CN112920949A - 一种基于dlp的载细胞多材料3d打印系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统。包括DLP投影光机、反射镜、打印台升降模组、温控料槽、储料槽、进料选择开关、进料蠕动泵和出料蠕动泵；DLP投影光机和打印台升降模组布置于温控料槽的侧方，DLP投影光机发出光束经反射镜反射到温控料槽，打印台升降模组布置于温控料槽的侧方；储料槽输出至少三路液口经进料选择开关输入到进料蠕动泵的输入口，进料蠕动泵的输出口连接到温控料槽的进料口，温控料槽的出料口经出料蠕动泵和储料槽连通；所述的储料槽内储存至少两种载细胞生物墨水。本发明的一次换料辅助以三次清洗，加热更加均匀、温度变化更加平缓，打印效果才会更好，适用于超净台等狭小的空间操作。

Description

一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统
技术领域
本发明属于生物组织工程技术领域的一种载细胞材料3D打印系统，具体涉及一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统。
背景技术
组织工程是一门以细胞生物学和材料科学为基础，辅助以模型构建和多种制造工艺，从而在体外或体内实现人工再构建和培养具有生物活性的组织或器官的学科。生物3D打印技术是一种在数字三维模型驱动下，空间内精确定位堆积生物材料或细胞单元的增材制造技术，可以实现复杂结构的制造，且材料选择范围广，是组织工程支架和组织器官的有力工具。基于DLP的生物3D打印技术，相比于挤出、喷墨等常见生物3D打印技术，具有打印速度更快、精度更高、可成形结构更复杂等优点，结合多材料工艺可以实现多种载细胞生物墨水的一体成形，对于多细胞组织的构建及其作用机理研究具有重要意义。
DLP(Digital Light Processing)，全称是“数字光处理”技术，基于DMD芯片反射紫外光的成像原理，以光敏材料为原料，基于面曝光成形。多材料DLP光固化打印则扩展了在材料维度的多样性，可以实现多材料、多功能结构的一体成形。将DLP技术与光敏水凝胶材料结合，可以实现载细胞复杂精细结构的快速打印。而且相比于挤出打印，光固化成形不会对细胞造成剪切损伤，且可见光对细胞损伤较小，进而提高细胞存活率。
目前多材料DLP的实现主要有两种方式，一种是基于多料槽换料原理，该种装置换料装置所占体积大，多种材料间的清洁换料方式较为粗暴，主要应用在硬质树脂。一种是基于微流道控制原理，该种装置只有一个料槽，配合多个进料口和出料口实现换料，该原理目前主要应用在了基于自上而下曝光的DLP系统，受限于料槽高度，且随着打印高度的上升单次换料所需材料体积成比例增加。
上述多材料DLP装置目前多应用在硬质树脂材料的打印，对于适用于多种载细胞生物墨水的DLP打印，Shaochen Chen课题组(X.Ma et al.Proceedings of the NationalAcademy of Sciences(2016))在这方面做出了探索，然而是依托单材料DLP装置，多种材料间需人工更换材料，只适用于层数少、简单结构的多种载细胞生物墨水的打印。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明涉及了一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，体积小、灵活度高，装置的设计是为了载细胞打印而进行的。
该系统基于自下而上曝光的DLP投影原理，辅助以温度控制模块，通过对进、出料的自动化控制，可以实现多种低粘度载细胞生物墨水在恒温环境下的快速、高精度、高存活率的复杂结构成形。
适用于超净台等狭小空间的操作，防止生物材料的冷凝。采取一次换料三次清洗的方案，对已成形结构更加柔和，对细胞更加友好。可一次性打印多个样品，保证了样品间的高度一致性，有效满足医学中的批量实验要求。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括DLP投影光机、反射镜、打印台升降模组、温控料槽、储料槽、进料选择开关、进料蠕动泵和出料蠕动泵；DLP投影光机和打印台升降模组布置于温控料槽的侧方，DLP投影光机发出光束经反射镜反射到温控料槽，打印台升降模组布置于温控料槽的侧方；储料槽输出至少三路液口经进料选择开关输入到进料蠕动泵的输入口，进料蠕动泵的输出口连接到温控料槽的进料口，温控料槽的出料口经出料蠕动泵和储料槽连通；所述的储料槽内储存至少两种载细胞生物墨水。
