CN204981876U - 3d细胞打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了3D细胞打印系统，包括总控制系统、细胞打印工作台及细胞控制介质系统，细胞打印工作台包括第一工作台和第二工作台，第二工作台位于第一工作台的下方，第一工作台上分布有多个细胞阵列安装孔，细胞阵列位于所述细胞阵列安装孔中，细胞控制介质系统用于对细胞阵列进行打印，细胞外基质材料打印系统安装于所述第一工作台上，成型工作台安装于所述第二工作台中，所述细胞打印工作台的运动、细胞外基质材料打印系统的工作以及所述细胞控制介质系统的工作均由所述总控制系统控制。本实用新型的3D细胞打印系统可在体外构建人体或动物的组织或器官，能够精确控制单个细胞和细胞外基质分布。

Description

3D细胞打印系统

技术领域

本实用新型涉及细胞打印技术，具体涉及3D细胞打印系统。

背景技术

细胞打印技术是快速成型技术和生物制造技术的有机结合的一种新技术。目前科学家研发出了能打印出皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维生物打印机。细胞打印技术受到了各国学者的广泛关注。生物打印机面临的挑战之一是打印多细胞组成的人体或动物的器官，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连。目前的生物打印技术主要是在于研究新的成型方式、细胞支架材料、提高成型精度及成型支架机械性能等方面的研究。

细胞打印技术多种多样，按打印方式可分为喷墨式、喷射式、激光诱导直写、激光诱导转移、激光固化以及声控打印。目前的生物打印技术在构建大块软组织及内脏器官方面，仍存在许多缺憾：1)种植的细胞密度有限，新生组织的长入缓慢；2)与天然组织中三维均衡的生存环境不同，细胞由支架表面向内部生长，因而不利于细胞的相互接触、相应器官的发育和功能表达；3)血管化不足，没有良好的血管化解决方案，导致营养物质在支架内部渗透能力降低，细胞得不到充足的养分，因而在还无法实现大块需要血供充足的大块软组织及内脏器官；4)无法实现将不同的细胞定位到不同的空间位置，而大块软组织及内脏器官往往含有多种细胞，不同细胞具有特有的空间排布特点。比如专利CN201310294332.0公开了细胞打印方法及细胞打印系统，该技术方案利用同一个微喷管实现多种细胞的吸取和打印操作，避免了因采用多组微喷管而使设备负责程度增加，避免了因更换微喷管而造成的操作过程复杂化，但是该技术方案仍然不能很好地解决上述的问题。

细胞作为构成人类器官的基本单元，其尺寸在几微米到几十微米的范围内。因此，如何在三维尺度上精确控制不同种类的细胞及细胞外基质的分布，并形成与人体或动物的的组织或器官相似的三维构造体是组织工程所面临的一大难题。

发明内容

为解决三维尺度上精确控制不同种类的细胞及细胞外基质的分布，并形成与人体或动物的组织或器官相似的三维构造体，本实用新型的一个目的在于提供一种3D细胞打印系统，通过运用本3D细胞打印系统可在体外构建人体或动物的组织或器官，能够精确控制单个细胞和细胞外基质分布。

本实用新型的3D细胞打印系统采用如下的技术方案：

3D细胞打印系统，包括总控制系统、细胞打印工作台、成型工作台、细胞外基质材料打印系统及细胞控制介质系统，所述细胞打印工作台包括第一工作台和第二工作台，所述第二工作台位于所述第一工作台的下方，所述第一工作台上分布有多个细胞阵列安装孔，细胞阵列位于所述细胞阵列安装孔中，所述细胞控制介质系统位于所述细胞阵列的上方，用于对细胞阵列进行打印，细胞外基质材料打印系统安装于所述第一工作台上，成型工作台安装于所述第二工作台中，所述细胞打印工作台、细胞外基质材料打印系统以及细胞控制介质系统分别与所述总控制系统电性连接，并均由总控制系统控制。

作为本实用新型3D细胞打印系统的一种改进，所述细胞阵列的上方设置有补料系统，所述补料系统由所述总控制系统控制，补料系统主要用于填补相应细胞阵列上的细胞，或直接拆换整个细胞阵列。

