CN110039762A - 一种多喷头协同的细胞/软组织3d打印装置 - Google Patents

一种多喷头协同的细胞/软组织3d打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，包括实验台，实验台上表面设置有操作台和无菌箱，操作台上设置有多个注射泵，每个注射泵与连接有储料筒，每个储料筒的出口通过导料管分别连通有打印喷头，无菌箱内设置有三维运动机构。根据各自要打印的组织，实现协同运动，打印平面结构，同时，在每一层打印完成后，位于打印喷头下方的打印基板在丝杠的作用下沿Z轴方向下降调节高度；通过打印喷头的协同打印和多层累加，最终实现大块多层组织的集成和自组装。

Description

一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置
技术领域
本发明属于3D打印设备技术领域，具体涉及一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置。
背景技术
先天性缺陷、损伤、代谢性疾病等各种原因造成的软组织损伤和功能丧失是临床常见的问题，也是引起人类疾病和死亡的重要原因。针对软组织缺损，目前最主要的治疗方法是取供体的健康组织进行手术移植，但由于可利用的组织来源有限，对供区损伤较大，以及异体移植易出现免疫排斥现象等问题，使其应用受到限制。随着生物3D打印技术的发展，尤其是在软组织工程方面的发展和应用，为解决软组织缺损和功能丧失等临床问题带来了新的希望。
生物3D打印是基于离散-堆积成形原理，以活细胞、生物活性因子及生物材料为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构的技术。该技术融合了制造科学与生物医学，是一项具有交叉性和前沿性的新兴技术，并且具有精度高、构建速度快、可按需制作，以满足个体化医学治疗的需求、排异反应低等优势。近年来，很多科研团队将3D打印技术应用于软组织工程的研究领域，成型复杂功能型支架/细胞外基质(ECM)，常用的打印方法包括选择性激光烧结(SLS)，光固化成型(SLA)，熔合沉积法(FDM)和压力挤出成型(PBE)，虽然在结构成型和细胞打印方面有很大的进展，但是，目前的打印系统和打印材料还无法完全实现结构到功能的仿生，并且很难完成不同功能细胞的分级打印，从而无法实现多层大块组织的集成和自组装。因此打印出具备任意特征的组织将是软组织工程的发展方向。同时，大块组织体外血管化，并且植入后与宿主损伤部位血管吻合生长及细胞/支架复合体的成活也亟待研究。在大块组织3D打印过程中，不同种类细胞与基质材料的准确分布以及不同组织的复合组装问题仍然有待进行研究解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，实现了打印喷头的三维运动。
本发明所采用的技术方案是，一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，包括实验台，实验台上表面设置有操作台和无菌箱，操作台上设置有多个注射泵，每个注射泵与连接有储料筒，每个储料筒的出口通过导料管分别连通有打印喷头，无菌箱内设置有三维运动机构。
本发明的特点还在于，
三维运动机构，包括设置在无菌箱底部内的底座，底座上固定有Z轴电机，Z轴电机的电机轴连接Z轴丝杠的一端，Z轴丝杠另一端位于无菌箱顶部，Z轴丝杠竖直且依次穿过第一支板、第二支板和平面固定板，第二支板上还设置有丝杠，丝杠与Z轴丝杠相互平行，丝杠与Z轴丝杠之间通过Z轴皮带连接，丝杠穿过平面固定板，且丝杠另一端位于无菌箱顶部，平面固定板中心处固定有打印基板。
平面固定板上竖直设置有四个支撑板，四个支撑板呈长方形排列在平面固定板的边缘处；其中位于同一侧的两个支撑板分别通过X向固定杆B和Y向固定杆A连接，X向固定杆B和Y向固定杆A相互垂直，且其中一端均分别位于同一个支撑板上；四个支撑板之间通过依次首尾相连的X向移动导轨A、Y向移动导轨A、X向移动导轨B和Y向移动导轨B连接；两个支撑板上分别固定有X轴电机和Y轴电机，X轴电机与Y向固定杆A相对设置。
X轴电机的电机轴上套有X轴皮带A，X轴皮带A另一端套在Y向固定杆A一端，Y向固定杆A另一端套设皮带B一端，皮带B另一端套设在支撑板上的固定轴上，X轴皮带A和皮带B相互平行；X轴皮带A上还套设有X向移动滑块A，X向移动滑块A能在X向移动导轨A上滑动；皮带B上还套设有X向移动滑块B，X向移动滑块B能在X向移动导轨B上滑动，X向移动滑块A和X向移动滑块B之间连接有Y向移动连杆；
