CN110039783B - 一种用于3d生物打印机的空气过滤器及过滤方法 - Google Patents

Abstract

一种用于3D生物打印机的空气过滤器及过滤方法涉及3D生物打印技术领域；解决了由于细胞液中的气泡造成的降低3D生物打印精度的问题；空气过滤器包括进液口、搅拌装置和空气过滤薄膜，空气过滤薄膜上分布的通孔的纵向剖面结构为工字型的三层结构且为在MEMS技术制备的三层工字型微模具上浇注PDMS得到；本发明通过将液滴法、搅拌法结合空气过滤薄膜，逐步过滤掉液态细胞组织中的大、小、微气泡，从而使通过空气过滤薄膜的细胞液中的微小气泡显著下降，杜绝了打印机空打的问题，提高了3D生物打印机整体的打印精度。

Description

一种用于3D生物打印机的空气过滤器及过滤方法

技术领域

本发明涉及3D生物打印技术领域，具体涉及3D生物打印中打印材料的空气去除技术，尤其涉及一种用于3D生物打印机的空气过滤器及过滤方法。

背景技术

3D生物打印技术是集成生物学、材料学、医学、计算机学的多学科交叉融合技术，是一种以计算机三维模型为“图纸”，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。随着相关技术的快速发展，3D生物打印不仅会开启人类“易容术”，而且在经济生活和国防军事等领域也有广泛的应用前景。

在3D生物打印过程中，我们发现，细胞液中往往存在大量气泡，导致打印机存在空打问题，严重影响打印效果。而目前针对细胞液在打印过程中出现的气泡，只是简单过滤操作或降低打印速度，这些方法虽然也能阻止一定的气泡产生，但是对于其中的微小气泡的阻断效果不明显，还是无法从根本上解决由于气泡导致的打印精度不高的问题。

微电子机械系统（Micro-electro-mechanical Systems，简称MEMS）的前身而是任梦利用精细加工手段加工出微米/纳米级结构，在小型机械制造领域开始了一场新的革命，导致了微机电系统的出现。

MEMS（Microelectromechanical System）技术是结合微电子和微机械加工技术的高新技术，广泛用于工业及科研单位加工制造的新型传感器，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成和智能化的特点，其生产工艺符合工业制造，适用于大批量制造，长期受到全世界的关注，各国投入巨资进行专项研究。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术开辟了一个全新的领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如，尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞，可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。

目前已经制造出微型加速度计、微型陀螺、压力传感器、气体传感器等多种类型的MEMS产品，其中一些已经商品化。同时，微纳米量级的特征尺寸是的它在完成某些传统机械传感器所不能实现的功能，特别是近几年来在3D生物打印技术的蓬勃发展下，MEMS技术在医药、生物等领域获得了广泛的应用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提出一种用于3D生物打印机的空气过滤器及过滤方法，所述的空气过滤器中设置有一种基于MEMS技术的空气过滤薄膜，可以达到将细胞液中的微小气泡进行精密过滤的目的，解决了由于细胞液中的气泡造成的降低3D生物打印精度的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种用于3D生物打印机的空气过滤器，所述的空气过滤器包括液腔，所述的液腔顶部设置有端盖，所述端盖上设置有进液口，所述液腔底部设置有出液口，在所述液腔内部靠近所述出液口的位置水平连接有一精密过滤器，所述的精密过滤器包括空气过滤薄膜和用来将所述空气过滤薄膜水平固定于液腔内的固定装置组成，所述的固定装置与液腔活动连接；在所述的液腔内设置有搅拌装置，所述的空气过滤器连接在3D生物打印机的输料管上，并与输料管相连通，所述的出液口下部连接打印喷头；所述的空气过滤薄膜上均匀分布有若干通孔，所述通孔的纵向剖面结构为工字型的三层结构；所述空气过滤薄膜的厚度为25-50μm，所述通孔的上下两层孔径为10-20μm，中间层孔径为4-10μm，所述的空气过滤薄膜是通过在MEMS技术制备的三层工字型结构微模具上浇注PDMS得到的。所述的空气过滤薄膜用于3D生物打印机对细胞液材料的空气去除。

作为优选的结构，所述的搅拌装置由无刷直流马达及其驱动器、马达驱动的传动轴及搅拌桨叶组成。搅拌装置的电源及开关设置在所述液腔的外部。搅拌装置转速控制在10rpm~20 rpm，降低了细胞所承受的剪切力，同时保证气泡打散效率。

作为优选的结构，所述的空气过滤器的外部还设置有固定把手，固定时将固定把手与固定片用螺丝连接。固定片采用不锈钢L型角码，可固定于墙面，或者采用不同固定角码将所述空气过滤器固定于木板、光学平台、实验操作台等，简单方便，可应用多种环境。