所述的温控料槽包括储料腔体、顶盖、密封圈、石英玻璃、聚酰亚胺加热环片、贴片温度传感器和底座；底座中心上端开口，开口内底部放置两层石英玻璃，下层的石英玻璃底面布置聚酰亚胺加热环片，上层的石英玻璃上布置储料腔体，储料腔体周围上布置顶盖，顶盖压在底座上，两层石英玻璃之间以及上层石英玻璃和储料腔体底部之间均通过密封圈密封连接，储料腔体中心开设储料腔，在储料腔两侧对称开设斜向布置的通道口分别作为进料口和出料口，进料口和出料口从储料腔的两侧分别连通于储料腔；底座侧壁开设通孔通道，贴片温度传感器从通孔通道伸入到上层石英玻璃和储料腔体底部之间。
储料槽和进料蠕动泵之间通过多路硅胶管连接，所述的进料选择开关包含带孔外部支架、分叉凸轮和42步进电机，带孔外部支架成筒体结构，多路硅胶管从带孔外部支架一处侧壁的孔穿入带孔外部支架内后再从带孔外部支架另一处侧壁的孔穿出带孔外部支架外后均连接到进料蠕动泵的输入口，分叉凸轮位于带孔外部支架内，分叉凸轮和42步进电机的输出轴同轴连接；42步进电机运行带动分叉凸轮旋转，通过分叉凸轮的各个凸起部分别挤压各个硅胶管，而仅不挤压一个硅胶管，进而实现对多路硅胶管的一路导通控制。
所述的储料槽内设有聚酰亚胺加热片以及布置在聚酰亚胺加热片上的载细胞生物墨水存储区、PBS缓冲液存储区和废液存储区，载细胞生物墨水存储区具有至少两种载细胞生物墨水的存储仓，分别用于储存至少两种载细胞生物墨水。
还包括控制中心，DLP投影光机、进料蠕动泵、出料蠕动泵、进料选择开关、打印台升降模组均连接到控制中心。
打印方法包括以下步骤：
S1、材料的进料：
进料选择开关旋转控制分叉凸轮释放储料槽中第一种载细胞生物墨水材料输送出，经进料蠕动泵运转，输送所需量的第一种载细胞生物墨水材料经过进料口进入温控料槽；
S2、载细胞生物墨水材料的单层成形；
电脑控制DLP投影光机投射出对应此时所需的温控料槽的储料腔内载细胞生物墨水材料的切片图案，自下而上按照曝光时间进行曝光，使得投射切片图案处的载细胞生物墨水材料由液态变为固态；
S3、一次换料三次清洁
打印平台升降模组向上抬升，出料蠕动泵运转，将储料腔内的第一种载细胞生物墨水材料蠕动输送至储料槽的废液存储区；
进料选择开关旋转，控制分叉凸轮释放储料槽中的PBS缓冲液输送出；
进料蠕动泵运转，输送所需量的PBS缓冲液经过进料口进入温控料槽的储料腔，对储料腔和已成形结构进行冲洗，同时出料蠕动泵运转，将冲洗后含残留材料的PBS缓冲液蠕动输送至储料槽的废液存储区，完成第一次清洁；
进料蠕动泵再次运转，输送所需量的PBS缓冲液经过进料口进入温控料槽的储料腔，对储料腔和已成形结构进行冲洗，同时出料蠕动泵运转，将冲洗后含残留材料的PBS缓冲液蠕动输送至储料槽的废液存储区，完成第二次清洁；
进料选择开关旋转，控制分叉凸轮释放下一种载细胞生物墨水材料输送出，经进料蠕动泵运转，输送所需量的下一种载细胞生物墨水材料经过进料口进入温控料槽的储料腔，冲洗前两次清洁中残留的PBS缓冲液；再出料蠕动泵运转，将残留的PBS缓冲液和下一种载细胞生物墨水材料蠕动输送至储料槽的废液存储区，完成第三次清洁；
进料蠕动泵运转，输送所需量的下一种载细胞生物墨水材料经过进料口进入温控料槽，同时打印平台升降模组下降，利用下一种载细胞生物墨水材料进行下一层结构的成形；
S4、不断重复上述步骤S2和S3，实现了不需要拆卸换料或者更换料槽的打印。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、改进传统DLP打印系统的构成，与单料槽、外接管道的泵入泵出式换料方式结合，打印系统精度高、灵活度高、体积小且温度可控可调，适用于超净台等狭小的空间操作，防止生物材料的冷凝。相比于现有的其他多材料DLP打印系统，特别适用于多种载细胞生物墨水的打印。
2、多进料通道的设计在可打印的多材料种类方面可拓展性强，单个打印料槽所占空间小、移动便携，且独立于成形系统和清洁换料系统。
