CN108641958B - 一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，包括双层维持液供给室和成型维持腔，所述双层维持液供给室包括位于上层的培养室和位于下层的加热室，所述培养室内设有维持液，加热室内设有传热介质，所述培养室外接二氧化碳瓶和氧气瓶，所述培养室和成型维持腔一侧设有双向蠕动泵，双向蠕动泵、培养室和成型维持腔依次首尾连通形成维持液循环通路。在生物三维打印过程中以及打印后期的生物组织培养过程中，维持液的环境条件通过控制系统自动监测并控制实现，通过微控制器单元调控保持培养液和其周围环境的稳定，同时也降低了被污染的可能性，重复操作性更高，实验结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明涉及生物打印技术领域，特别是一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置。
背景技术
组织工程是应用工程学、生命科学的原理和方法来制备具有生物活性的人工替代物，用以维持、恢复或提高人体组织、器官的一部分或全部功能。组织工程可应用于包括骨和软骨组织工程，皮肤组织工程，心、肝、肾等内脏器官组织等多方面。
生物3D打印是利用3D打印离散/堆积成型的基本原理和方法，对生物材料（包括天然生物材料和人工合成生物材料）或细胞悬浮液进行受控打印，形成所需的具有生物活性的植入物、细胞三维结构或人工组织器官等。生物3D打印作为生命科学与现代制造科学交叉的新兴技术，有利于构建组织工程中所需的各种三维仿生结构。
但是，根据现有生物三维打印技术研发的生物三维打印装置，存在以下的不足之处：
1、生物三维打印装置在打印过程中没有考虑在成型维持腔的打印环境，通常是开放式打印，空气中存在有害成分、各种病毒和过敏源，将直接影响生物三维打印产品的生物活性。也有部分超净台可以控制温度，但是无法控制二氧化碳和氧气含量。也无法实时更换组织生长所需营养液。
2、打印成型后，需要进行组织细胞的培养，此时需要保持稳定的环境条件，如维持液的温度、PH值、以及氧分压等。现有技术的培养过程中，需重复打开维持腔，定时定量的更换细胞维持液和监测其周围环境的变化，生物三维打印的成品基本上由于潜在的污染和不稳定的温度，在不理想的生长环境中而失去生物活性。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，包括双层维持液供给室和放置在超净台内的成型维持腔，所述双层维持液供给室包括位于上层的培养室和位于下层的加热室，所述培养室内设有维持液，加热室内设有传热介质，所述培养室外接二氧化碳瓶和氧气瓶，所述培养室和成型维持腔一侧设有双向蠕动泵，双向蠕动泵、培养室和成型维持腔依次首尾连通形成维持液循环通路。由双向蠕动泵引导并控制的维持液循环通路，实现了打印环境活性维持的的功能。
本发明中，所述培养室内设有温度传感器，温度传感器电连接到微控制器。微控制器连接并控制温度传感器以及二氧化碳传感器，实现了成型维持腔维持液成分实时监控的功能。
本发明中，所述加热室的传热介质内设有加热器，加热器包括过热保护电路。
本发明中，所述二氧化碳瓶连通二氧化碳流量控制器，氧气瓶连通到氧气流量控制器，二氧化碳流量控制器和氧气流量控制器共同连通到高效空气过滤器，高效空气过滤器连通到培养室；所述二氧化碳流量控制器和氧气流量控制器均电连接到微控制器。
本发明中，所述双向蠕动泵入口端连通连通维持液容器以及介质容器，双向蠕动泵出口端分别连通到培养室和成型维持腔。
本发明中，所述培养室为密封设置。
本发明中，所述介质容器包括维持液容器，维持液容器内设有维持液，双向蠕动泵将维持液容器内的维持液输送到培养室内，培养室内维持液输送到成型维持腔，成型维持腔内的维持液回流到双向蠕动泵。培养室内维持液输送到成型维持腔是通过气压使得培养室内维持液被压入成型维持腔。双向蠕动泵控制整个维持液循环通路的工作，不需要人工更换维持液，维持液从培养室的底部进入，经过加热室加热后通入培养室，实现了维持液的加热。
本发明中，所述双向蠕动泵与培养室之间设有PH传感器，所述培养室设有出气管，出气管上设有第二HEPA过滤器以及二氧化碳传感器。
本发明中，所述成型维持腔包括成型容器以及组织托盘，组织托盘位于成型容器的中部，成型容器分别连通到培养室和双向蠕动泵。
