CN109022277A - 一种连续长效的生物3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续长效的生物3D打印装置，包括生物墨水打印系统和接收容器，所述生物墨水打印系统包括打印头，所述接收容器设在所述打印头下方，其内设有用于承接所述打印头打印出的生物墨水的接收平台，所述接收容器的下部还设有注液孔。所述打印头上设有至少一个用于对所述打印头打印出的生物墨水进行冷冻、辅助其固化的液氮喷口。本发明还提供一种连续长效的生物3D打印方法。本发明可以使活细胞模型的交联及孵育连续进行，延长打印时间，减少交联剂对活细胞模型的伤害，并实现大规格活细胞模型的打印。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种连续长效的生物3D打印装置及打印方法。
背景技术
近年来，生物3D打印技术作为一种新型生物技术受到了越来越多的关注。生物3D打印技术主要是以活细胞及生物墨水为原料，通过层层堆积的方式形成预设的形状和结构。在这个过程中，生物墨水需要固化并将细胞固定的规定位置。固化过程是一种相转变的过程，主要有物理方法与化学方法两种。物理方法如冷冻，可以使水凝胶在低温环境保持固定形状，但在后续培养时必须升温到37℃左右，以保证细胞的存活和生长，所以冷冻主要用于打印阶段的辅助固化。化学方法如交联，可以形成稳定的水凝胶体系，即使升温也不会失去形状。例如目前使用较多的生物墨水主要是以海藻酸钠为基材的水凝胶体系。海藻酸钠体系可以通过钙离子、钡离子等小分子离子交联，交联过程温和，对细胞伤害较小。但即便如此，长期接触钙离子或钡离子还是会对细胞的产生伤害。
同时，因为活细胞模型不能长期接触交联剂，所以打印的模型必须尽快从交联剂中取出，转移至培养基中孵育，才能保证细胞的存活，所以目前打印出来的活细胞模型都较小；为达到较大模型的打印，可采取分次打印、分次交联的方法，但这样打印的模型易分层，对模型整体性产生影响。
发明内容
为克服上述现有技术中的至少一种缺陷，本发明提供一种连续长效的生物3D打印方法。本发明可以使活细胞模型的交联及孵育连续进行，延长打印时间，减少交联剂对活细胞模型的伤害，并实现大规格活细胞模型的打印。
本发明的另一个目的是提供一种连续长效的生物3D打印装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种连续长效的生物3D打印装置，其中，包括生物墨水打印系统和接收容器，所述生物墨水打印系统包括打印头，所述接收容器设在所述打印头下方，其内设有用于承接所述打印头打印出的生物墨水的接收平台，所述接收容器的下部还设有注液孔。
进一步的，所述打印头上设有至少一个用于对所述打印头打印出的生物墨水进行冷冻、辅助其固化的液氮喷口。
本发明还提供一种连续长效的生物3D打印方法，其中，包括如下步骤：
S1. 配置包含细胞的生物墨水，配置与生物墨水相应的交联剂，选取隔离剂，准备与细胞相应的培养基作为孵育剂；
S2. 依次向接收容器中注入孵育剂、隔离剂和交联剂，使其在接收容器内形成从下往上依次为孵育剂、隔离剂和交联剂的液体层，其中交联剂的液面低于接收平台的顶面；
S3. 打印头开始在接收平台上打印，同时向接收容器中缓慢地注入孵育剂，使得新打印出的生物墨水层依次经过交联剂和隔离剂，最终没入孵育剂中；打印完成后，继续向接收容器内注入孵育剂，使打印完成的活细胞模型整体没入孵育剂中；
S4. 从接收容器上部吸去交联剂和隔离剂，将浸泡在孵育剂中的活细胞模型转移至细胞培养箱中培养。
进一步的，所述步骤S2中，先从接收容器下部的注液孔注入一定量的孵育剂，然后从接收容器上部注入一定量的隔离剂，隔离剂浮于孵育剂表面，最后再从接收容器上部注入一定量的交联剂，优选地，所述隔离剂的液量为一个厚层，可使活细胞模型尽快地进入孵育剂中，所述交联剂的液量为两个层厚，可在保证交联效果的同时减少交联剂对活细胞模型的伤害。
进一步的，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31. 打印头开始在接收平台上打印，当打印出的生物墨水完成两个层厚时，从接收容器下部的注液孔缓慢地注入一定量的孵育剂，使接收容器内的总体液面上浮，待交联剂没过第一层生物墨水时停止；
S32. 打印头继续打印，当打印出的生物墨水又完成一个层厚时，向接收容器内注入一定量的孵育剂，接收容器内的总体液面上浮，待交联剂没过新打印出来的倒数第二层生物墨水时停止，此后每打印一层，即向接收容器内注入一定量的孵育剂，使液面上浮，则新打印出的生物墨水层逐步没入交联剂中，已经被交联剂处理过的生物墨水层则会逐步没入孵育剂中，连续进行此过程；
S33. 当打印完成后，向接收容器内注入一定量的孵育剂，使打印完成的活细胞模型整体没入孵育剂中。
