体外组织器官的制造，为人工组织与器官制造提供了技术手段，是生物制造技术的发展前沿和热点。目前，生物3D打印技术的主要方向在于研究新的细胞打印方式、生物支架打印方式，提高成型精度及成型机械性能方面。细胞打印方式和生物支架打印方式多种多样，但现有技术在构建大块组织器官方面仍存在许多缺点：1)细胞打印常用细胞和凝胶材料混合进行打印，成型的人工组织或器官机械强度较差，难以成型大块具有复杂内部微观结构的组织与器官；2)生物支架内部细胞分布不均匀，不利于相应器官的发育和功能表达；3)生物支架打印精度有限，支架的微观尺度与细胞差异较大，难以为细胞的粘附和生长提供微尺度的微结构环境。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度的生物复合3D打印装置及打印方法，能够稳定、精确的打印出多种细胞的与亚微米或纳米级别生物支架的复合物，广泛适用于生物组织、器官级别的打印。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高精度的生物复合3D打印装置，包括超净试验台1，超净实验台1内放装置外壳2，外壳2内设有打印平台16，打印平台16接地，打印平台16与运动控制模块相连，打印平台16能够进行XY两个方向的移动，打印平台16上放置有收集平台15，收集平台15上方设有细胞打印喷头14和静电直写装置11，细胞打印喷头14、静电直写装置11与运动控制模块相连，能够进行Z轴竖直方向的移动，细胞打印喷头14与用于储存细胞溶液的超精密注射泵9连接，静电直写装置11与回流加热装置10连接，外壳2上安装有雾化器3、可控光照系统4、湿度调节器5、温度控制系统6、等离子除菌机构7、二氧化碳发生及检测装置8、摄像装置13；
超净实验台1外设置有主机17、高压直流电源18；
雾化器3、可控光照系统4、湿度调节器5、温度控制系统6、等离子除菌机构7、二氧化碳发生及检测装置8、超精密注射泵9、回流加热装置10、静电直写装置11、摄像装置13、细胞打印喷头14、高压直流电源18均与主机17连接。
所述的细胞打印喷头14为多个内径10～1000μm的金属喷头，通过连接超精密注射泵9使细胞溶液的打印流量为20～1000μL/h，细胞打印喷头14下方与收集平台15的距离为50～1000μm；通过选择细胞打印喷头14的内径、调节打印平台16的移动速度、打印流量和打印电压，按打印需求将线宽在20～200μm之间精确控制；打印模式包括挤出成型或静电打印，挤出成型时，打开超精密注射泵9，将细胞溶液通过细胞打印喷头14挤出，通过与收集平台15的相对移动可打印出特定形状与图案；静电打印时，细胞打印喷头14与高压直流电源18正极相连，打开超精密注射泵9，高压电场使喷头尖端形成的泰勒锥，利用泰勒锥的近场/超近场射流进行打印。
所述的静电直写装置11，用于打印生物支架，静电直写装置11的喷头内径10～1000μm，与高压直流电源18正极相连，通过连接回流加热装置10，将用于生物支架的高分子聚合物PCL/PLA/PLGA加热至熔融状态进行打印，静电直写装置11的喷头下方与收集平台15的距离为0.5～5mm，在打印时高压电场使泰勒锥尖端形成射流，按需进行2～1000μm线宽的高精度支架打印。
所述的收集平台15采用绝缘材料，内部盛培养液、琼脂糖作为基底，对细胞进行绝缘保护，使打印过程中不产生电流；或采用接地的导电玻璃、金属板和硅片。
所述的高压直流电源18，可调整电压幅值0.5～20KV，用于在细胞打印喷头14与打印平台16之间或静电直写装置11与打印平台16之间形成稳定的高压电场，使细胞溶液或生物支架材料，在高压电场作用下形成材料射流，启动移动平台16的运动程序后，利用细胞打印喷头14或静电直写装置11与收集平台15的相对运动，材料射流在收集平台15上形成相应的图案或结构。
所述的主机17对通过CT或核磁共振技术得到的人体各种组织模型数据进行切片处理；选择打印模式，挤出成型或静电打印；选择水凝胶交联模式，包括钙离子处理交联、光照交联、温度交联；主机17自动的选择含细胞的水凝胶线宽和支架线宽，生成逐层打印的路径；自动控制温度、湿度、电压；通过控制细胞打印喷头14和静电直写装置11在Z轴方向上运动，打印平台16在X、Y方向上运动，逐层打印出具有复合结构的生物组织器官。
利用上述打印装置的打印方法，包括以下步骤：