Y轴电机的电机轴上套有Y轴皮带C，Y轴皮带C另一端套在X向固定杆B一端，X向固定杆B另一端套设皮带D一端，皮带D另一端套设在支撑板上的固定轴上，Y轴皮带C和皮带D相互平行；Y轴皮带C上还套设有Y向移动滑块A，Y向移动滑块A能在Y向移动导轨A上滑动，皮带D上还套设有Y向移动滑块B，Y向移动滑块B能在Y向移动导轨B上滑动；Y向移动滑块B和Y向移动滑块A之间连接有X向移动连杆，Y向移动连杆和X向移动连杆的空间交叉处设置有喷头移动滑块。
喷头移动滑块底部固定有多个喷头固定板，每个喷头固定板侧壁上固定有匚字型的喷头座，每个喷头座顶部外固定有喷头移动电机，每个喷头座上设置有连接板，每个喷头座底部内竖直设置有喷头丝杠，每个喷头丝杠穿过连接板和喷头座顶部，且喷头丝杠与喷头移动电机的电机轴连接，每个打印喷头竖直固定在连接板侧部，且每个打印喷头均位于打印基板正上方。
无菌箱顶部中心处还设置有紫外灯。
本发明的有益效果是：
根据各自要打印的组织，实现协同运动，打印平面结构，同时，在每一层打印完成后，位于打印喷头下方的打印基板在丝杠的作用下沿Z轴方向下降调节高度；通过打印喷头的协同打印和多层累加，最终实现大块多层组织的集成和自组装。
附图说明
图1为本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置的结构示意图；
图2为本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置中无菌箱的内部结构示意图(一)；
图3为本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置中无菌箱的内部结构示意图(二)；
图4为本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置中喷头座的结构示意图。
图中，1.实验台，2.操作台，3.注射泵，4.储料筒，5.导料管，6.打印喷头，7.打印基板，8.Y轴电机，9.X轴电机，10.皮带B，11.无菌箱，15.Z轴皮带，16.喷头座，17.X轴皮带A，18.X向运动导轨B，19.喷头移动滑块，20.丝杠，21.Z轴电机，22.喷头固定板，23.Z轴丝杠，24.第二支板，25.平面固定板，26.喷头移动电机，27.X向移动导轨A，28.喷头丝杠，29.Y向移动连杆，30.X向固定杆B，31.Y向固定杆A，32.皮带D，33.Y向移动导轨B，34.Y向导向滑块B，35.X向导向滑块A，36.支撑板，37.第一支板，38.X向移动滑块B，39.连接板，40.Y向移动导轨A，41.Y向移动滑块A，42.Y轴皮带C，43.X向移动连杆。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明进行详细说明。
本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，如图1所示，包括实验台1，实验台1上表面设置有操作台2和无菌箱11，无菌箱11侧部开口端配合设置有箱盖，箱盖上设置有把手，操作台2上设置有多个注射泵3，每个注射泵3与连接有储料筒4，每个储料筒4的出口通过导料管5分别连通有打印喷头6，打印喷头6包括基质打印喷头、血管网打印喷头、皮肤组织打印喷头和神经网打印喷头；无菌箱11顶部中心处还设置有紫外灯；
如图2所示，无菌箱11内设置有三维运动机构，三维运动机构包括设置在无菌箱11底部内的底座，底座上固定有Z轴电机21，Z轴电机21的电机轴连接Z轴丝杠23的一端，Z轴丝杠23另一端位于无菌箱11顶部，Z轴丝杠23竖直且依次穿过第一支板37、第二支板24和平面固定板25，第一支板37和第二支板24之间的竖直距离为50mm；第一支板37呈水平设置并且用来固定Z轴电机23和Z轴丝杠20，第二支板24上还设置有丝杠20，丝杠20与Z轴丝杠23相互平行，丝杠20与Z轴丝杠23之间通过Z轴皮带15连接，丝杠20穿过平面固定板25，且丝杠20另一端位于无菌箱11顶部，平面固定板25中心处固定有打印基板7；
如图3所示，平面固定板25上竖直设置有四个支撑板36，四个支撑板36呈长方形排列在平面固定板25的边缘处；其中位于同一侧的两个支撑板36分别通过X向固定杆B30和Y向固定杆A31连接，X向固定杆B30和Y向固定杆A31相互垂直，且其中一端均分别位于同一个支撑板36上；四个支撑板36之间通过依次首尾相连的X向移动导轨A27、Y向移动导轨A40、X向移动导轨B18和Y向移动导轨B33连接；两个支撑板36上分别固定有X轴电机9和Y轴电机8，X轴电机9与Y向固定杆A31相对设置；