3、改进温控料槽，两片石英玻璃平行放置，形成空腔，隔绝载细胞材料和加热环片，使得加热更加均匀、温度变化更加平缓。
4、一次换料辅助以三次清洗，包括两次PBS清洗、一次当前材料清洗，这样打印效果才会更好，相比于其他的超声、气流、海绵等作为换料时的清洁方式，清洁残留材料更加干净，对于细胞和结构更加友好。
附图说明
图1为本发明实施例的系统构成示意图；
图2为本发明实施例中温控料槽及其内部结构的示意图；
图3是本发明实施例中的进料选择开关结构示意图；
图4是本发明实施例的储料槽结构示意图；
图5是本发明可打印的双材料模型及其切片示意图。
图中序号：
1、DLP投影光机；2、反射镜；3、打印台升降模组；4、温控料槽；5、控制中心；6、储料槽；7、硅胶管；8、进料选择开关；9、进料蠕动泵；10、出料蠕动泵；11、储料腔；12、顶盖；13、密封圈；14、石英玻璃；15、聚酰亚胺加热环片；16、贴片温度传感器；17、底座；18、进料口；19、出料口；20、带孔外部支架；21、分叉凸轮；22、42步进电机；23、聚酰亚胺加热片；24、载细胞生物墨水存储区；25、PBS缓冲液存储区；26、废液存储区；27、双材料模型；28、对应材料A的切片；29、对应材料B的切片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，系统包括均放置在3D打印平台上的DLP投影光机1、反射镜2、打印台升降模组3、温控料槽4、储料槽6、进料选择开关8、进料蠕动泵9和出料蠕动泵10；DLP投影光机1和打印台升降模组3布置于温控料槽4的侧方，DLP投影光机1发出光束经反射镜2反射到温控料槽4，打印台升降模组3布置于温控料槽4的侧方，打印台升降模组3上安装打印成形平台，打印成形平台位于温控料槽4正上方；储料槽6输出至少三路液口经进料选择开关8输入到进料蠕动泵9的输入口，进料蠕动泵9的输出口连接到温控料槽4的进料口18，温控料槽4的出料口19经出料蠕动泵10和储料槽6连通；储料槽6内储存至少两种载细胞生物墨水。
储料槽6、进料选择开关8、进料蠕动泵9、温控料槽4的进料口18的相邻之间均设置硅胶管7连接，温控料槽4的出料口19、出料蠕动泵10和储料槽6的相邻之间也可设置硅胶管7连接。
具体实施中，反射镜2位于温控料槽4底部，DLP投影光机1发出水平光束，水平光束经反射镜2向上反射，经温控料槽4底部入射到温控料槽4内，投影面位于上层的石英玻璃14表面。
如图2所示，温控料槽4包括储料腔体、顶盖12、密封圈13、石英玻璃14、聚酰亚胺加热环片15、贴片温度传感器16和底座17；底座17中心上端开口，开口内底部放置两层石英玻璃14，下层的石英玻璃14被承接支撑在底座17开口底部的台阶凸缘上，下层的石英玻璃14底面布置聚酰亚胺加热环片15，上层的石英玻璃14上布置储料腔体，储料腔体周围上布置顶盖12，顶盖12压在底座17上，两层石英玻璃14之间以及上层石英玻璃14和储料腔体底部之间均通过密封圈13密封连接，储料腔体中心开设储料腔11，在储料腔11两侧对称开设斜向布置的通道口分别作为进料口18和出料口19，进料口18和出料口19从储料腔11的两侧分别连通于储料腔11；底座17侧壁开设通孔通道，贴片温度传感器16从通孔通道伸入到上层石英玻璃14和储料腔体底部之间，贴片温度传感器16用于检测上层石英玻璃14的表面即成形面的实时温度，检测获得温度后反馈至控制中心5的温度控制器，调控温度使其稳定在设置温度。
上层的一片石英玻璃14作为储料腔11的底部来承载打印材料，并贴有一层特氟龙膜作为离型膜。上下两层的两片石英玻璃14平行放置，内部形成含空气的空腔，隔绝储料腔内材料和加热环片，使得加热更加均匀。使用的聚酰亚胺加热环片15进行加热，辅助以贴片温度传感器和温度控制器实现温控调节。
如图3所示，储料槽6和进料蠕动泵9之间通过多路硅胶管7连接，进料选择开关8包含带孔外部支架20、分叉凸轮21和42步进电机22，带孔外部支架20成筒体结构，多路硅胶管7从带孔外部支架20一处侧壁的孔穿入带孔外部支架20内后再从带孔外部支架20另一处侧壁的孔穿出带孔外部支架20外后均连接到进料蠕动泵9的输入口，分叉凸轮21位于带孔外部支架20内，分叉凸轮21和42步进电机22的输出轴同轴连接；分叉凸轮21带有数量少于多路硅胶管7数量一个的凸起部，42步进电机22运行带动分叉凸轮21旋转，通过分叉凸轮21的各个凸起部分别挤压各个硅胶管7，而仅不挤压一个硅胶管7，进而实现对多路硅胶管7的一路导通控制。这样进料管穿过外部支架上的孔洞，42步进电机控制分叉凸轮的旋转，从而选择性的挤压或释放进料软管。