作为本实用新型3D细胞打印系统的另一种改进，所述第一工作台和第二工作台能够相对上下移动以及相对旋转运动，以方便细胞阵列的定位与安装以及及成型工作台的定位与安装。

作为本实用新型3D细胞打印系统的再一种改进，所述细胞控制介质系统的介质为能够对所述细胞阵列产生压力的介质，当细胞阵列上的细胞受到介质的作用时，细胞阵列上的细胞受到垂直往下的作用力，相应的细胞按需地打印到成型工作台相应的位置上，而没有受到作用的细胞仍然留在细胞阵列上，从而能够精确地打印出所需的单层细胞的形状。

作为本实用新型3D细胞打印系统的进一步改进，所述介质为光压或气压等可以对细胞阵列产生作用力而又不对细胞产生损害的介质。

作为本实用新型3D细胞打印系统的进一步改进，所述细胞阵列由多个与细胞形状相对应的细胞孔槽组成，所述细胞孔槽为通孔。

由上述可知本实用新型与现有技术相比具有如下的有益效果：

本实用新型的3D细胞打印系统可在体外构建人体或动物的组织或器官，能够精确控制单个细胞和细胞外基质分布；可以精确打印高密度的细胞，打印的细胞可以相互接触，可将不同的细胞及细胞外基质打印到不同的空间位置，可有效解决细胞空间排布及新生组织的生长缓慢的问题。

附图说明

图1为本实用新型3D细胞打印系统的示意图；

图2为本实用新型3D细胞打印系统工作台的工作原理示意图；

图3a为捕获细胞前的细胞阵列示意图；

图3b为捕获细胞后的的细胞阵列示意图；

图4为细胞阵列与成型工作台定位示意图；

图5为打印原理示意图；

图6a为直线与正六边形相交示意图；

图6b为图6a打印预览图；

图6c为图6a打印预览图；

图6d为图6a打印预览图；

图7为直径为D的连续相切圆示意图；

图8a为连续包围的正六边形示意图；

图8b为为以各个正六边形边上距离各六边形顶点为D’的点为定位中心所作的直径为D’的圆的示意图；

图9为高致密度细胞打印流程图；

图中：1总控制系统，2细胞打印工作台，3细胞控制介质系统，4补料系统，20第一工作台，21第二工作台，50定位中心，51分度圆,60细胞阵列a,61细胞阵列b,200细胞阵列安装孔，201细胞外基质材料打印系统，210成型工作台。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面将结合本实用新型中的说明书附图，对实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，为本实用新型较佳实施例的3D细胞打印系统的示意图，其包括总控制系统1、细胞打印工作台2及细胞控制介质系统3，其中，细胞打印工作台2如图3a、3b所示，包括第一工作台20和第二工作台21，第二工作台位21于第一工作台20的下方，第一工作台20上分布有多个细胞阵列安装孔200，可以根据实际需要安装同一类型或不同的细胞阵列，其中该细胞阵列由多个与细胞形状相对应的细胞孔槽组成，细胞孔槽为通孔，其中图3a为捕获细胞前的细胞阵列示意图，图3b为捕获细胞后的的细胞阵列示意图，细胞捕获后即可将其安装于第一工作台上20的细胞阵列安装孔200中；需要说明的是，细胞阵列也可以直接在细胞阵安装孔200中进行捕获。

再如图1所示，细胞外基质材料打印系统201安装于所述第一工作台20上，成型工作台210安装于第二工作台21中并与第一工作台20中的细胞阵列200相对应，细胞控制介质系统3位于某一细胞阵列200的上方。