X轴电机9的电机轴上套有X轴皮带A17，X轴皮带A17另一端套在Y向固定杆A31一端，Y向固定杆A31另一端套设皮带B10一端，皮带B10另一端套设在支撑板36上的固定轴上，X轴皮带A17和皮带B10相互平行；
X轴皮带A17上还套设有X向移动滑块A35，X向移动滑块A35能在X向移动导轨A27上滑动；皮带B10上还套设有X向移动滑块B38，X向移动滑块B38能在X向移动导轨B18上滑动，X向移动滑块A35和X向移动滑块B38之间连接有Y向移动连杆29；
Y轴电机8的电机轴上套有Y轴皮带C42，Y轴皮带C42另一端套在X向固定杆B30一端，X向固定杆B30另一端套设皮带D32一端，皮带D32另一端套设在支撑板36上的固定轴上，Y轴皮带C42和皮带D32相互平行；X轴皮带A17、Y轴皮带C42、皮带B10和皮带D32围成长方形阵列；
Y轴皮带C42上还套设有Y向移动滑块A41，Y向移动滑块A41能在Y向移动导轨A40上滑动，皮带D32上还套设有Y向移动滑块B34，Y向移动滑块B34能在Y向移动导轨B33上滑动；Y向移动滑块B34和Y向移动滑块A41之间连接有X向移动连杆43，Y向移动连杆29和X向移动连杆43的空间交叉处设置有喷头移动滑块19；
喷头移动滑块19底部固定有多个喷头固定板22，每个喷头固定板22侧壁上固定有匚字型的喷头座16，如图4所示，每个喷头座16顶部外固定有喷头移动电机26，每个喷头移动电机26顶部与每个喷头固定板22固接，每个喷头座16纵向上水平设置有连接板39，连接板39能在喷头座16纵向上进行上下滑动，每个喷头座16底部内竖直设置有喷头丝杠28，每个喷头丝杠28穿过连接板39和喷头座16顶部，且喷头丝杠28与喷头移动电机26的电机轴连接，每个打印喷头6竖直固定在连接板39侧部，且每个打印喷头6均位于打印基板7正上方；
储料筒4中储有生物材料和细胞溶液，其中基质组织打印溶液包括：基质生物打印材料，肌细胞，成纤维细胞等；血管组织打印溶液包括：血管生物打印材料，内皮细胞等；皮肤组织打印溶液包括：皮肤生物打印材料，角质细胞，色素细胞等；神经组织打印溶液包括：神经生物打印材料，神经元细胞等。
本发明一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其具体工作原理是：
基于三维组织模型，根据不同组织，配置细胞/生物打印材料溶液灌入储料筒备用。其中基质组织打印材料包括：明胶溶液，肌细胞，成纤维细胞等；血管组织打印材料包括：海藻酸钠溶液，内皮细胞等；皮肤组织打印材料包括：PLGA溶液，角质细胞，色素细胞等；神经组织打印材料包括：PLA溶液，神经元细胞等。
导入三维组织模型的STL格式，系统划分不同组织，计算生成每一个打印喷头6的打印轨迹。关闭无菌箱11上的箱盖，打开紫外灯，启动操作台上的注射泵3，控制注射泵按要求的速度均匀的推出储料筒4中的生物打印材料，经过导料管5，材料推到打印喷头6的出口，通过Z轴电机21带动Z轴丝杠23，Z轴丝杠23通过Z轴皮带15带动丝杠20，带动第一支板37、第二支板24和平面固定板25进行上下运动，进而打印基板7也可进行上下运动；X轴电机9带动X轴皮带A17运动，X轴皮带A17带动X向移动滑块A35滑动，X向移动滑块A35带动Y向移动连杆29滑动，Y向移动连杆29带动X向移动滑块B38和喷头移动滑块19移动，喷头移动滑块19进而带动打印喷头6滑动,；从而实现打印喷头6的X向移动；
Y轴电机8带动Y轴皮带C42运动，Y轴皮带C42带动Y向移动滑块A41滑动，Y向移动滑块A41带动X向移动连杆43和Y向移动滑块B34，X向移动连杆43带动和喷头移动滑块19移动，喷头移动滑块19进而带动打印喷头6滑动，从而实现打印喷头6的Y向移动；
打印喷头6通过喷头丝杠28实现上下运动；打印喷头6包括基质打印喷头、血管网打印喷头、皮肤组织打印喷头和神经网打印喷头，根据各自要打印的组织，实现协同运动，打印平面结构，同时，在每一层打印完成后，位于打印喷头6下方的打印基板7在丝杠的作用下沿Z轴方向下降调节高度；通过打印喷头6的协同打印和多层累加，最终实现大块多层组织的集成和自组装。

Claims (6)

