CN205364548U - 一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统。该系统包括基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置和打印参数可控的生物三维打印设备，支架定量可视化装置包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、时序控制模块、图像采集分析模块；光源发出的光经光纤进入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，样品扫描模块将光聚焦到放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架上，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生干涉光谱信号经光纤送入干涉信号探测模块。本实用新型系统能够同时满足水凝胶成像对高分辨和大范围三维快速扫描的要求，且结构简单，操作方便。

Description

一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统

技术领域

本实用新型属于生物医学工程技术领域，涉及一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统。

背景技术

作为组织工程的重要组成部分，支架为细胞生长提供了必要的空间和环境，其化学组成和物理结构能够影响细胞的活动，如细胞的粘附、迁移、增殖和分化等。水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、亲水性以及包裹细胞的强大能力，这使得水凝胶被广泛应用于构建组织工程支架。另一方面，在一些特殊应用场合，如功能性组织器官制造，对支架的多孔形态提出特别严格的限制，支架的内部结构需要特殊定制以获得期望的几何、机械及液体传输特性，而这些特性对支架局部或整体变化(如特征尺寸和形状，体积比等)高度敏感，因而支架的制备需要一种精确制造技术，可以提高支架参数的可控性和可重复性。

三维生物打印(three-dimensionalBio-printing,3DBio-printing)技术可以无毒且方便地按照预先设计几何结构制备出完全连通的三维结构，已成为制造可以细胞接种或细胞封装的生物支架的良好工具。水凝胶和3DBio-printing技术的结合为开发可细胞接种/封装的组织工程支架提供了一种设计关联的可控解决方案。3DFD和3Dbio-plotting技术均属于三维生物打印技术，曾成功用于制造具有可复制形态特性的多孔水凝胶结构。如WangXH等人基于3D纤维沉积(fibredeposition,FD)的3DBio-printing技术成功的制造出可控孔形和孔尺寸分布的多孔水凝胶/肝细胞复合结构，且打印结构具有良好可复制性。然而，水凝胶特有的溶胀特性及其组成成分不同，引起打印后的结构形态参数与设计值出现明显差异。如刘丰等人发现明胶/海藻酸钠复合材料在成形过程中会有流涎、过度堆积和孔的融合等现象。此外，ShimJH等人基于3D生物绘制(bio-plotting)技术制备水凝胶支架，发现单一成分水凝胶打印出的支架机械性能较差，会出现支架支撑的局部断裂。上述研究证实了打印出的结构与设计的结构在形态参数上存在显著差异，这些差异严重影响了水凝胶支架的实际应用，因此研究如何制造出与预期形态参数尽量匹配的定制结构具有重要意义。

现有多孔支架的结构表征方法主要有液体置换法、扫描电镜法以及基于三维成像的分析评价方法。液体置换法是将支架完全浸没液体中，基于浸没时物体和置换液体的体积相等原理来评估支架的孔隙率，但是这种方法很难找到合适的溶剂来置换而不影响生物材料，且这种方法会使支架结构因为压力而形变，同时也不能检测支架孔径、孔连通性。扫描电镜法可以直观定性地评估支架的孔贯通性，也可获得截面的表面积。但是为了监测支架的内部结构，需要进行物理切片，这样则会对支架造成不必要的损伤，对测量结果也造成影响。

基于三维成像的分析评价方法具有无损非侵入的特点，常用来检测和定量评价组织工程支架。如应用显微计算层析术(micro-computedtomography,micro-CT)对骨组织工程支架成像。磁共振成像(magmeticresonanceimaging,MRI)技术用于检测组织工程支架移植前的结构和成分，并监测间充质干细胞分化形成组织。超声弹性成像(Ultrasoundelastography)可用于描述大块工程组织内的弹性粒子分布。但是，这些成像技术用于水凝胶支架成像仍然存在问题。水凝胶的高含水量特点导致micro-CT对水凝胶成像时对比度过低，且X射线的高离子性可能损伤细胞。MRI和超声弹性成像的分辨率有限。此外，共焦显微术、多光子显微术(Multiphotonmicroscopy,MPM)等光学成像方法也用于对组织工程支架成像，其分辨率高，可以达到亚微米级，缺点在于成像深度有限，如共焦显微术对高散射样品的成像深部近似100μm，MPM的穿透深度也限制在400～500μm。因而，需要发展能够高分辨穿透深度适合的理想成像方法来非接触的分析组织工程支架结构。

光学相干层析成像(opticalcoherencetomography，OCT)技术是能够克服上述各种技术缺陷最有前景的一种解决方案，因为其能够实时非侵入的获取样品结构的横断面图像，成像分辨率可以达到1～15μm，对高散射样品的成像深度达到数毫米，能够提供样品三维高分辨图像。近年来，OCT应用于传统组织工程技术制造的支架和组织的研究正逐步开展。如S.M.Rey等人将细胞与凝胶混合，用OCT技术检测了细胞在凝胶材料中的三维和四维迁移。C.W.Chen等人利用OCT对粒子盐析法制备的水凝胶多孔结构进行定量评价。这些研究验证了OCT用于水凝胶支架评价的可行性，但必须指出传统的组织工程技术是过程依赖性的，无法对水凝胶结构进行局部定位控制制造，也无法按照预定义的结构进行可重复性制造，所以，以往支架的结构表征更多关注全局性的统计结构特征，而非与空间位置关联的局域化结构特征，且无须对整个支架成像。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，以克服现有三维打印水凝胶支架结构精度控制不够的缺陷，提出了一种基于OCT技术的三维打印水凝胶支架的优化控制系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，包括基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置和打印参数可控的生物三维打印设备。