如图4所示，储料槽6内设有聚酰亚胺加热片23以及布置在聚酰亚胺加热片23上的载细胞生物墨水存储区24、PBS缓冲液存储区25和废液存储区26，载细胞生物墨水存储区24具有至少两种载细胞生物墨水的存储仓，分别用于储存至少两种载细胞生物墨水。
载细胞生物墨水存储区24可以放置需打印材料的存储管，并配置相应数量的进料软管。PBS缓冲液存储区25放置PBS缓冲液，PBS缓冲液作为多种载细胞生物墨水更换时的清洁材料，冲洗温控料槽4内部，清洁温控料槽4和已成形结构上的材料残留，降低交叉污染。废液区存储每一阶段打印结束后的废液。储料槽内设有聚酰亚胺加热片23进行加热，辅助以贴在聚酰亚胺加热片23上的温度传感器和控制中心5的温度控制器实现温控调节。
还包括控制中心5，DLP投影光机1、进料蠕动泵9、出料蠕动泵10、进料选择开关8、打印台升降模组3均连接到控制中心5。基于上述系统组成，在系统控制上，通过控制中心协调控制DLP投影光机、打印台升降模组、进/出料蠕动泵和进料选择开关；在打印方法上，连续的切片层若为同种材料则不换料，需要更换材料时则采取一次换料三次清洁的技术方案。
具体实施中采用以下设备：
DLP投影光机1：采用405nm的紫外光，处于可见光波段，DMD驱动模组分辨率为3840*2160，满足微米级别的制造需要。
反射镜2的镜片采用397-405nm单波长介质高反镜，镜架采用高度、角度可调的45度支架。
打印台升降模组3采用42闭环步进电机控制的滚珠丝杆线性模组，定位精度为20μm。
控制中心5：由电脑、MKS GenV1.4 3D打印机主板、电机驱动、多路温控器、电源等组成。
以打印两种载细胞生物墨水A、B来实现附图5的结构27为例。其中切片层厚为100μm。
本发明的多种载细胞生物墨水的DLP打印实施例情况和过程如下：
(1)准备工作
(1-1)将此装置置于超净台无菌环境中，启用聚酰亚胺加热环片15和聚酰亚胺加热片23的温度控制模块，设定所需温度为37℃，使其同时加热温控料槽4和储料槽6。结合打印软件Creation Workshop初始化打印台升降模组3中打印成形平台的位置。
(1-2)利用含光引发剂LAP的GelMA水凝胶材料和BMSC细胞制备载细胞生物墨水A，利用含光引发剂LAP的GelMA水凝胶材料和PC12细胞制备载细胞生物墨水B，将含A、B材料的试管分别存置于载细胞生物墨水存储区24。
(1-3)将需要实现的结构使用CAD技术进行建模并按材料分块，之后导入CreationWorkshop软件进行切片，并生成相应控制代码。
(2)材料A的进料
(2-1)进料选择开关8的分叉凸轮21在42步进电机23的驱动下旋转至相应的位置，释放材料A的进料软管。
(2-2)进料蠕动泵9运转，输送所需量的材料经过进料口18进入温控料槽4的储料腔11。
(2-3)出料蠕动泵10运转，将料槽储料腔11内的材料蠕动至废液存储区26，清洗掉残留的材料，进行一次清洗。
(2-4)进料蠕动泵9运转，输送所需量的材料经过进料口18进入温控料槽4的储料腔11。
(3)材料的单层成形
(3-1)控制中心5控制DLP投影光机1投射出对应此时料槽储料腔内材料的切片图案，若为A材料，则为对应材料A的切片图案28，若为B材料，则为对应材料B的切片图案29，经反射镜2反射后自下而上的投射在石英玻璃14的上层表面上；
(3-2)曝光设定的时间，使得投影图案处的材料由液态变为固态。
(4)清洗、换料步骤
(4-1)打印平台升降模组3抬升2mm。
(4-2)出料蠕动泵10运转，将储料腔11内的材料蠕动至废液存储区26。
(4-3)进料选择开关8旋转至相应的位置，使得分叉凸轮21释放PBS缓冲液存储区25的进料橡胶管7。
(4-4)进料蠕动泵9运转，输送所需量的PBS缓冲液经过进料口18进入储料腔11。同时出料蠕动泵10蠕动，将清洗后含残留材料的PBS缓冲液蠕动至废液存储区26，进行第一次清洗。
(4-5)重复步骤(4-4)，进行第二次的清洗。