1.一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，包括实验台(1)，所述实验台(1)上表面设置有操作台(2)和无菌箱(11)，所述操作台(2)上设置有多个注射泵(3)，每个所述注射泵(3)与连接有储料筒(4)，每个所述储料筒(4)的出口通过导料管(5)分别连通有打印喷头(6)，所述无菌箱(11)内设置有三维运动机构。
2.根据权利要求1所述的一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，所述三维运动机构，包括设置在无菌箱(11)底部内的底座，所述底座上固定有Z轴电机(21)，所述Z轴电机(21)的电机轴连接Z轴丝杠(23)的一端，所述Z轴丝杠(23)另一端位于无菌箱(11)顶部，所述Z轴丝杠(23)竖直且依次穿过第一支板(37)、第二支板(24)和平面固定板(25)，所述第二支板(24)上还设置有丝杠(20)，所述丝杠(20)与Z轴丝杠(23)相互平行，所述丝杠(20)与Z轴丝杠(23)之间通过Z轴皮带(15)连接，所述丝杠(20)穿过平面固定板(25)，且所述丝杠(20)另一端位于无菌箱(11)顶部，所述平面固定板(25)中心处固定有打印基板(7)。
3.根据权利要求2所述的一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，所述平面固定板(25)上竖直设置有四个支撑板(36)，四个所述支撑板(36)呈长方形排列在平面固定板(25)的边缘处；其中位于同一侧的两个所述支撑板(36)分别通过X向固定杆B(30)和Y向固定杆A(31)连接，所述X向固定杆B(30)和Y向固定杆A(31)相互垂直，且其中一端均分别位于同一个支撑板(36)上；四个所述支撑板(36)之间通过依次首尾相连的X向移动导轨A(27)、Y向移动导轨A(40)、X向移动导轨B(18)和Y向移动导轨B(33)连接；两个所述支撑板(36)上分别固定有X轴电机(9)和Y轴电机(8)，所述X轴电机(9)与Y向固定杆A(31)相对设置。
4.根据权利要求3所述的一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，所述X轴电机(9)的电机轴上套有X轴皮带A(17)，所述X轴皮带A(17)另一端套在Y向固定杆A(31)一端，所述Y向固定杆A(31)另一端套设皮带B(10)一端，所述皮带B(10)另一端套设在支撑板(36)上的固定轴上，所述X轴皮带A(17)和皮带B(10)相互平行；所述X轴皮带A(17)上还套设有X向移动滑块A(35)，所述X向移动滑块A(35)能在X向移动导轨A(27)上滑动；所述皮带B(10)上还套设有X向移动滑块B(38)，所述X向移动滑块B(38)能在X向移动导轨B(18)上滑动，所述X向移动滑块A(35)和X向移动滑块B(38)之间连接有Y向移动连杆(29)；
所述Y轴电机(8)的电机轴上套有Y轴皮带C(42)，所述Y轴皮带C(42)另一端套在X向固定杆B(30)一端，所述X向固定杆B(30)另一端套设皮带D(32)一端，所述皮带D(32)另一端套设在支撑板(36)上的固定轴上，所述Y轴皮带C(42)和皮带D(32)相互平行；所述Y轴皮带C(42)上还套设有Y向移动滑块A(41)，所述Y向移动滑块A(41)能在Y向移动导轨A(40)上滑动，所述皮带D(32)上还套设有Y向移动滑块B(34)，所述Y向移动滑块B(34)能在Y向移动导轨B(33)上滑动；所述Y向移动滑块B(34)和Y向移动滑块A(41)之间连接有X向移动连杆(43)，所述Y向移动连杆(29)和X向移动连杆(43)的空间交叉处设置有喷头移动滑块(19)。
5.根据权利要求4所述的一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，所述喷头移动滑块(19)底部固定有多个喷头固定板(22)，每个所述喷头固定板(22)侧壁上固定有匚字型的喷头座(16)，每个所述喷头座(16)顶部外固定有喷头移动电机(26)，每个所述喷头座(16)上设置有连接板(39)，每个所述喷头座(16)底部内竖直设置有喷头丝杠(28)，每个所述喷头丝杠(28)穿过连接板(39)和喷头座(16)顶部，且所述喷头丝杠(28)与喷头移动电机(26)的电机轴连接，每个所述打印喷头(6)竖直固定在连接板(39)侧部，且每个所述打印喷头(6)均位于打印基板(7)正上方。
6.根据权利要求1所述的一种多喷头协同的细胞/软组织3D打印装置，其特征在于，所述无菌箱(11)顶部中心处还设置有紫外灯。
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