CN109822898A - 一种用于生物3d打印机的微喷头装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物3D打印机的微喷头装置及其应用。该微喷头装置包括在微流控芯片上设置有至少两个进液口、至少两个分液流道、主通道a、S型微通道、主通道b、至少三个侧向流道和至少一个出液口；S型微通道具有至少1个S型弯道；进液口各自对应分液流道，不同分液流道汇聚到依次相连接的主通道a、S型微通道、主通道b，侧向流道垂直连接于主通道b上，侧向流道上设置微阀以控制侧向通道的导通与阻断；不同进液口分别通过软管连接各自注射泵搭载的各自储液筒；出液口上连接有微挤出喷头。本发明能作为一个微喷头模块搭载到任何三维打印平台上，能实现高通量异质多组分的生物3D打印，对于体外构建多细胞异质仿生组织具有很大的应用前景。

Description

一种用于生物3D打印机的微喷头装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于生物3D打印机的微喷头装置及其应用，具体涉及一种用于生物3D打印机的微喷头装置和一种利用所述的微喷头装置进行可控多组分异质细胞结构体3D打印成形的方法，属于生物制造领域。

背景技术

生物3D打印技术是一种结合了3D打印技术和组织工程相关技术的新技术，这项技术可以在体外构建包含多种细胞和细胞外基质的仿生3D结构体。目前已经有多种生物3D打印技术，利用不同的生物材料，实现多细胞结构的精确构建，在打印分辨率和细胞功能性方面取得了很好的研究成果。

尽管生物3D打印技术取得了不错的进展，但该技术也在不同细胞的精确定位和快速切换以及找到合适的生物材料等技术细节方面仍存在很大的不足。为了在体外构建出更加接近生物体组织的仿生结构，所构建仿生结构的打印技术需要同时具有多尺度、多细胞和多材料等特点。在目前发展的各类打印技术中，微流控芯片技术因为其具有的微尺度、多通道和高通量等优势在生物3D打印领域也得到了广泛的运用，极大地提高了生物3D打印技术的打印分辨率和打印效率。

微流控(Microfluidics)是一种能够精准控制与操控微尺度流体，尤指亚微米结构的技术。微流控能够操控微小体积的流体在尺寸为几十到几百微米的微通道或构件中流动。通过这种方式所形成的微水凝胶纤维可作为构建组织的基本模块，可以形成复杂的3D组织工程结构。基于这项工艺特性，微流控技术越来越多应用于各种组织工程和生物科学研究。微流控装置是指将微通道结构与各种功能性单元件集成到微流控芯片(Microfluidic chip)上，又称为“片上实验室(lab-on-chip)”。这种集成优势使得微流控方法具有良好的可设计性、可精细调控性以及优异的界面控制能力。哈佛大学AliKhademhosseini教授和罗马大学Mariella Dentini教授合作团队提出了一种新的生物打印范例，他们将生物3D打印技术与微流控芯片技术结合起来同时打印多种材料(Colosi C,et al.Microfluidic Bioprinting of Heterogeneous 3D Tissue Constructs UsingLow-Viscosity Bioink[J].Advanced Materials,2016,28(4):677-684.)。JenniferLewis和她的团队则利用微流控打印喷头开发出连续梯度打印结构的技术方法，并具体打印出梯度组分变化的粘弹性油墨3D结构(James O.Hardin,et al.MicrofluidicPrintheads for Multimaterial 3D Printing of Viscoelastic Inks[J].AdvancedMaterials,2015,27(21):3279-3284.)。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生物3D打印机的微喷头装置及其应用，本发明的微喷头装置能作为一个微喷头模块搭载到任何三维打印平台上，能实现高通量异质多组分的生物3D打印。

本发明提供了一种用于生物3D打印机的微喷头装置，该微喷头装置包括在微流控芯片上设置有至少两个进液口、至少两个分液流道、主通道a、S型微通道、主通道b、至少三个侧向流道和至少一个出液口；

所述S型微通道具有至少1个S型弯道；

所述进液口各自对应所述分液流道，不同所述分液流道汇聚到依次相连接的所述主通道a、所述S型微通道、所述主通道b，所述侧向流道垂直连接于所述主通道b上，所述侧向流道上设置微阀以控制侧向通道的导通与阻断；