安装在液腔上部的端盖和下部精密过滤器的固定装置采用医用高分子材料聚氯乙烯制造，是一次性使用装置，使用前经过环氧乙烷消毒，保证无菌、无残留和异物，保证打印出的组织细胞在无菌洁净的环境下，为以后的移植提供良好的细胞组织或器官。

进一步优选的结构，所述液腔的外部还设置有刻度表。

进一步优选的结构，所述通孔的上下两层厚度为10-20μm，中间层厚度为5-10μm。

所述的三层工字型微模具为具有工字型结构单元的模具阵列，所述工字型结构单元的制备方法包括以下步骤：

a）在衬底上淀积负性光刻胶，在所述的负性光刻胶上放置具有第一方形图形的第一掩膜版，进行光刻处理得到第一层方形基底结构。

b）在所述的第一层方形基底结构上方淀积第二层光刻胶，并在所述的第二层光刻胶上放置第二掩膜版，通过曝光将所述第二掩膜版上的图形显影在第二层光刻胶上，形成工字型模具的中间层。

c）在上述中间层上淀积光敏聚酰亚胺，同时光刻出中间层和第三层结构，去掉牺牲层后得到所述的工字型结构单元，所述的第三层结构与第一层方形基底结构相同。

重复上述a-c的步骤，在所述衬底上制备出均匀排列有所述工字型结构单元的阵列，得到三层工字型结构微模具。浇注PDMS：将PDMS单体，灌注到底部固定有所述三层工字型结构微模具的容器中，脱气，固化；然后将所述三层工字型结构微模具与PDMS分离，清洗吹干得到空气过滤薄膜。

优选的，步骤c中采用H₂O₂湿法腐蚀，去掉牺牲层。

一种用于3D生物打印机的空气过滤器的过滤方法，包括以下步骤：

a）将细胞培养液通过输料管从空气过滤器的进液口滴入液腔，将细胞培养液中的大气泡进行第一次过滤去除。有效控制空气的进入。端盖上的进液口连接的送料管道将细胞液分离，有效将流入管道中的大段空气去除。

b）细胞液具有一定的粘度，液滴法无法将细胞液中存在的中小气泡去除，故采用搅拌法，将气泡打散。开启搅拌装置，将进入液腔的细胞培养液中未被过滤掉的中小气泡打散成为微小气泡；所述的搅拌装置的搅拌转速为10rpm~20 rpm。

c）被打散的细胞培养液经过空气过滤薄膜，穿过工字型通孔，使细胞培养液中的微小气泡被过滤掉。利用基于MEMS技术的空气过滤薄膜，将微米级别气泡进行精密过滤。采用微纳米加工工艺制备的空气过滤薄膜，其特殊的孔道结构，将经过前两层过滤的微小气泡阻挡，只有细胞及细胞培养液可以进入下连接口连接的管道。经过三层过滤的细胞液避免了空气进入生物打印阶段，从而提高3D生物打印机的整体精度。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

本发明将MEMS技术与3D生物打印技术相结合，制备出打印过程中用于过滤细胞液中微小气泡的空气过滤薄膜，通过特殊的三层工字型通孔结构，空气过滤薄膜在使液态细胞组织通过的前提下，有效阻隔微小气泡；当微小气泡由通孔的表层进入到中间的狭窄通道过程中，被共同进入的液体细胞排挤，多个微小气泡被汇聚并相互碰撞而破裂，从而一方面减少微消气泡的数量，一方面阻隔微小气泡，从而使通过空气过滤薄膜的细胞液中的微小气泡显著下降，杜绝了打印机空打的问题，将空气过滤薄膜与液滴法和搅拌法相结合得到的三层空气过滤技术，提高了3D生物打印机整体的打印精度。

附图说明

图1为本发明中工字型结构单元的制备流程示意图。

图2为本发明三层工字型结构微模具及浇注流程示意图。

图3为本发明中空气过滤薄膜结构示意图。

图4为本发明中空气过滤器的结构示意图。

图5为搅拌装置结构示意图。

图6为空气过滤器固定安装方式示意图。

其中，1为液腔，2为端盖，3为进液口，4为固定承接件，5为马达，6为传动轴，7为搅拌桨叶，8为电源开关，9为固定把手，10为固定片，11为螺丝，12为支撑结构，13为工字型通孔，14为刻度表。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

一种基于MEMS技术的空气过滤薄膜采用三层结构工艺光刻制作工字型模具单元，重复多次后进行组合得到模具阵列，然后浇注PDMS得到“工”字结构，利用流体本身参数的变化（流动方向、流体压力等）实现结构状态的改变。第一层、第三层厚度为10~20μm，第二层厚度为5~10μm，相当于悬空结构，故采用表面牺牲层工艺进行芯片模具的加工。空气过滤薄膜的制备流程如图1所示。