再如图2所示，细胞打印工作台2在总控制系统1的控制下，第一工作台20和第二工作台21能够相对上下移动以及相对旋转运动，以保证成型工作台与细胞阵列可以相互定位，需要说明的是，图2所示的工作台仅仅是工作原理图，本领域的技术人员根据工作原理的描述应当能够制作出其具体的结构；当组装不同类型的细胞阵列时，比如图中的细胞阵列a60以及细胞阵列b61,成型工作台210与不同类型的细胞阵列可以相互调节定位中心；细胞阵列与成型工作台210定位具体如图4所示，为它们相互定位的平面示意图，其中，包括定位中心50，虚线圆为分度圆51。当细胞阵列与成型工作台210定位后，总控制系统1控制细胞控制介质系统3工作，其中细胞控制介质系统3中使用的介质可以为光压或气压等可以对细胞阵列产生作用力而又不对细胞产生损害的介质，使得细胞阵列上的细胞受到介质的作用，细胞阵列上的细胞受到垂直往下的作用力，相应的细胞按需地打印到成型工作台210相应的位置上，而没有受到作用的细胞仍然留在细胞阵列上，从而精确地打印出所需的单层细胞的形状，其打印的原理如图5所示，需要说明的是，所打印出来的单层细胞的形状可以根据细胞阵列的特性而对总控制系统进行不同的编程控制，从而能够打印出不同形状的单层细胞。

其中，细胞外基质材料打印系统201的打印方式可以为喷墨式、喷射式、激光诱导直写、激光诱导转移、激光固化以及声控打印中的一种；当完成单层细胞打印后，总控制系统1即控制细胞外基质材料打印系统201旋转至相对应的单层细胞的上方，细胞外基质材料打印系统201的喷射孔定位方式与上述细胞阵列及细胞成型工作台的定位方式一致，定位完成后即可对该单层细胞进行打印细胞外基质，进而完成一层细胞和细胞基质的打印；当完成一层的细胞打印后，第二工作台21将会往下移动一个层距离，同时第一工作台20将转换到另外一个细胞阵列（此细胞阵列可以是同一类型的细胞阵列，也可以是不同类型的细胞阵列），如此反复直至整个器官打印完成。由上述可知，本实用新型的3D细胞打印系统能够解决在三维尺度上精确控制不同种类的细胞及细胞外基质的分布，解决形成与人体或动物的组织或器官相似的三维构造体所面临的难题。

其中，上述的细胞外基质材料包括细胞支架材料、生长因子、水凝胶的细胞营养物质，细胞支撑系统的个数可以根据需要进行确定，即可以为一个也可以同时具有多个。需要说明的是，整一个细胞的打印成型的过程中的温度、湿度等环境条件要符合细胞的生长要求。

同时，为了及时地对打印后的细胞阵列补相应细胞阵列上的细胞，或直接拆换整个细胞阵列，在第一工作台的上方还可以设置有补料系统4，该补料系统4的工作也是由总控制系统1进行控制。

为了进一步阐述本实用新型3D细胞打印系统的工作原理，下面进一步阐述其打印的过程，具体包括如下的步骤：

S1、对细胞阵列中的细胞孔槽进行定位；

S2、按照步骤S1中的细胞孔槽定位方式获得相应的细胞阵列，相应的细胞阵列分布于第一工作台上的细胞阵列安装孔中；

S3、总控制系统控制第二工作台旋转，使得第二工作台上的成型工作台与步骤S2中的细胞阵列相对应；

S4、总控制系统控制细胞控制介质系统工作，使得细胞阵列上的细胞受到介质的作用，细胞阵列上的细胞受到垂直往下的作用力，相应的细胞按需地打印到成型工作台相应的位置上，而没有受到作用的细胞仍然留在细胞阵列上，精确地打印出所需的单层细胞的形状；

S5、总控制系统控制第一工作台旋转，使得第一工作台上的细胞外基质材料打印系统与步骤S4中所打印出来的单层细胞相对应，然后总控制系统控制细胞外基质材料打印系统往步骤S4中打印出来的单层细胞添加细胞外基质材料；其中，细胞外基质材料的添加是按需进行的，可以向单个细胞进行添加，也可以添加到两个细胞的间隙中；

S6、完成一层细胞打印后，总控制系统控制第二工作台往下移动一个层距离，同时第一工作台将转换到另一个细胞阵列，重复步骤S4、S5；

S7、重复步骤S1-S6直至整个器官打印完成。

其中上述步骤S1中的细胞阵列中的细胞孔槽定位方法可以为：

确定定位中心，在定位中心作直径为D的圆，以定位中心所做的圆为定圆连续不断地作与在定位中心相切圆，所作的圆相互相切直径均为D，此时相切圆的圆心正好是通孔的中心，其中D与待打印细胞的直径相等，如图7所示，黑点为每个相切圆的中心，即每个捕获细胞孔中心（同时也是单个细胞被捕获后的中心或质心）位于相切圆的中心。