所述不同进液口分别通过软管连接各自注射泵搭载的各自储液筒；

所述出液口上连接有微挤出喷头。

本发明中，所述S型微通道具有多个S型弯道，能引起混沌对流，使流体被拉伸和折叠，从而加速混合。

上述的微喷头装置中，所述注射泵设置为多通道可编程微注射泵，以控制各所述进液口输入组分通过所述分液流道进入所述S型微通道中的混合比例。

上述的微喷头装置中，所述主通道a和主通道b、所述分液流道、所述S型微通道或所述侧向流道的横截面形状均包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形和串珠形中的至少一种。

上述的微喷头装置中，所述分液流道、所述主通道a、所述主通道b、所述S型微通道和所述侧向流道的宽度或直径均可为50～100μm；

当所述分液流道、所述主通道a、所述主通道b、所述S型微通道和所述侧向通道横截面形状为矩形时，其各自的宽度大于其各自的高度；且所述侧向通道的宽度至少等于一半所述主通道b的宽度。

上述的微喷头装置中，所述侧向流道在设置所述微阀处的高度可为50～100μm；

所述微挤出喷头的内径尺寸可为10～100μm，所述微挤出喷头的上述尺寸内能控制挤出的精度，并且与芯片内通道尺寸相匹配。

上述的微喷头装置中，所述注射泵上设置数控系统和/或所述分液流道上连接工控系统以控制所述进液口输入组分流体的流速；

所述微阀通过连接的电磁阀或直接集成气泵控制其开闭。

本发明还提供了一种采用所述的微喷头装置进行可控多组分异质细胞结构体3D打印成形的方法，包括如下步骤：将所述储液筒中加入打印墨水，所述打印墨水通过所述进液口流入所述分液流道、所述主通道a，之后汇入所述S型微通道进行混合，混合后流经所述主通道b后由所述出液口通过所述微挤出喷头挤出并打印。

上述的方法中，所述方法中还包括通过所述进液口经所述分液流道或侧向流道加入交联剂的步骤；具体的可以通过垂直连接于所述主通道b最末端上的所述侧向流道加入；

所述方法中还包括通过所述侧向流道加入油性溶剂、不溶于有机溶剂的气体和/或表面活性剂的步骤；具体地，可以通过芯片上的所述微阀开启与关闭来实现加压气体或油性溶剂的通入与断开，从而利用其剪切力将单一组分或混合组分从所述S型微通道出来的流经所述主通道b的液流切断，生成稳定、连续的非连续组分，具体如微球或微丝段；

所述油性溶剂与所述打印墨水互不混溶。

上述的方法中，所述交联剂包括氯化钙、凝血酶，所述交联剂为本领域常用的试剂，会根据生物打印所述水凝胶材料选择相应的所述交联剂；

所述油性溶剂选自矿物油、豆油、玉米油、十六烷、橄榄油和全氟烷中的至少一种；全氟烷具体可为C5-18或C6-12；

所述不溶于有机溶剂的气体包括氮气或氩气；

所述表面活性剂包括司盘(英文名称Span)或吐温(英文名称Tween)，具体可为司盘20(Span20)、司盘80(Span80)、吐温20(Tween20)、吐温40(Tween40)、吐温60(Tween60)或吐温80(Tween80)。

上述的方法中，所述打印墨水选自多种细胞、水凝胶材料和/或细胞生长因子；

生物打印所述水凝胶材料制备原料包含明胶、海藻酸钠、明胶甲基丙烯酸甲酯(GELMA)、纤维蛋白原和/或丝素蛋白；

所述打印墨水通过多通道可编程微注射泵来控制各所述进液口输入组分的混合比例，根据需要的比例进行设置即可。

本发明用于生物3D打印机的微喷头装置能作为一个微喷头模块搭载到任何三维打印平台上；能离散打印所构建的微单元如微丝段或微球，能载药或细胞，用于药物的批量测试与筛选，也能批量检测药物对细胞的作用效果。