本发明中，所述成型维持腔包括上部的进气装置、中部的托盘以及下部的底座，中部的托盘与上部的进气装置为一体结构，下部的底座中间设有用于盛装维持液的空腔，上部的进气装置与下部的底座可拆卸的连接，进气装置连通到高效空气过滤器，底座分别连通到培养室和双向蠕动泵，当进气装置与底座紧密连接时，托盘位于空腔处。
有益效果：在生物三维打印过程中以及打印后期的生物组织培养过程中，维持液的环境条件通过控制微控制器自动监测并控制实现，操作者无需重复打开培养液的装置也可获得培养液及周围环境的各个参数，同时通过微控制器调控保持培养液和其周围环境的稳定，同时也降低了被污染的可能性，重复操作性更高，实验结果更加可靠。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置的结构示意图；
图2是双层维持液供给室结构示意图；
图3是成型维持腔内部原理图；
图4是成型维持腔内部结构示意图。
实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：
如图1-图2，本实施例提供的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，包括PH传感器1、温度传感器2、二氧化碳传感器3、氧气流量控制器4、二氧化碳流量控制器5、HEPA过滤器6a、双向蠕动泵7、显示屏8、加热器9、微控制器10、封闭的双层维持液供给室11、成型维持腔12。
双层维持液供给室11包括位于上层的培养室11a和位于下层的加热室11b，所述培养室11a内设有维持液，加热室11b内设有传热介质，所述培养室外接二氧化碳瓶和氧气瓶，所述培养室11a和成型维持腔12一侧设有双向蠕动泵7，双向蠕动泵7、培养室11a和成型维持腔12依次首尾连通形成维持液循环通路。
培养室内设有温度传感器2，温度传感器电连接到微控制器10。
加热室的传热介质内设有加热器9，加热器包括过热保护电路。
二氧化碳瓶连通二氧化碳流量控制器5，氧气瓶连通到氧气流量控制器4，二氧化碳流量控制器5和氧气流量控制器4共同连通到HEPA过滤器6a，HEPA过滤器6a连通到培养室；所述二氧化碳流量控制器5和氧气流量控制器4均电连接到微控制器10。
双向蠕动泵7入口端连通一个以上的介质容器，双向蠕动泵出口端分别连通到培养室和成型维持腔12。
培养室11a为密封设置。
介质容器包括维持液容器，维持液容器内设有维持液，双向蠕动泵将维持液容器内的维持液输送到培养室内，培养室内维持液输送到成型维持腔，成型维持腔内的维持液回流到双向蠕动泵。
双向蠕动泵7与培养室之间设有PH传感器1。培养室设有出气管，出气管上设有第二HEPA过滤器6b以及二氧化碳传感器3。
二氧化碳传感器3安装在培养室的顶部。
温度传感器2设置在维持液中。
本实施例中，PH传感器1采用sinomeasure 公司的SIN-PH4.0、温度传感器2采用MEACON公司的PT100 WZP、二氧化碳传感器3采用建大仁科公司的485型二氧化碳400-5000ppm、氧气流量控制器4采用AIR TAC公司的PK503-M、二氧化碳流量控制器5采用AIRTAC公司的PK503-M、HEPA过滤器6a采用Thermo公司产品、双向蠕动泵7采用雷弗公司的LF785、加热器9采用型号为M3的单头加热管。
成型维持腔与各个传感器、控制器、加热器、显示屏等单元之间的连接如图1所示。连接原则是各个传感器的信号输出端分别与控制系统的微控制器信号接受端相连，控制系统微控制器的信号输出端与显示屏的信号输入端相连。
成型维持腔12是用来打印的地方；也是打印结束后用来对打印成品进行细胞培养的地方；培养细胞及维持细胞的活性需要稳定的周围环境及营养供给，双层维持液供给室为细胞提供稳定的环境和营养需求。双层维持液通过双向蠕动泵保证维持液的稳定，通过各个传感器保证环境的稳定。
如图3，成型维持腔12即在打印平台上设置的超净细胞培养工作平台，成型维持腔12包括成型容器16以及组织托盘17，成型维持腔12整体是设置在超净台内，组织打印在组织托盘上，然后将组织托盘放置到成型容器内，成型容器内装有维持液，并且连通有进液管和出液管，分别连通到培养室11a和双向蠕动泵7，在打印如肝脏等需要血供的组织时，打印成型后需要维持里面的血液供给，因此成型维持腔还连通血供管。
进一步的，在成型维持腔12上，直接通过气管连通到二氧化碳瓶和氧气瓶。