首先，模具制备衬底材料选用帆船牌载玻片，规格为75.4×24.5×1mm，购置于上海机械进出口公司，使用BN303型光刻胶制作第一层图形。

在光刻过程中将液态的光刻胶滴在高速旋转的基片上，然后对硅片进行前烘，经过前烘的光刻胶成为牢固附着在硅片上的一层固态薄膜，经过曝光之后，使用BN303型光刻胶配套的溶剂对光刻胶进行显影。BN3030型属于负性光刻胶，没有曝光的区域光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的正方形图形转移到光刻胶上。然后，经过坚膜（后烘）和后续的刻蚀等工艺，再将光刻胶上的图形转移到硅片上。最后进行去胶，从而完成模具第一层光刻过程。

接着，采取表面牺牲层工艺直接开始制作第二层和第三层。首先在已经成型的第一层基础上淀积SU-8 2025光刻胶材料作为牺牲层材料，采用表面积是第一层正方形表面积1/2的正方形掩膜版进行曝光，使得在SU-8 2025光刻胶材料上形成“工”形机械结构与衬底载玻片之间的第二层连接孔结构（anchor），接着在其上方淀积作为第三层机械结构材料的光敏聚酰亚胺并光刻出图形。光敏聚酰亚胺完成曝光后，与SU-8这两种光刻胶进行同时显影，最后利用双氧水H₂O₂湿法腐蚀，去掉牺牲层。湿法腐蚀在本发明中采用的优点是重复性好、生产效率高、成本低，适合大规模工业制造。

坚膜后得到过滤薄膜的一个工字型结构单元。

接下来，如图2所示，重复以上步骤，得到具有均匀分布的多个工字型结构单元阵列的三层工字型结构微模具。采用上述工艺制作微模具，光刻胶的选择是关键。由于SU-8胶是必需的光刻胶，故光刻胶的选择主要集中在第一、三层结构所采用的光刻胶上，尤其是第三层结构所采用的光刻胶。所选的光刻胶必须互不溶解，互不渗透，且工艺参数相近，便于整合。根据实验结果，实验选用光敏聚酰亚胺制作微型分流器的第三层结构。由于光敏聚酰亚胺胶膜较薄，对于玻璃腐蚀液的抗蚀性较差，故选用BN303光刻胶进行微结构第一层结构的制作。

得到合格的模具后，将PDMS单体和固化剂均匀混合。我们使用的PDMS单体与固化剂是由Dow Cornjng公司产品sylgard 184。根据实际情况的需要改变二者的混合质量比。我们采用将单体与固化剂按照质量配比为20：1进行混合，这样的配比是经过不断是实验获得的。因为在这种配比下，薄膜对均布载荷不会过于敏感，也不会迟钝。将实验纸杯置于微电子称上进行质量清零，用注射管吸取一定质量的本液倾注到纸杯中，计算需添加的固化剂的质量然后进行清零，紧接着采用新的滴管吸取固化剂并向纸杯中滴加对应固定质量。将混合液体在振荡器不断震荡大约2分钟，接着，我们是将一定量的混合液体倾倒在离心涂胶机上通过气动吸盘固定的基板上，也有的离心涂胶机的基板是通过真空卡盘固定。开启匀胶机，随着基板的不断旋转，混合液体不断被甩出，直到液体键的剪切力与离心力达到动态平衡，得到预设厚度的薄膜。本发明采用的转速为1.2Krpm，此时可以获取需要的薄膜厚度值为0.10mm。按照上述的方法旋涂混合液体之后，需要对薄膜进行恒温加热，以此来加快薄膜的固化进度。采用的PDMS薄膜固化恒温箱为DHG．9076A恒温烘箱，它的最高控制温度为300℃，工作功率为1400w。设定烘箱的固定温度为100℃。经过大约60分钟的恒温加热，PDMS的固化过程已经充分彻底。利用纯酒精溶液对其进行剥离脱模处理。剥离脱模后的PDMS薄膜切成直径为16mm的圆形薄膜，如图3所示，其中13为工字形通孔。

将该制得的圆形薄膜放置在带有螺旋结构的固定承接件4内侧，再将固定承接件4旋钮在一空气过滤器的底部，这种空气过滤器应用于3D生物打印机，用于对细胞液材料的空气去除。

如图4所示，空气过滤器包括液腔1，液腔1顶部设置有端盖2，端盖2上设置有进液口3，液腔1底部设置有内丝扣，固定承接件4通过丝扣旋钮在液腔1的底部，这种固定承接件4采用医用高分子材料聚氯乙烯制造，是一次性使用装置，按照医用标准来进行加工制作，使用前经过环氧乙烷消毒，保证无菌、无残留和异物，保证打印出的组织细胞在无菌洁净的环境下，为以后的移植提供良好的细胞组织或器官。