本发明具有以下优点：

1、本发明的微喷头装置能作为一个微喷头模块搭载到任何三维打印平台上，能实现高通量异质多组分的生物3D打印，既可以实现离散打印，也可以实现连续梯度打印，对于体外构建如大脑皮层、软骨、心脏等多细胞异质仿生组织具有很大的应用前景。

2、本发明在微流控芯片上加工方式多样，制作简单，不同组分能充分混合，并且组分的含量可以呈梯度分布，沿一定方向的材料机械强度也会呈梯度变化。

3、本发明在侧向流道通交联剂的设置能降低堵塞喷头的问题，交联后粘度增加的打印墨水经过的微通道长度缩短，利于打印墨水的挤出。

4、本发明通过侧向流道的设置离散打印所构建的微单元如微丝段或微球，能载药或细胞，用于药物的批量测试与筛选，也能批量检测药物对细胞的作用效果，相比于一般的药物筛选方法，在检测效率和准确性上都有很大优势。

附图说明

图1为本发明用于生物3D打印机的微喷头装置，其中图1A₁为微喷头装置的整体图，图1A₂为图1A₁的主通道和侧向流道的连接的局部结构示意图。

图中各个标记如下：

1、多通道可编程注射泵；2、进液口；3、分液流道；4、主通道a；5、微阀；6、芯片基体；7、微挤出喷头；8、聚四氟乙烯软管；9、S型微通道；10、侧向流道；11、主通道b；12、控制系统；13、压力控制器；14、氮气源；15、内皮细胞；16、胶质细胞；17、神经元细胞；18、微喷头夹具；19、打印平台；20、96孔板。

图2为本发明实施例1和2中使用本发明微喷头装置打印异质仿生结构示意图，其中图2B₁为不同段的平行和/或垂直微纤维的生物打印多材料平面图案，图2B₂为连续生物打印大脑皮层三层细胞-材料结构的仿生结构图。

图3为本发明实施例3和4中使用本发明微喷头装置制备微球或微丝段的装置结构示意图，其中图3C₁为使用微喷头装置制备微球或微丝段的装置，图3C₂为制备微球或微丝段的装置中一种可选的收集制造主体示意图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1中A₁和A₂所示，为本发明用于生物3D打印机的微喷头装置，该喷头包括在微流控芯片平台上搭建的多个进液口2(具体可为5个)、多个分液流道3(具体可为5个)、主通道a 4、一个S型微通道9、主通道b 11、三个侧向流道10和至少一个出液口，以及设置在出液口的微挤出喷头7。不同进液口2通过聚四氟乙烯软管8连接多通道可编程注射泵1搭载的各自储液筒，储液筒中可包含不同的打印墨水或交联剂，例如不同的打印墨水包括细胞、水凝胶材料、细胞生长因子等组分，交联剂包括氯化钙、凝血酶。各分液流道3共同连接到S型微通道9(S型微通道9具有多个S型弯道)，微通道能够充分混合不同的组分，然后通过多通道可编程微注射泵1控制各进液口2输入组分的混合比例，不同组分进入微混合器9中充分混合，再由与出液口连接的微挤出喷头7挤出。侧向流道10可以通入氮气等气体、油性溶剂等液体、表面活性剂或交联剂等试剂，利用与侧向流道10连接的微阀5，通过微阀5控制侧向流道10中液体或气体导通，可以将流道内的组分截成多段或促进微球的产生。

进一步地，微流控芯片进液口2至少有两个，用以输入待混合的两种及两种以上液态打印组分。

进一步地，当S型微通道9由于具有多个弯道，可引起混沌对流，使流体被拉伸和折叠，从而加速混合。

进一步地，多条分液流道3的宽度、高度为十几微米到几百微米。

进一步地，主通道a 4和主通道b 11、分液流道3、S型微通道9或侧向流道10的横截面形状具体形状可为矩形、圆形和椭圆形等各种几何图形。

进一步地，用连接各组分液流道3的注射泵上设置数控系统可编程注射泵或者连接工控系统来控制各组分流体的流速，用于控制微阀开闭的微阀控制管道连接各微阀，用连接各微阀控制管道的注射器微泵或者由3D打印控制部件直接集成气泵来控制各微阀。