1)配置细胞溶液，先将配置好的混合溶液在孔径为0.22μm的过滤网中往复过滤后，再加入细胞并打散，细胞浓度为1×104个/ml～2×106个/ml，将细胞溶液吸入超精密注射泵9内；
2)将用于打印生物支架的材料装入静电直写装置11，并打开回流加热装置10对材料进行加热；
3)选择细胞打印模式，包括挤出成型或静电打印模式；选择相应内径的细胞打印喷头14和静电直写装置11的喷头；
4)放置收集平台15，打开等离子除菌机构7，对外壳2内进行无菌处理，关闭超净试验台1，使整个装置处于无菌状态；
5)将细胞打印喷头14和静电直写装置11调整至相应高度；
6)调节温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、溶液流量、气雾浓度、电压大小；
7)将实体模型导入主机17，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，并生成复合打印的路径；
8)根据生成的打印路径进行打印，自动切换细胞打印喷头14和静电直写装置11，打印出含细胞的凝胶/生物支架22/微通道20的复合结构，打印完一层后，细胞打印喷头14和静电直写装置11沿Z轴方向移动一层的距离进行下一层的打印，如此往复，直至所打印的组织器官全部完成。
所述的步骤1)中的细胞溶液包括光交联的明胶或聚乙二醇、可钙离子交联的海藻酸钠、可温度交联的胶原蛋白或聚乙烯醇，或者这些材料相互混合后的复合材料，其质量浓度介于0.5％～10％之间；所使用的细胞包括骨细胞、肝细胞、心肌细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、或具有多向分化功能的干细胞等用于生物结构和器官打印的活细胞材料；细胞在混合溶液中的浓度为1×104个/ml～2×106个/ml。
所述的步骤2)中的生物支架的材料为用于制造生物体内支架的可降解材料，包括PCL/PLA/PLGA。
所述的步骤8)的含有微通道复合结构，微通道能够保证细胞所需的氧气和营养物质在打印结构中的扩散。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
(1)本发明的生物复合3D打印装置复合了静电直写技术和细胞打印技术，提供了稳定、高效、高精度的多细胞及生物支架的复合打印，为细胞的粘附和生长提供微尺度的微结构环境；解决了现有细胞与支架的复合打印中，支架尺寸与细胞相差较大，难以形成适宜细胞生长的微尺度的微环境结构的问题。
(2)本发明通过复合打印可以保证细胞在空间内的均匀分布；解决了现有的细胞与生物支架复合技术中，先打印生物支架后种植细胞，效率低且细胞在支架内分布不匀，容易产生死核的问题。
(3)本发明可以打印出亚微米或纳米级生物纤维为支撑的含细胞复合结构，不仅提高了制件机械强度，也更适宜细胞的粘附生长，可以制造出具有任意形状的大块组织器官结构，具有临床应用价值；解决了现有技术难以制造出强度较好的大块组织器官的问题。
附图说明
图1为本发明打印装置结构示意图。
图2为本发明的实施例得到的复合打印结构图。
图3为本发明实施例HUVEC细胞与PCL支架复合打印效果图。
图4为本发明实施例HUVEC细胞与PCL支架复合打印荧光图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种高精度的生物复合3D打印装置，包括超净试验台1，超净实验台1内放装置外壳2，外壳2内设有打印平台16，打印平台16接地，打印平台16与运动控制模块相连，打印平台16能够进行XY两个方向的移动，打印平台16上放置有收集平台15，收集平台15上方设有细胞打印喷头14和静电直写装置11，细胞打印喷头14、静电直写装置11与运动控制模块相连，能够进行Z轴竖直方向的移动，细胞打印喷头14与用于储存细胞溶液的超精密注射泵9连接，静电直写装置11与用于加热打印支架的生物高分子聚合物的回流加热装置10连接，外壳2上安装有和打印配合的雾化器3、可控光照系统4、湿度调节器5、温度控制系统6、等离子除菌机构7、二氧化碳发生及检测装置8、摄像装置13；
超净实验台1外设置有主机17、高压直流电源18；
雾化器3、可控光照系统4、湿度调节器5、温度控制系统6、等离子除菌机构7、二氧化碳发生及检测装置8、超精密注射泵9、回流加热装置10、静电直写装置11、摄像装置13、细胞打印喷头14、高压直流电源18均与计算机连接。
