CN113180879B - 一种生物组织制备系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物组织制备系统及方法，该系统包括生物打印系统和培养系统；所述生物打印系统用以打印复合微单元结构，包括供料系统、导轨、运动机构、磁控系统、打印基板、机架以及计算机系统；所述培养系统包括培养箱、驱动泵、反应腔室、储液瓶、收液瓶以及软管。本发明提供的生物组织制备系统及方法，能实现具有高细胞密度、精确控制其空间分布以及具有血管网的生物组织制备。

Description

一种生物组织制备系统及方法

技术领域

本发明涉及生物制造技术领域，更具体的说是涉及一种生物组织制备系统及方法。

背景技术

由于自然衰老和疾病引起的组织或器官衰竭是医疗领域面临的关键挑战。尽管在过去的几十年中，药物治疗方法得到了飞速发展，但自体移植仍然是目前用于替换衰竭的组织或器官的金标准。然而，这些移植物受到有限的供应和供体部位发病率的限制，同种异体移植和人工合成材料移植是可行的替代方法，但是这些方法中的每一种都有其自身的问题和局限性。

考虑到器官移植现有的问题，最近的研究集中在缺乏接触供体器官和排斥反应的可能解决方案上，并有可能利用患者自身的细胞进行治疗，这将潜在地最小化组织或器官排斥的风险，显示出巨大的潜力。

目前已经有通过静电纺丝、浸涂以及铸模等生物制造技术来制备组织或器官，这些制造方法已显示出一定的能力。然而，在实现适合于组织特定的复杂环境的生理以及机械特性方面存在未解决的问题。而且，这些方法在制造可控制的结构方面具有不可避免的局限。生物打印是一种相对较新的，先进的生物制造方法，它将生物材料，细胞，生长因子和其他生物活性物质精确地沉积在三维空间中，从而实现复杂结构的紧密复制，旨在打印出具有生物活性、生理功能完整的人造组织器官用于移植，有效解决器官供不应求的问题。尽管现有的生物打印技术已经能制造出复杂的生物结构，然而，如何提高细胞存活率和细胞密度以及如何解决生物组织血管化等问题依然是生物打印技术面临的几个关键问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有生物组织在制备工艺上存在的不足，提供一种生物组织制备系统及方法，能实现具有高细胞密度、精确控制其空间分布以及具有血管网的生物组织制备。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物组织制备系统，包括生物打印系统和培养系统；

所述生物打印系统用以打印复合微单元结构，包括供料系统、导轨、运动机构、磁控系统、打印基板、机架以及计算机系统；

所述供料系统与所述运动机构连接，所述运动机构通过所述导轨与所述机架相连，所述磁控系统分别与所述供料系统、所述打印基板以及所述机架相连，所述计算机系统分别与所述供料系统以及所述运动机构电性连接；

所述的培养系统包括培养箱、驱动泵、反应腔室、储液瓶、收液瓶以及软管；所述驱动泵的进口通过所述软管与所述储液瓶内部培养液连通，所述驱动泵的出口通过所述软管与所述反应腔室的进液口连通，所述反应腔室的出液口与所述收液瓶内部废液连通，所述驱动泵、反应腔室、储液瓶、收液瓶以及软管均位于所述培养箱内部。

进一步的，所述供料系统包括微量泵、导管、注射器活塞筒体以及针头，所述微量泵通过所述导管与所述注射器活塞筒体连接，所述注射器活塞筒体下方连接有所述针头，所述注射器活塞筒体固定在所述运动机构上面，所述微量泵与所述计算机系统电性连接，所述注射器活塞筒体与所述磁控系统连接。

进一步的，所述注射器活塞筒体包括功能微单元生物墨水注射器活塞筒体和血管化微单元生物墨水注射器活塞筒体。

进一步的，所述的磁控系统包括圆柱磁铁、长方体磁铁以及磁场控制器；所述磁场控制器分别与所述圆柱磁铁以及所述长方体磁铁电连接，所述圆柱磁铁固定在所述注射器活塞筒体外部；所述长方体磁铁底部固定在机架表面，顶部与所述打印基板连接。

进一步的，所述反应腔室包括挡板，所述挡板分为上挡板和下挡板，所述上挡板和所述下挡板均具有多孔结构，所述复合微单元位于所述上挡板和所述下挡板之间。

本发明还公开了根据上述生物组织制备系统进行的生物组织制备方法，操作步骤如下：

首先通过计算机系统建立三维模型，并使用计算机系统中的数据处理软件进行模型分层，将文件传输到计算机控制软件中，将磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水分别装载于不同的注射器活塞筒体中，然后将注射器活塞筒体安装在运动机构上，并通过导管与微量泵相连接，再将圆柱磁铁固定在注射器活塞筒体外部，并将长方体磁铁固定在机架上表面，打印基板固定在长方体磁铁上表面，打开磁场控制器，调节至需要的磁场强度，再通过计算机系统打开微量泵，在微量泵的驱动下使位于注射器活塞筒体的微单元生物墨水通过针头挤出，同时注射器活塞筒体随着运动机构按计算机系统设计好的路径进行打印，打印层采用磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水交叉打印的方式，即第一层采用磁化后的功能微单元生物墨水打印，第二层采用磁化后的血管化微单元生物墨水打印，如此循环，直至打印完成；