在液腔1内设置有微型搅拌器。如图5所示，微型搅拌器由无刷直流的马达5及其驱动器、马达5驱动的传动轴6及搅拌桨叶7组成。搅拌器的电源开关8安装在液腔1的外部。搅拌器转速控制在15rpm，降低了细胞所承受的剪切力，同时保证气泡打散效率。固定承接件4以及端盖2的外侧还分别连接有2个固定把手9。如图6所示，固定时将固定把手9与固定片10用螺丝11连接。固定片采用不锈钢L型角码，固定于3D打印机的支撑结构12上。空气过滤器连接在3D生物打印机的输料管上，并与输料管相连通，所述的固定承接件4下部连接打印喷头。

采用空气过滤器对3D生物打印机所使用的打印材料进行空气去除的流程为：第一层利用传统的液滴法，将3D生物打印机中进入输料管的细胞培养液的大气泡进行第一次过滤去除，有效控制空气的进入。端盖上的进液口连接的送料管道将细胞液分离，有效将流入管道中的大段空气去除。

第二层采用搅拌法，细胞液具有一定的粘度，液滴法无法将细胞液中存在的中小气泡去除，故采用搅拌法，将气泡打散。随后通过第三层的空气过滤薄膜来将打散后的微小气泡去除。

第三层利用基于MEMS技术的空气过滤薄膜，将微米级别气泡进行精密过滤。采用微纳米加工工艺制备的空气过滤薄膜，其特殊的孔道结构，将经过前两层过滤的微小气泡阻挡，只有细胞及细胞培养液可以进入下连接口连接的管道。经过三层过滤的细胞液避免了空气进入生物打印阶段，从而提高3D生物打印机的整体精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述的空气过滤器包括液腔（1），所述的液腔（1）顶部设置有端盖（2），所述端盖（2）上设置有进液口（3），所述液腔（1）底部设置有出液口，在所述液腔（1）内部靠近所述出液口的位置水平连接有一精密过滤器，所述的精密过滤器包括空气过滤薄膜和用来将所述空气过滤薄膜水平固定于液腔内的固定装置组成，所述的固定装置与液腔（1）活动连接；在所述的液腔（1）内设置有搅拌装置，所述的空气过滤器连接在3D生物打印机的输料管上，并与输料管相连通，所述的出液口下部连接打印喷头；所述的空气过滤薄膜上均匀分布有若干通孔，所述通孔的纵向剖面结构为工字型的三层结构；所述空气过滤薄膜的厚度为25-50μm，所述通孔的上下两层孔径为10-20μm，中间层孔径为4-10μm，所述的空气过滤薄膜是通过在MEMS技术制备的三层工字型结构微模具上浇注PDMS得到的。

2.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述的搅拌装置由马达、马达驱动的传动轴及搅拌桨叶组成，搅拌装置的电源开关设置在所述液腔（1）的外部，搅拌装置转速为10rpm~20 rpm。

3.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述的空气过滤器的外部设置有固定把手（9）。

4.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述液腔（1）的外部还设置有刻度表（14）。

5.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述通孔的上下两层厚度为10-20μm，中间层厚度为5-10μm。

6.根据权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，所述的三层工字型结构微模具为具有工字型结构单元的模具阵列，所述工字型结构单元的制备方法包括以下步骤：

a）在衬底上淀积负性光刻胶，在所述的负性光刻胶上放置具有第一方形图形的第一掩膜版，进行光刻处理得到第一层方形基底结构；

b）在所述的第一层方形基底结构上方淀积第二层光刻胶，并在所述的第二层光刻胶上放置第二掩膜版，通过曝光将所述第二掩膜版上的图形显影在第二层光刻胶上，形成工字型模具的中间层；

c）在上述中间层上淀积光敏聚酰亚胺，同时光刻出中间层和第三层结构，去掉牺牲层后得到所述的工字型结构单元，所述的第三层结构与第一层方形基底结构相同。

7.根据权利要求6所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器，其特征在于，步骤c中采用H₂O₂湿法腐蚀，去掉牺牲层。

8.如权利要求1所述的一种用于3D生物打印机的空气过滤器的过滤方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）将细胞培养液通过输料管从空气过滤器的进液口（3）滴入液腔（1），将细胞培养液中的大气泡进行第一次过滤去除；

b）开启搅拌装置，将进入液腔（1）的细胞培养液中未被过滤掉的中小气泡打散成为微小气泡；所述的搅拌装置的搅拌转速为10rpm~20 rpm；

c）被打散的细胞培养液经过空气过滤薄膜，穿过工字型通孔（13），使细胞培养液中的微小气泡被过滤掉。

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