所述的细胞打印喷头14为多组内径10～1000μm的金属喷头，通过连接超精密注射泵9使细胞溶液的打印流量为20～1000μL/h，细胞打印喷头14下方与收集平台15的距离为50～1000μm；通过选择细胞打印喷头14内径、调节打印平台16的移动速度、打印流量和打印电压，按打印需求将线宽在20～200μm之间精确控制；打印模式包括挤出成型或静电打印，挤出成型时，打开超精密注射泵9，将细胞溶液通过细胞打印喷头14挤出，通过与收集平台15的相对移动可打印出特定形状与图案；静电打印时，细胞打印喷头14与高压直流电源18正极相连，打开超精密注射泵9，高压电场使喷头尖端形成的泰勒锥，利用泰勒锥的近场/超近场射流进行打印。
所述的静电直写装置11，用于打印生物支架，静电直写装置11的喷头内径10～1000μm，与高压直流电源18正极相连，通过连接回流加热装置10，将用于生物支架的高分子聚合物(PCL/PLA/PLGA)加热至熔融状态进行打印，静电直写装置11的喷头下方与收集皿距离为0.5～5mm，在打印时高压电场使喷头泰勒锥尖端形成射流，按需进行2～1000μm线宽的高精度支架打印。
所述的雾化器3产生平均颗粒直径＜5μm的含钙离子气雾12，可使通过钙离子处理交联的细胞溶液快速凝胶化并固定在打印位置。
所述的可控光照系统4，包含光照强度测定仪和控制器，使通过光照交联的细胞溶液快速凝胶化并固定在打印位置。
所述的温度控制系统6包括加热元件、导热元件、导风模块、热敏传感器，加热元件上有导热元件，导热元件上设有导风模块，通过热敏传感器能对装置内的温度进行精确的实时控制，使通过适温交联的细胞溶液凝胶化并固定在打印位置。
所述的湿度调节器5包括加湿模块和除湿模块及湿度测定模块，根据打印材料的不同对装置内的湿度进行精确控制。
所述的等离子除菌机构7包含风扇、等离子聚合层、过滤网，对打印装置进行除菌消毒。
所述的二氧化碳发生及检测装置8用于控制装置内的二氧化碳浓度，包含二氧化碳发生器、二氧化碳浓度感应器和二氧化碳进气及出气管，二氧化碳浓度感应器设在其出气管一端，二氧化碳发生器连接其进气管。
所述的摄像装置13对细胞打印过程进行实时观测，从而检测整个打印过程是否正常运行，摄像装置13为CCD相机，从而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、寿命长、抗震动的优点。
所述的回流加热装置10为油浴加热，用于将生物支架材料加热至熔融状态。
所述的收集平台15采用绝缘材料，内部盛培养液、琼脂糖作为基底，对细胞进行绝缘保护，使打印过程中不产生电流；或采用接地的导电玻璃、金属板和硅片。
所述的高压直流电源18，可调整电压幅值0.5～20KV，用于在细胞打印喷头14与打印平台16之间或静电直写装置11与打印平台16之间形成稳定的高压电场，使细胞溶液或生物支架材料，在高压电场作用下形成材料射流，启动移动平台16的运动程序后，利用细胞打印喷头14或静电直写装置11与收集平台15的相对运动，材料射流在收集平台15上形成相应的图案或结构。
所述的主机17对通过CT或核磁共振技术得到的人体各种组织模型数据进行切片处理；选择细胞溶液、高分子聚合物材料及打印模式后，选择水凝胶交联模式，可为钙离子处理交联、光照交联、温度交联，主机17自动的选择含细胞的水凝胶线宽和支架线宽，生成逐层打印的路径；自动控制温度、湿度、电压；通过控制细胞打印喷头14和静电直写装置11在Z轴方向上运动，打印平台16在X、Y方向上运动，逐层打印出具有复合结构的生物组织器官。
以人体血管表皮内细胞(HUVEC)与PCL支架复合打印试验详细说明基于上述打印装置的打印方法，包括以下步骤：
1)配置细胞溶液，先配置浓度为1.5wt％海藻酸钠溶液，即溶剂为1X的PBS溶液，将配置好的海藻酸钠溶液在孔径为0.22μm的过滤网中往复过滤；将HUVEC细胞与海藻酸钠溶液混合，使细胞浓度为2x106个/ml，将细胞溶液吸入超精密注射泵9内；
2)将用于打印生物支架的PCL装入静电直写装置11，并打开回流加热装置10对材料进行70℃加热；
3)选择细胞打印模式为静电打印，选择细胞打印喷头14内径为100μm和静电直写装置11喷头内径为300μm；
4)放置收集平台15，收集平台15为绝缘平台，收集平台15内为氯化钙含量1.11％的水凝胶，打开等离子除菌机构7，对外壳2内进行无菌处理，关闭超净试验台1，使整个装置处于无菌状态；