一种采用上述的微喷头装置进行可控多组分异质细胞结构体3D打印成形的方法，包括如下步骤：向储液筒中加入打印墨水，打印墨水通过进液口2流入分液流道3、主流道a4，之后汇入S型微通道9进行混合，混合后流经主流道b 11后由出液口通过微挤出喷头挤出，然后打印。

进一步地，所述打印墨水通过多通道可编程微注射泵1来控制各进液口2输入组分的混合比例，根据需要的比例进行设置即可。

进一步地，上述方法中还包括通过侧向流道10加入油性溶剂、不溶于有机溶剂的气体和/或表面活性剂的步骤；侧向流道10中通入的氮气等气体不溶于有机溶剂，油性溶剂与所述流道中的打印墨水互不混溶。

储液筒中打印墨水包含多种细胞、水凝胶材料、细胞生长因子等流体组分。

生物打印水凝胶材料制备原料包含明胶、海藻酸钠、明胶甲基丙烯酸甲酯(GELMA)、纤维蛋白原、丝素蛋白等。

实施例1、

在打印异质水凝胶微丝的案例中，用不同容量的注射器提前准备好不同的生物墨水比如纤维蛋白原、丝素蛋白、海藻酸钠、明胶甲基丙烯酸甲酯(GELMA)、胶原等溶液，每支注射器既可以装入一种单一组分，也可以装入按比例要求的混合组分，每个进液口2通入的流量可以通过控制系统12对多通道可编程微注射泵1的控制来调节，也可以通过具体控制多通道可编程微注射泵1中某个注射器的启停来调节。从不同的进液口通入的材料组分，经过S型微通道9时，在S型通道里面微混合。整个过程中控制气相和油相的微阀5始终处于关闭状态，另一个或多个侧向通道10的进口可以通入生物墨水的交联剂，例如：纤维蛋白原可以和凝血酶交联，可以打印出均质微丝。当注射泵的挤出流量呈线性变化时，就可以打印出梯度变化的微丝。以这两个案例为基础，设定好多通道可编程微注射泵1的挤出参数，就能打印一条多段异质的水凝胶微丝，依赖于多通道进口的微流控芯片结构设计，打印多层异质水凝胶微丝，有单一水凝胶的打印，也能打印多种水凝胶混合的梯度微丝，如图2中B₁所示。

实施例2、

根据本发明的实施案例1，当把不同生物墨水和多种细胞联合打印，即可以在体外构建异质仿生结构，注射泵中每一个注射器中生物墨水都可以与至少一种以上的细胞混合。以打印大脑皮层仿生结构体为例进行说明，大脑皮层一般为六层多细胞结构，不同细胞在不同层的分布比例不同，因此利用本发明微喷头打印装置，可以先打印一层细胞浓度梯度变化的神经元17和对应的生物墨水，第二层接着可以打印混有胶质细胞16的另外一种生物墨水，第三层可打印含有内皮细胞15的生物墨水，具体如图B₂所示。打印过程中，生物墨水的交联剂由侧向通道10控制通入。电磁阀控制微阀5打开时，生物墨水交联剂就可以由进口进入，与相对应的某种生物墨水交联。将这个实施案例进行推广，可以按照MRI(磁共振成像)扫描出的细胞分布和尺寸打印出含有不同功能细胞的体外仿生结构体。

实施例3、

根据本发明实施例1和2，侧向通道10由微阀5控制开启，气相入口外接氮气源14，油相入口可以通入含有与生物墨水不同表面活性的分相试剂。在气相或者不同表面活性的分相试剂作用下，不同复合成型结构，例如多层微球、微丝及微段，可以制备获得，如图3中C₂所示。侧向通道10与主通道b 11所形成的T型微通道结构，利用两种或多种互不相溶的流体间的流体剪切力及表面张力相互作用，来成型制备由连续流体切断而形成的复杂结构。例如含有多层的核壳结构；微球的核芯可以包含细胞；细胞可以在微球中增殖、分化、迁移。核壳材料由本发明实施例1中提到的但不限于实施例1的生物墨水制成，能为细胞生长提供生长位点和细胞外基质。此外，微球的核芯还可以包含某一定量药物，有利于靶向药物技术的开发和升级。