打开培养箱，将打印后的复合微单元结构立即移到反应腔室的上挡板和下挡板之间的区域，关闭反应腔室，启动驱动泵，使位于储液瓶中的培养液泵入到软管中，并从反应腔室的下部进入，先经过下挡板流过复合微单元结构，在驱动泵的作用下液体继续流动，最终进入收液瓶，完成一次循环，经过若干次培养，直至培养出需要的生物组织。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1)由于供料系统可根据不同的制造需求在生物打印系统中增加注射器活塞筒体的数量以制备更复杂的组织器官，具有可扩展性，因此可以实现复杂生物组织的制备；

2)使用的生物墨水均为微单元，可提高生物组织内部的细胞密度；

3)通过在打印时使用磁控系统为复合微单元结构提供一定的力刺激，可以增强各微单元之间的相互作用，有利于生物组织的形成；

4)血管化微单元的加入可在生物组织内部生成血管系统；

5)培养系统的使用可以改善生物组织内部与外界的物质传递，同时培养液的流动对生物组织可提供一定的力刺激，从而改善其生化特性。

综上所述，本发明所述系统利用生物打印系统和培养系统综合实现了生物组织的制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的生物打印系统示意图；

图2是本发明的培养系统示意图；

在图1和图2中：

1-微量泵，2-导管，3-导轨，4-运动机构，5-注射器活塞筒体，6-圆柱磁铁，7-针头，8-机架，9-长方体磁铁，10-打印基板，11-磁场控制器，12-计算机系统，13-培养箱，14-驱动泵，15-反应腔室，16-下挡板，17-上挡板，18-收液瓶，19-废液，20-培养液，21-储液瓶，22-软管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，本实施例提供了一种生物组织制备系统，包括生物打印系统和培养系统；

生物打印系统用以打印复合微单元结构，包括供料系统、导轨3、运动机构4、磁控系统、打印基板10、机架8以及计算机系统12；

供料系统与运动机构4连接，运动机构4通过导轨3与机架8相连，磁控系统分别与供料系统、打印基板10以及机架8相连，计算机系统12分别与供料系统以及运动机构4电性连接；

培养系统包括培养箱13、驱动泵14、反应腔室15、储液瓶21、收液瓶18以及软管22；驱动泵14的进口通过软管22与储液瓶21内部培养液20连通，驱动泵14的出口通过软管22与反应腔室15的进液口连通，反应腔室15的出液口与收液瓶18内部废液19连通，驱动泵14、反应腔室15、储液瓶21、收液瓶18以及软管22均位于培养箱13内部。

为了进一步完善上述技术方案，供料系统包括微量泵1、导管2、注射器活塞筒体5以及针头7，微量泵1通过导管2与注射器活塞筒体5连接，注射器活塞筒体5下方连接有针头7，注射器活塞筒体5固定在运动机构4上面，微量泵1与计算机系统12电性连接，注射器活塞筒体5与磁控系统连接。

为了进一步完善上述技术方案，注射器活塞筒体5包括功能微单元生物墨水注射器活塞筒体和血管化微单元生物墨水注射器活塞筒体。

为了进一步完善上述技术方案，磁控系统包括圆柱磁铁6、长方体磁铁9以及磁场控制器11；磁场控制器11分别与圆柱磁铁6以及长方体磁铁9电连接，圆柱磁铁6固定在注射器活塞筒体5外部；长方体磁铁底部9固定在机架8表面，顶部与打印基板10连接。

为了进一步完善上述技术方案，反应腔室15包括挡板，挡板分为上挡板17和下挡板16，上挡板17和下挡板16均具有多孔结构以避免复合微单元结构的下漏和向上流出，同时保证培养液顺利流出反应腔室，复合微单元位于上挡板17和下挡板16之间。