5)调整细胞打印喷头14、静电直写装置11的喷头与收集平台15的距离分别为100μm和500μm；
6)调节温度37℃、湿度95％、二氧化碳浓度为5％，设定细胞溶液流量400μL/h，PCL流量5μL/h；打开雾化器3，气雾溶液为10％CaCl2溶液；打开高压直流电源18，设定电压为3KV；
7)将实体模型导入主机17，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，并生成复合打印的路径；
8)根据生成的打印路径进行打印，自动切换细胞打印喷头14和静电直写装置11，打印出含细胞的第一水凝胶21、第二水凝胶23/生物支架22/微通道20的复合结构，如图2所示，打印完一层后，细胞打印喷头14、静电直写装置11的喷头沿Z轴方向移动一层的距离进行下一层的打印，如此往复，直至所打印的组织器官全部完成。
本实施例所得的含细胞的水凝胶/生物支架/微通道的复合结构如图3、图4所示；图3为本发明实施例HUVEC细胞与PCL支架复合打印效果图，图3显示出本方法可精确的打印出含细胞的水凝胶/生物支架/微通道的复合结构，细胞打印的线宽约为80～120μm，生物支架线宽为6～8μm；图4为本发明实施例HUVEC细胞与PCL支架复合打印荧光图，图4显示打印出的复合结构当中，细胞具有良好的活性。

Claims (8)

1.一种高精度的生物复合3D打印装置，包括超净试验台(1)，超净实验台(1)内放装置外壳(2)，外壳(2)内设有打印平台(16)，打印平台(16)接地，打印平台(16)与运动控制模块相连，打印平台(16)能够进行XY两个方向的移动，打印平台(16)上放置有收集平台(15)，其特征在于：收集平台(15)上方设有细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)，细胞打印喷头(14)、静电直写装置(11)与运动控制模块相连，能够进行Z轴竖直方向的移动，细胞打印喷头(14)与用于储存细胞溶液的超精密注射泵(9)连接，静电直写装置(11)与回流加热装置(10)连接，外壳(2)上安装有雾化器(3)、可控光照系统(4)、湿度调节器(5)、温度控制系统(6)、等离子除菌机构(7)、二氧化碳发生及检测装置(8)、摄像装置(13)；
超净实验台(1)外设置有主机(17)、高压直流电源(18)；
雾化器(3)、可控光照系统(4)、湿度调节器(5)、温度控制系统(6)、等离子除菌机构(7)、二氧化碳发生及检测装置(8)、超精密注射泵(9)、回流加热装置(10)、静电直写装置(11)、摄像装置(13)、细胞打印喷头(14)、高压直流电源(18)均与主机(17)连接；
所述的细胞打印喷头(14)为多个内径10～1000μm的金属喷头，通过连接超精密注射泵(9)使细胞溶液的打印流量为20～1000μL/h，细胞打印喷头(14)下方与收集平台(15)的距离为50～1000μm；通过选择细胞打印喷头(14)的内径、调节打印平台(16)的移动速度、打印流量和打印电压，按打印需求将线宽在20～200μm之间精确控制；打印模式包括挤出成型或静电打印，挤出成型时，打开超精密注射泵(9)，将细胞溶液通过细胞打印喷头(14)挤出，通过与收集平台(15)的相对移动可打印出特定形状与图案；静电打印时，细胞打印喷头(14)与高压直流电源(18)正极相连，打开超精密注射泵(9)，高压电场使喷头尖端形成的泰勒锥，利用泰勒锥的近场/超近场射流进行打印；
所述的收集平台(15)采用绝缘材料，内部盛培养液、琼脂糖作为基底，对细胞进行绝缘保护，使打印过程中不产生电流；或采用接地的导电玻璃、金属板和硅片。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的生物复合3D打印装置，其特征在于：所述的静电直写装置(11)，用于打印生物支架，静电直写装置(11)的喷头内径10～1000μm，与高压直流电源(18)正极相连，通过连接回流加热装置(10)，将用于生物支架的高分子聚合物PCL/PLA/PLGA加热至熔融状态进行打印，静电直写装置(11)的喷头下方与收集平台(15)的距离为0.5～5mm，在打印时高压电场使泰勒锥尖端形成射流，按需进行2～1000μm线宽的高精度支架打印。