优选地，微球为例的微单元还可以是水凝胶的微丝段，微丝段可包含细胞或药物。

优选地，微球为可用于微喷头装置打印的生物墨水材料，包含细胞或药物。

优选地，为形成核壳分层结构，需要对微流控芯片的通道进行疏水修饰。

优选地，剪切相流体为矿物油、食用油、玉米油或花生油等具有一定生物相容性的油性溶液，另外可以添加Span80等表面活性剂。可替代地，剪切相流体也可以为氮气等惰性气体。

实施例4、

本发明实施例3制备凝胶微球或微丝段在打印时，生物墨水可以联合药物一起进行打印。该技术可以运用于新药研发临床前药物筛选。在药效学方面所打印液滴中包含有标的细胞来测试单一目标药物，或复合配伍药物的疗效。在药代动力学方面，随时间推移观测记录药物作用时间峰值以及代谢产物的浓度变化曲线。含药物的微球打印在96孔板20里则可以实现高通量药物筛选，装置图如图3中C₁所示。

Claims (10)

1.一种用于生物3D打印机的微喷头装置，其特征在于：该微喷头装置包括在微流控芯片上设置有至少两个进液口、至少两个分液流道、主通道a、S型微通道、主通道b、至少三个侧向流道和至少一个出液口；

所述S型微通道具有至少1个S型弯道；

所述进液口各自对应所述分液流道，不同所述分液流道汇聚到依次相连接的所述主通道a、所述S型微通道、所述主通道b，所述侧向流道垂直连接于所述主通道b上，所述侧向流道上设置微阀以控制侧向通道的导通与阻断；

所述不同进液口分别通过软管连接各自注射泵搭载的各自储液筒；

所述出液口上连接有微挤出喷头。

2.根据权利要求1所述的微喷头装置，其特征在于：所述注射泵设置为多通道可编程微注射泵，以控制各所述进液口输入组分通过所述分液流道进入所述S型微通道中的混合比例。

3.根据权利要求1或2所述的微喷头装置，其特征在于：所述主通道a和主通道b、所述分液流道、所述S型微通道或所述侧向流道的横截面形状均包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、三角形和串珠形中的至少一种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微喷头装置，其特征在于：所述分液流道、所述主通道a、所述主通道b、所述S型微通道和所述侧向流道的宽度或直径均为50～100μm；

当所述分液流道、所述主通道a、所述主通道b、所述S型微通道和所述侧向通道横截面形状为矩形时，其各自的宽度大于其各自的高度；且所述侧向通道的宽度至少等于一半所述主通道b的宽度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的微喷头装置，其特征在于：所述侧向流道在设置所述微阀处的高度为50～100μm；

所述微挤出喷头的内径尺寸为10～100μm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的微喷头装置，其特征在于：所述注射泵上设置数控系统和/或所述分液流道上连接工控系统以控制所述进液口输入组分流体的流速；

所述微阀通过连接的电磁阀或直接集成气泵控制其开闭。

7.一种采用权利要求1-6中任一项所述的微喷头装置进行可控多组分异质细胞结构体3D打印成形的方法，包括如下步骤：将所述储液筒中加入打印墨水，所述打印墨水通过所述进液口流入所述分液流道、所述主通道a，之后汇入所述S型微通道进行混合，混合后流经所述主通道b后由所述出液口通过所述微挤出喷头挤出并打印。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法中还包括通过所述进液口经所述分液流道或侧向流道加入交联剂的步骤；

所述方法中还包括通过所述侧向流道加入油性溶剂、不溶于有机溶剂的气体和/或表面活性剂的步骤；

所述油性溶剂与所述打印墨水互不混溶。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述交联剂包括氯化钙、凝血酶；

所述油性溶剂选自矿物油、豆油、玉米油、十六烷、橄榄油和全氟烷的至少一种；

所述不溶于有机溶剂的气体包括氮气或氩气；

所述表面活性剂包括司盘或吐温。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于：所述打印墨水选自多种细胞、水凝胶材料和/或细胞生长因子；

生物打印所述水凝胶材料制备原料包含明胶、海藻酸钠、明胶甲基丙烯酸甲酯、纤维蛋白原和/或丝素蛋白；

所述打印墨水通过多通道可编程微注射泵来控制各所述进液口输入组分的混合比例。