本发明采用微控制器对生物三维打印环境进行实时监测及控制，将各个传感器采集并传回到微控制器的信号进行处理，通过预先编好的程序在所有传感器和其他电气和机械元件之间进行通信，以确保环境条件例如温度，二氧化碳和PH值，保持在预设的范围内，以实现打印过程及打印后细胞培养的最佳生长环境。
本发明为生物三维打印过程及打印结束后的细胞培养和发育提供了封闭但可自动控制和用户自主配置的环境。
本发明中，高效空气过滤器为HEPA过滤器，输出口和二氧化碳含量传感器安装在上层维持液供给室的顶部，温度传感器直接伸入维持液中。PH传感器则安装在维持液和维持液介质的中间，本实施例以进行平滑肌细胞培养为例，需要定时补充小牛血清、生长因子、葡萄糖、氨基酸等介质以维持细胞的生长，介质的传输管从加热室底部进入，穿过加热室进入维持液供给室。加热器9采用硅橡胶加热器，安装在加热室内，同时还包括一个过热保护电路，用于在温度传感器故障的情况下关闭加热器，防止温度过高。
本发明中，HEPA过滤器主要用于滤除氧气和二氧化碳中的细菌和病毒等有机体，因而，可以预防和控制细菌和病毒等有机体。
本发明中，维持液供给室除维持液输入通道14外，还连通有维持液输出通道15，输出通道为成型维持腔提供维持液并保持维持液循环更换，成型维持腔设有回收通道将成型维持腔的的维持液进行回收，经过微控制器的监测控制后循环使用，以此保证打印过程及打印后细胞培养的最佳生长环境。
本实施例中维持液为DMEM培养基，它可提供细胞在生长繁殖阶段所需有的大部分营养。其他营养或抗生素通过其他维持液介质进行补充。
本实施例采用的双向蠕动泵类型为分配型蠕动泵，管内形成的正负压，液体随之正反向移动。该类型的蠕动泵除基本的控制功能外还具有通信、流量分配、回吸、流量显示及校正的功能。
打开双向蠕动泵，蠕动泵与微控制芯片电连接，通过当前PH值，控制双向蠕动泵吸取维持液介质的种类及流速。
本生物三维打印环境实时监测及控制系统的维持装置实施例的工作原理和工作过程如下：
1、在安装生物三维打印环境实时监测及控制系统的维持装置之前，将所有的连接管子和各个连接件放入蒸汽灭菌器消毒袋中进行消毒。将所有部件从消毒袋中取出，按照图一用连接管连接好各个单元，固定好各个传感器和加热器。 在微控制器中设定好维持液所需的温度、气压及PH值，打开并启动设备的监测控制程序，启动双向蠕动泵，将预定水平的新鲜维持液流入培养室中，如果是多种维持液介质，微控制器控制恒定比例的介质流入培养室中。
2、温度传感器位于培养室内部，硅橡胶加热器位于加热室。根据培养室内的温度传感器监测到的实时温度，加热器会自动即时的打开和关闭，从而保持维持液所需的温度。加热室内还包括一个过热保护电路，用于在温度传感器故障的情况下关闭加热器。本实施例采用AD597作为温度设定点控制器，配合使用k型热电偶。温度的设定根据不同的细胞生长要求来设定。本实施例设计的电路可以在环境温度为－20～＋260摄氏度的条件下使用。
3、气体混合系统利用两个气体流量控制器生产含有预定百分比的氧气和二氧化碳混合物。二氧化碳浓度使用二氧化碳传感器连续监测，利用氧气和二氧化碳的流量控制器对氧含量及气压进行有效的调控。氧气和二氧化碳的混合气体经过HEPA过滤器后通入培养室11a。不同物种的细胞对CO2 浓度的耐受都是不一样的，一般二氧化碳的浓度不能超过15%，否则就会对细胞的生长有抑制作用。本实施例的二氧化碳的浓度需保持在5%。混合气体在维持液供给室中经循环，从出气孔出来，进入二氧化碳含量传感器后排出。
4、维持液的pH值是通过pH传感器来测量的，pH传感器安装在培养室到装维持液介质的容器中间。记录的pH值用于校准各个介质的输入量。通过使用具有可调流速的双向蠕动泵，使得维持液在双向蠕动泵、供给室以及成型维持腔之间进行循环使用。维持液通过双向蠕动泵，经过PH传感器，进入维持液供给室中，再从维持液供给室流入成型维持腔、再从成型维持腔流出，循环供给到双向蠕动泵。
5、所有传感器接收到的数据，包括温度，pH值，二氧化碳控制系统的状态，都会显示在显示屏上，并可以使用串口传输到个人电脑。如有需要，数据也可传输到操作者的手机上，操作者使用手机通过互联网便可以监控和观察。
6、生物三维打印过程结束后，可直接将图1的成型维持腔与培养液供给室的连接管断开，也可将其从打印平台上取下。重复上述1到5步的过程及原理，以实现对打印完成后成型件的细胞培养环境的实时监测及控制的。
实施例2：