进一步的，所述步骤S2中，所述交联剂为生物墨水所对应的交联剂，一般为氯化钙、硫酸钙、硫酸钡、碳化二亚胺类、戊二醛、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯、京尼平、甲醇及其任意比例水溶液、乙醇及其任意比例水溶液中的任一种。
进一步的，所述步骤S2中，所述隔离剂为隔离交联剂与孵育剂的液体，一般为植物油、石蜡油、硅油、脂质体以及疏水离子液体如1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-甲基-3-己基咪唑六氟磷酸盐等中的任一种。
进一步的，所述步骤S2中，所述孵育剂为孵育和保证细胞营养物质交换的液体，一般为细胞相对应的培养基， 如MEM培养基、DMEM培养基以及RPMI 1640培养等。
进一步的，所述步骤S3中，所述打印头在接收平台上打印时，打印头上的液氮喷口向已打印到接收平台上的生物墨水喷液氮，对生物墨水进行冷冻、辅助其固化。
进一步的，所述一个层厚为打印在所述接收平台上的一层生物墨水层的厚度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用油-水相液体互不相容的原理，用隔离剂分离交联剂和孵育剂，实现了活细胞模型交联-孵育的连续进行，避免活细胞模型长期接触交联剂而对细胞产生伤害，使得该过程可以长时间进行，有利于实现大规格的活细胞模型的打印，拓宽了生物3D打印的边界。
本发明的生物3D打印装置结构简单，原理清晰，易于实现，是对目前生物3D打印技术的有力补充。
附图说明
图1是本发明中生物3D打印装置的结构示意图。
图2是本发明中打印头的结构示意图。
图3是本发明中生物3D打印方法的过程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1和图2所示，一种连续长效的生物3D打印装置，其中，包括生物墨水打印系统和接收容器2，所述生物墨水打印系统包括打印头1，所述接收容器2设在所述打印头1下方，其内设有用于承接所述打印头1打印出的生物墨水的接收平台3，所述接收容器2的下部还设有注液孔5, 可通过注液孔5向接收容器2内部注入孵育剂。
如图1和图2所示，所述打印头1上设有至少一个用于对所述打印头1打印出的生物墨水进行冷冻、辅助其固化的液氮喷口4。
本实施例中，所述生物墨水打印系统还包括打印腔体、打印头1的驱动机构、控制系统、用于装载生物墨水的储料装置等结构。所述打印头1、接收容器2和接收平台3均设在所述打印腔体内部。打印腔体可以为生物3D打印提供无菌环境。
实施例2
如图3所示，一种连续长效的生物3D打印方法，其中，包括如下步骤：
S1. 配置包含细胞的生物墨水，配置与生物墨水相应的交联剂，选取隔离剂，准备与细胞相应的培养基作为孵育剂。
具体是将一定量的海藻酸钠用注射用水配置成2.5%的溶液作为生物墨水，在生物墨水中混合1*106个L929小鼠成纤维细胞；配置3%氯化钙溶液作为交联剂，选取植物油作为隔离剂，准备DMEM高糖培养基作为孵育剂。
S2. 依次向接收容器2中注入孵育剂、隔离剂和交联剂，使其在接收容器2内形成从下往上依次为孵育剂、隔离剂和交联剂的液体层，其中交联剂的液面低于接收平台3的顶面。具体步骤如下：
从接收容器2下部的注液孔5注入一定量的DMEM高糖培养基，从接收容器2上部注入一定量的植物油，液量为一个层厚，隔离剂浮于孵育剂表面，再从接收容器2上部注入一定量的氯化钙溶液，液量为两个层厚，因隔离剂的疏水性，隔离剂将氯化钙溶液和DMEM高糖培养基分隔开来，氯化钙溶液的液面低于接收平台3的顶面。本实施例中，为使活细胞模型尽快地进入DMEM高糖培养基中植物油优选1个层厚即可，同时，为保证交联效果且尽量少地接触活细胞模型接触交联剂，氯化钙溶液优选为2个层厚；当然，本发明的其他实施例中，交联剂和隔离剂可以是其他层厚，此处不做限制。
S3. 打印头1开始在接收平台3上打印，同时向接收容器2中缓慢地注入孵育剂，使得新打印出的生物墨水层依次经过交联剂和隔离剂，最终没入孵育剂中；打印完成后，继续向接收容器2内注入孵育剂，使打印完成的活细胞模型整体没入孵育剂中。具体步骤如下：
S31. 打印头1开始在接收平台3上打印，当打印出的生物墨水完成两个层厚时，从接收容器2下部的注液孔5缓慢地注入一定量的DMEM高糖培养基，使接收容器2内的总体液面上浮，待氯化钙溶液没过第一层生物墨水时停止；
S32. 打印头1继续打印，当打印出的生物墨水又完成一个层厚时，向接收容器2内注入一定量的DMEM高糖培养基，接收容器2内的总体液面上浮，待氯化钙溶液没过新打印出来的倒数第二层生物墨水时停止，此后每打印一层，即向接收容器2内注入一定量的DMEM高糖培养基，使液面上浮，则新打印出的生物墨水层逐步没入氯化钙溶液中，已经被氯化钙溶液处理过的生物墨水层则会逐步没入DMEM高糖培养基中，连续进行此过程；