(4-6)打印平台升降模组3下降1.9mm，预留0.1mm高度准备下一种材料的单层成形。
(5)材料B的进料、成形、清洗、换料
(5-1)进料选择开关8旋转至相应的位置，使得分叉凸轮21释放材料B的进料软管。
(5-2)重复步骤(2-2)至步骤(4-6)。
(6)下一个循环，重复步骤(2)至步骤(5)，直至打印结构完整。
由此实施可见，本发明方便地实现了单料槽、不拆卸的换料处理，实现了便捷快速的换料，克服了现有换料带来的所占空间大、方式粗暴、清洁不彻底等问题和缺点，大大提高了打印效率和精度。

Claims (5)

1.一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，其特征在于：包括DLP投影光机(1)、反射镜(2)、打印台升降模组(3)、温控料槽(4)、储料槽(6)、进料选择开关(8)、进料蠕动泵(9)和出料蠕动泵(10)；DLP投影光机(1)和打印台升降模组(3)布置于温控料槽(4)的侧方，DLP投影光机(1)发出光束经反射镜(2)反射到温控料槽(4)，打印台升降模组(3)布置于温控料槽(4)的侧方；储料槽(6)输出至少三路液口经进料选择开关(8)输入到进料蠕动泵(9)的输入口，进料蠕动泵(9)的输出口连接到温控料槽(4)的进料口(18)，温控料槽(4)的出料口(19)经出料蠕动泵(10)和储料槽(6)连通；所述的储料槽(6)内储存至少两种载细胞生物墨水。
2.根据权利要求1所述的一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，其特征在于：所述的温控料槽(4)包括储料腔体、顶盖(12)、密封圈(13)、石英玻璃(14)、聚酰亚胺加热环片(15)、贴片温度传感器(16)和底座(17)；底座(17)中心上端开口，开口内底部放置两层石英玻璃(14)，下层的石英玻璃(14)底面布置聚酰亚胺加热环片(15)，上层的石英玻璃(14)上布置储料腔体，储料腔体周围上布置顶盖(12)，顶盖(12)压在底座(17)上，两层石英玻璃(14)之间以及上层石英玻璃(14)和储料腔体底部之间均通过密封圈(13)密封连接，储料腔体中心开设储料腔(11)，在储料腔(11)两侧对称开设斜向布置的通道口分别作为进料口(18)和出料口(19)，进料口(18)和出料口(19)从储料腔(11)的两侧分别连通于储料腔(11)；底座(17)侧壁开设通孔通道，贴片温度传感器(16)从通孔通道伸入到上层石英玻璃(14)和储料腔体底部之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，其特征在于：所述的储料槽(6)和进料蠕动泵(9)之间通过多路硅胶管(7)连接，所述的进料选择开关(8)包含带孔外部支架(20)、分叉凸轮(21)和42步进电机(22)，带孔外部支架(20)成筒体结构，多路硅胶管(7)从带孔外部支架(20)一处侧壁的孔穿入带孔外部支架(20)内后再从带孔外部支架(20)另一处侧壁的孔穿出带孔外部支架(20)外后均连接到进料蠕动泵(9)的输入口，分叉凸轮(21)位于带孔外部支架(20)内，分叉凸轮(21)和42步进电机(22)的输出轴同轴连接；42步进电机(22)运行带动分叉凸轮(21)旋转，通过分叉凸轮(21)的各个凸起部分别挤压各个硅胶管(7)，而仅不挤压一个硅胶管(7)，进而实现对多路硅胶管(7)的一路导通控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，其特征在于：所述的储料槽(6)内设有聚酰亚胺加热片(23)以及布置在聚酰亚胺加热片(23)上的载细胞生物墨水存储区(24)、PBS缓冲液存储区(25)和废液存储区(26)，载细胞生物墨水存储区(24)具有至少两种载细胞生物墨水的存储仓，分别用于储存至少两种载细胞生物墨水。
5.根据权利要求1所述的一种基于DLP的载细胞多材料3D打印系统，其特征在于：还包括控制中心(5)，DLP投影光机(1)、进料蠕动泵(9)、出料蠕动泵(10)、进料选择开关(8)、打印台升降模组(3)均连接到控制中心(5)。
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