如图4，但需要打印培养如软骨组织时，需要在成型后对其施加力学刺激，以提高组织的力学性能。本实施例与实施例1的区别之处在于，成型维持腔则将图3换为图4所示结构，其他部分相同，包括上部的进气装置18、中部的托盘19以及下部的底座20。上部的进气装置18用来通入气体，气体在密闭的培养腔内循环后流出。中部的托盘19用来放置打印好的模型，下部的底座20用来供给细胞生长和繁殖所需的维持液和气体交换。中部的托盘19与上部的进气装置为一体的，可通过拉伸和压缩上部来嵌入或离开下部。在需要放置或取出模型时，需要关闭维持液和进气阀门。下部的底座中间空腔用于装有维持液，上部的进气装置与下部的底座能够销21和孔22紧密连接。当进气装置与底座紧密连接时，托盘19位于空腔23处。
本实施例在使用时，将打印好的软骨组织放置在托盘上，将上部的进气装置与下部的底座通过销孔紧密连接，然后通气并且通入维持液，加压并且提升力学刺激，用以提高组织的力学性能。
本发明提供了一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，包括双层维持液供给室（11）和放置在超净台内的成型维持腔（12），所述双层维持液供给室（11）包括位于上层的培养室（11a）和位于下层的加热室（11b），所述培养室（11a）内设有维持液，加热室（11b）内设有传热介质，所述培养室外接二氧化碳瓶和氧气瓶，所述培养室（11a）和成型维持腔（12）一侧设有双向蠕动泵（7），双向蠕动泵（7）、培养室（11a）和成型维持腔（12）依次首尾连通形成维持液循环通路，成型维持腔（12）还连通血供管，所述成型维持腔（12）的特征在于：
（A）所述成型维持腔（12）包括成型容器（16）以及组织托盘（17），组织托盘（17）位于成型容器（16）的中部，成型容器（16）分别连通到培养室（11a）和双向蠕动泵（7）；或
（B）所述成型维持腔（12）包括上部的进气装置（18）、中部的托盘（19）以及下部的底座（20），中部的托盘（19）与上部的进气装置为一体结构，下部的底座中间设有用于盛装维持液的空腔（23），上部的进气装置（18）与下部的底座（20）可拆卸的连接，进气装置（18）连通到高效空气过滤器，底座（20）分别连通到培养室（11a）和双向蠕动泵（7），当进气装置与底座紧密连接时，托盘（19）位于空腔（23）处。
2.根据权利要求1所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述培养室内设有温度传感器（2），温度传感器电连接到微控制器（10）。
3.根据权利要求2所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述加热室的传热介质内设有加热器（9），加热器包括过热保护电路。
4.根据权利要求3所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述二氧化碳瓶连通二氧化碳流量控制器（5），氧气瓶连通到氧气流量控制器（4），二氧化碳流量控制器（5）和氧气流量控制器（4）共同连通到HEPA过滤器（6a），HEPA过滤器（6a）连通到培养室；所述二氧化碳流量控制器（5）和氧气流量控制器（4）均电连接到微控制器（10）。
5.根据权利要求4所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述双向蠕动泵（7）入口端连通维持液容器以及介质容器，双向蠕动泵出口端分别连通到培养室和成型维持腔（12）。
6.根据权利要求5所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述培养室（11a）为密封设置。
7.根据权利要求6所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述介质容器包括维持液容器，维持液容器内设有维持液，双向蠕动泵将维持液容器内的维持液输送到培养室内，培养室内维持液输送到成型维持腔，成型维持腔内的维持液回流到双向蠕动泵。
8.根据权利要求7所述的一种生物三维打印环境实时监控与活性维持装置，其特征在于，所述双向蠕动泵（7）与培养室之间设有pH传感器（1），所述培养室设有出气管，出气管上设有第二HEPA过滤器（6b）以及二氧化碳传感器（3）。
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