S33. 当打印完成后，向接收容器2内注入一定量的DMEM高糖培养基，使打印完成的活细胞模型整体没入DMEM高糖培养基中。
S4. 从接收容器2上部吸去氯化钙溶液和植物油，将浸泡在DMEM高糖培养基中的活细胞模型转移至细胞培养箱中培养。
本实施例中，所述步骤S3中，所述打印头1在接收平台3上打印时，打印头1上的液氮喷口4向已打印到接收平台3上的生物墨水喷液氮，对生物墨水进行冷冻、辅助其固化。
本实施例中，所述一个层厚为打印在所述接收平台3上的一层生物墨水层的厚度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续长效的生物3D打印装置，其特征在于，包括生物墨水打印系统和接收容器（2），所述生物墨水打印系统包括打印头（1），所述接收容器（2）设在所述打印头（1）下方，其内设有用于承接所述打印头（1）打印出的生物墨水的接收平台（3），所述接收容器（2）的下部还设有注液孔（5）。
2.根据权利要求1所述的连续长效的生物3D打印装置，其特征在于，所述打印头（1）上设有至少一个用于对所述打印头（1）打印出的生物墨水进行冷冻、辅助其固化的液氮喷口（4）。
3.一种连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 配置包含细胞的生物墨水，配置与生物墨水相应的交联剂，选取隔离剂，准备与细胞相应的培养基作为孵育剂；
S2. 依次向接收容器（2）中注入孵育剂、隔离剂和交联剂，使其在接收容器（2）内形成从下往上依次为孵育剂、隔离剂和交联剂的液体层，其中交联剂的液面低于接收平台（3）的顶面；
S3. 打印头（1）开始在接收平台（3）上打印，同时向接收容器（2）中缓慢地注入孵育剂，使得新打印出的生物墨水层依次经过交联剂和隔离剂，最终没入孵育剂中；打印完成后，继续向接收容器（2）内注入孵育剂，使打印完成的活细胞模型整体没入孵育剂中；
S4. 从接收容器（2）上部吸去交联剂和隔离剂，将浸泡在孵育剂中的活细胞模型转移至细胞培养箱中培养。
4.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2中，先从接收容器（2）下部的注液孔（5）注入一定量的孵育剂，然后从接收容器（2）上部注入一定量的隔离剂，隔离剂浮于孵育剂表面，最后再从接收容器（2）上部注入一定量的交联剂，优选地，所述隔离剂的液量为一个层厚，所述交联剂的液量为两个层厚。
5.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31. 打印头（1）开始在接收平台（3）上打印，当打印出的生物墨水完成两个层厚时，从接收容器（2）下部的注液孔（5）缓慢地注入一定量的孵育剂，使接收容器（2）内的总体液面上浮，待交联剂没过第一层生物墨水时停止；
S32. 打印头（1）继续打印，当打印出的生物墨水又完成一个层厚时，向接收容器（2）内注入一定量的孵育剂，接收容器（2）内的总体液面上浮，待交联剂没过新打印出来的倒数第二层生物墨水时停止，此后每打印一层，即向接收容器（2）内注入一定量的孵育剂，使液面上浮，则新打印出的生物墨水层逐步没入交联剂中，已经被交联剂处理过的生物墨水层则会逐步没入孵育剂中，连续进行此过程；
S33. 当打印完成后，向接收容器（2）内注入一定量的孵育剂，使打印完成的活细胞模型整体没入孵育剂中。
6.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述交联剂为氯化钙、硫酸钙、硫酸钡、碳化二亚胺类、戊二醛、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯、京尼平、甲醇及其任意比例水溶液、乙醇及其任意比例水溶液中的任一种。
7.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述隔离剂为植物油、石蜡油、硅油、脂质体以及疏水离子液体中的任一种。
8.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，器特征在于，所述孵育剂为MEM培养基、DMEM培养基以及RPMI 1640培养基中的任一种。
9.根据权利要求3所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述打印头（1）在接收平台（3）上打印时，打印头（1）上的液氮喷口（4）向已打印到接收平台（3）上的生物墨水喷液氮，对生物墨水进行冷冻、辅助其固化。
10.根据权利要求4或5所述的连续长效的生物3D打印方法，其特征在于，所述一个层厚为打印在所述接收平台（3）上的一层生物墨水层的厚度。
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