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的生物复合3D打印装置，其特征在于：所述的高压直流电源(18)，可调整电压幅值0.5～20KV，用于在细胞打印喷头(14)与打印平台(16)之间或静电直写装置(11)与打印平台(16)之间形成稳定的高压电场，使细胞溶液或生物支架材料，在高压电场作用下形成材料射流，启动移动平台(16)的运动程序后，利用细胞打印喷头(14)或静电直写装置(11)与收集平台(15)的相对运动，材料射流在收集平台(15)上形成相应的图案或结构。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的生物复合3D打印装置，其特征在于：所述的主机(17)对通过CT或核磁共振技术得到的人体各种组织模型数据进行切片处理；选择打印模式，挤出成型或静电打印；选择水凝胶交联模式，包括钙离子处理交联、光照交联、温度交联；主机(17)自动的选择含细胞的水凝胶线宽和支架线宽，生成逐层打印的路径；自动控制温度、湿度、电压；通过控制细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)在Z轴方向上运动，打印平台(16)在X、Y方向上运动，逐层打印出具有复合结构的生物组织器官。
5.根据权利要求1所述的一种高精度的生物复合3D打印装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配置细胞溶液，先将配置好的混合溶液在孔径为0.22μm的过滤网中往复过滤后，再加入细胞并打散，细胞浓度为1×104个/ml～2×106个/ml，将细胞溶液吸入超精密注射泵(9)内；
2)将用于打印生物支架的材料装入静电直写装置(11)，并打开回流加热装置(10)对材料进行加热；
3)选择细胞打印模式，包括挤出成型或静电打印模式；选择相应内径的细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)的喷头；
4)放置收集平台(15)，打开等离子除菌机构(7)，对外壳(2)内进行无菌处理，关闭超净试验台(1)，使整个装置处于无菌状态；
5)将细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)调整至相应高度；
6)调节温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、溶液流量、气雾浓度、电压大小；
7)将实体模型导入主机(17)，对其进行切片分层，得到每层的形状信息，并生成复合打印的路径；
8)根据生成的打印路径进行打印，自动切换细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)，打印出含细胞的水凝胶/生物支架(22)/微通道(20)的复合结构，打印完一层后，细胞打印喷头(14)和静电直写装置(11)沿Z轴方向移动一层的距离进行下一层的打印，如此往复，直至所打印的组织器官全部完成。
6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：所述的步骤1)中的细胞溶液包括光交联的明胶或聚乙二醇、可钙离子交联的海藻酸钠、可温度交联的胶原蛋白或聚乙烯醇，或者这些材料相互混合后的复合材料，其质量浓度介于0.5％～10％之间；所使用的细胞包括骨细胞、肝细胞、心肌细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、或具有多向分化功能的干细胞的用于生物结构和器官打印的活细胞材料；细胞在混合溶液中的浓度为1×104个/ml～2×106个/ml。
7.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：所述的步骤2)中的生物支架的材料为用于制造生物体内支架的可降解材料，包括PCL/PLA/PLGA。
8.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于：所述的步骤8)的含有微通道复合结构，微通道能够保证细胞所需的氧气和营养物质在打印结构中的扩散。
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