上述步骤S1中的细胞阵列中的细胞孔槽定位方法也可以为：

确定定位中心，在定位中心的外围作连续包围的边长为为D’、2D’、3D’…nD’的正六边形，各个正六边形的边长相互平行且定位各个中心相互重合，如图8a所示，该连续包围的正六边形示意图，图8b为以各个正六边形边上距离各六边形顶点为D’的点为定位中心所作的直径为D’的圆的示意图，图中的各个相邻的圆正好相切；其中，n为整数，D’与待打印细胞的直径相等。

本实施例中，细胞阵列中的细胞孔槽定位方法采用上述正六边形的方法，细胞打印时，采用相同定位中心细胞阵列叠加进行定位，以正多边形的中心为原点，在XY平面上作直线的方程分别为x=±1/2nD’的直线（n为整数），则直线与正六边形的交点正好为各个相切圆的圆心，图6a为其示意图；同理，在XY平面上作直线的方程分别为x=±3/2nD’，x=±3/2nD’+1/2D’，x=±3/2nD’+D’的直线，直线与正六边形的交点为细胞阵列上各个孔的定位中心或几何中心，将图6a所示的细胞阵列示意图相应地拆分为图6b、6c、6d所示的打印预览图，需要说明的是，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，可以根据不同的细胞阵列类型及所需打印出的单层细胞的形状，在XY平面上作出不同的直线的方程，以打印出不同的细胞形状。

更为具体地，如图9所示，为本实施例的中高致密度细胞打印流程图，由上述的图6b、6c、6d所拆分的细胞阵列所共同完成打印，具体地为，当完成一个细胞阵列所需的细胞打印时（图6b所示的打印效果），在总控制系统的作用下，第一工作台切换到另外一个细胞阵列（图6c)，此时的细胞阵列(图6c)与上一个细胞阵列(图6b)的定位中心一致；同理当完成第二个细胞阵列（图6c）打印时接着完成第三个细胞阵列(图6d)的打印；在整个打印过程中，三个细胞阵列的定位中心一致；通过这种办法可以精确打印高致密度的细胞，从而可以有效解决种植的细胞密度有限，新生组织的长入缓慢的问题；所打印组装细胞间的间隙能够达到零，从而解决与天然组织中三维均衡的生存环境不同，细胞由支架表面向内部生长不利于细胞的相互接触、相应器官的发育和功能表达的技术问题；通过运用此方法可以实现高致密度的细胞打印和组装，可以将不同的细胞定位到不同的空间位置，解决大块软组织及内脏器官特有的空间排布特点的技术问题；可以有效解决孔壁厚度给所来的间隙问题，从而可以精确定位所打印的细胞分布。

综上所述，即为本实用新型实施例内容，而显然本实用新型的实施方式并不仅限于此，其可根据不同应用环境，利用本实用新型的功能实现相应的需求。

Claims (4)

1.3D细胞打印系统，其特征在于，包括总控制系统、细胞打印工作台、成型工作台、细胞外基质材料打印系统、补料系统及细胞控制介质系统，所述细胞打印工作台包括第一工作台和第二工作台，所述第二工作台位于所述第一工作台的下方，所述第一工作台上分布有多个细胞阵列安装孔，细胞阵列位于所述细胞阵列安装孔中，所述细胞控制介质系统位于所述第一工作台的上方，用于对细胞阵列进行打印，细胞外基质材料打印系统安装于所述第一工作台上，成型工作台安装于所述第二工作台中，所述补料系统位于所述细胞阵列的上方，所述细胞打印工作台、细胞外基质材料打印系统、补料系统以及细胞控制介质系统分别与所述总控制系统电性连接，并均由总控制系统控制。

2.如权利要求1所述的3D细胞打印系统，其特征在于，所述细胞控制介质系统的介质为对所述细胞阵列产生压力的介质。

3.如权利要求2所述的3D细胞打印系统，其特征在于，所述介质为光压或气压。

4.如权利要求1所述的3D细胞打印系统，其特征在于，所述细胞阵列由多个与细胞形状相对应的细胞孔槽组成，所述细胞孔槽为通孔。