采用上述生物组织制备系统进行的生物组织制备方法，操作步骤如下：

首先通过计算机系统12建立三维模型，并使用计算机系统12中的数据处理软件进行模型分层，将文件传输到计算机控制软件中，将磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水分别装载于不同的注射器活塞筒体5中，然后将注射器活塞筒体5安装在运动机构4上，并通过导管2与微量泵1相连接，再将圆柱磁铁6固定在注射器活塞筒体5外部，并将长方体磁铁9固定在机架8上表面，打印基板10固定在长方体磁铁9上表面，打开磁场控制器11，调节至需要的磁场强度，再通过计算机系统12打开微量泵1，在微量泵1的驱动下使位于注射器活塞筒体5的微单元生物墨水通过针头7挤出，同时注射器活塞筒体5随着运动机构4按计算机系统12设计好的路径进行打印，打印层采用磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水交叉打印的方式，即第一层采用磁化后的功能微单元生物墨水打印，第二层采用磁化后的血管化微单元生物墨水打印，如此循环，直至打印完成；

打开培养箱13，将打印后的复合微单元结构立即移到反应腔室15的上挡板17和下挡板16之间的区域，关闭反应腔室15，启动驱动泵14，使位于储液瓶21中的培养液20泵入到软管22中，并从反应腔室15的下部进入，先经过下挡板16流过复合微单元结构，在驱动泵14的作用下液体继续流动，最终进入收液瓶18，完成一次循环，经过若干次培养，直至培养出需要的生物组织。

在整个培养过程中，不需要持续开启驱动泵，开启的次数和时间取决于培养的复合微单元结构状态。在每次培养完成后，对整个装置进行清洗，以保证装置内部的清洁。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种生物组织制备系统，其特征在于，包括生物打印系统和培养系统；

所述生物打印系统用以打印复合微单元结构，包括供料系统、导轨、运动机构、磁控系统、打印基板、机架以及计算机系统；

所述供料系统与所述运动机构连接，所述运动机构通过所述导轨与所述机架相连，所述磁控系统分别与所述供料系统、所述打印基板以及所述机架相连，所述计算机系统分别与所述供料系统以及所述运动机构电性连接；

所述培养系统包括培养箱、驱动泵、反应腔室、储液瓶、收液瓶以及软管；所述驱动泵的进口通过所述软管与所述储液瓶内部培养液连通，所述驱动泵的出口通过所述软管与所述反应腔室的进液口连通，所述反应腔室的出液口与所述收液瓶内部废液连通，所述驱动泵、反应腔室、储液瓶、收液瓶以及软管均位于所述培养箱内部；

所述供料系统包括微量泵、导管、注射器活塞筒体以及针头，所述微量泵通过所述导管与所述注射器活塞筒体连接，所述注射器活塞筒体下方连接有所述针头，所述注射器活塞筒体固定在所述运动机构上面，所述微量泵与所述计算机系统电性连接，所述注射器活塞筒体与所述磁控系统连接；

所述磁控系统包括圆柱磁铁、长方体磁铁以及磁场控制器；所述磁场控制器分别与所述圆柱磁铁以及所述长方体磁铁电连接，所述圆柱磁铁固定在所述注射器活塞筒体外部；所述长方体磁铁底部固定在机架表面，顶部与所述打印基板连接。

2.根据权利要求1所述的一种生物组织制备系统，其特征在于，所述注射器活塞筒体包括功能微单元生物墨水注射器活塞筒体和血管化微单元生物墨水注射器活塞筒体。

3.根据权利要求1或2所述的一种生物组织制备系统，其特征在于，所述反应腔室包括挡板，所述挡板分为上挡板和下挡板，所述上挡板和所述下挡板均具有多孔结构，所述复合微单元位于所述上挡板和所述下挡板之间。

4.根据权利要求3所述的一种生物组织制备系统进行的生物组织制备方法，其特征在于，操作步骤如下：

首先通过计算机系统建立三维模型，并使用计算机系统中的数据处理软件进行模型分层，将文件传输到计算机控制软件中，将磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水分别装载于不同的注射器活塞筒体中，然后将注射器活塞筒体安装在运动机构上，并通过导管与微量泵相连接，再将圆柱磁铁固定在注射器活塞筒体外部，并将长方体磁铁固定在机架上表面，打印基板固定在长方体磁铁上表面，打开磁场控制器，调节至需要的磁场强度，再通过计算机系统打开微量泵，在微量泵的驱动下使位于注射器活塞筒体的微单元生物墨水通过针头挤出，同时注射器活塞筒体随着运动机构按计算机系统设计好的路径进行打印，打印层采用磁化后的功能微单元生物墨水和磁化后的血管化微单元生物墨水交叉打印的方式，即第一层采用磁化后的功能微单元生物墨水打印，第二层采用磁化后的血管化微单元生物墨水打印，如此循环，直至打印完成；

打开培养箱，将打印后的复合微单元结构立即移到反应腔室的上挡板和下挡板之间的区域，关闭反应腔室，启动驱动泵，使位于储液瓶中的培养液泵入到软管中，并从反应腔室的下部进入，先经过下挡板流过复合微单元结构，在驱动泵的作用下液体继续流动，最终进入收液瓶，完成一次循环，经过若干次培养，直至培养出需要的生物组织。