所述的打印参数可控的生物三维打印设备主要包括打印主机、中心控制模块、打印喷头、X/Y/Z三轴运动模块、打印成型平台。打印主机负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块负责接收加工指令以及图像采集分析模块反馈信息，并对X/Y/Z三轴运动模块进行运动控制，和对打印喷头进行挤出气压的调节/开闭。

所述的基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、时序控制模块、图像采集分析模块；光源发出的光经光纤进入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，样品扫描模块将光聚焦到放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架上，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生干涉光谱信号经光纤送入干涉信号探测模块；

基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置采用扫频OCT成像系统或谱域OCT成像系统，但无论哪一种系统，其样品扫描模块都需要对待表征的三维打印水凝胶支架进行整体的横截面快速扫描。

所述的扫频OCT成像系统采用宽带扫频光源，干涉信号探测模块采用光电平衡探测器。其中宽带扫频光源的扫频范围要求在80nm～220nm,推荐在100nm～140nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

所述的谱域OCT成像系统采用宽带连续光源，干涉信号探测模块采用高速线阵光谱探测器。

所述的样品扫描模块包括高速物镜前扫描模块、二维电机运动模块、样品台，其中高速物镜前扫描模块实现小范围高分辨的快速二维扫描，二维电机运动模块实现大范围的二维扫描。扫描执行时，高速物镜前扫描模块从初始点开始快速完成一个较小矩形区域扫描,然后利用二维电机运动模块在整个检测区域运动，从而实现整个检测区域内所有待检测支架的整体扫描。

所述样品扫描模块的组合为以下两种之一，即：一种高速物镜前扫描模块通过夹持装置直接安装在二维电机运动模块上，两者组合为一个整体探头，而样品台独立，仅负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节；一种高速物镜前扫描模块与二维电机运动模块分离，二维电机运动模块与样品台整合，样品台需方便支架专用培养皿的固定和更换，且负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节。

所述的高速物镜前扫描模块包括光纤准直器、二维高速扫描振镜、扫描物镜。

低相干干涉模块发出的探测光由光纤进入高速物镜前扫描模块的第二光纤准直器，二维高速扫描振镜输出的光经扫描物镜进行聚焦后进入放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架。

所述的时序控制模块用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序、以及二维电机运动时序，干涉信号探测模块采集干涉光谱信号的时序；

所述的图像采集分析模块包括将获取的干涉光谱信号进行A/D转换，重建出支架的二维横断面图像和三维图像，然后对其进行图像处理分析，获得支架的形态参数实际值与设计值的差异，然后将差异反馈给打印主机。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提出一种水凝胶支架三维生物打印的优化控制系统，该系统能够实现三维生物打印水凝胶支架的整体和局域化的高分辨定量表征，并通过定量表征结果反馈指导水凝胶支架三维生物打印的精准控制，可以提高水凝胶支架精准制造的可重复性和可控性，便于大批量定制结构一致的水凝胶支架。

附图说明

图1为三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统原理框图；

图2为打印参数可控的生物三维打印设备的组成图；

图3为基于光学相干层析扫描的生物三维打印水凝胶支架定量可视化系统原理示意图；

图4为生物三维打印水凝胶支架快速扫描模块的组合1原理示意图；

图5为生物三维打印水凝胶支架快速扫描模块的组合2原理示意图；

图6为生物三维打印水凝胶支架定量可视化系统的样品扫描示意图；其中(a)表示OCT系统实现二维横断面图像(XZ),(b)表示OCT三维扫描投影到xoy平面上的扫描示意图，(c)表示二维高速物镜前扫描模块和二维电动运动模块实现XY平面扫描。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，包括基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置和打印参数可控的生物三维打印设备，其原理框图如图1所示。

图2为打印参数可控的生物三维打印机的组成图，主要包括打印主机1、中心控制模块2、打印喷头3、X/Y/Z三轴运动模块4、打印成型平台5、独立温控系统6。打印主机1负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块2负责接收加工指令，并对X/Y/Z三轴运动模块4进行运动控制，和对打印喷头3进行挤出气压的调节/开闭，独立温控系统6负责调控打印喷头3和打印成型平台5的温度。

一种基于光学相干层析扫描的三维生物打印水凝胶支架定量可视化系统，如图3所示，其主要由光源7、低相干干涉模块8、样品扫描模块9、干涉信号探测模块10、时序控制模块11、图像采集模块。其光源7发出的光经第一光纤12进入低相干干涉模块8，低相干干涉模块8发出的探测光由第二光纤13进入样品扫描模块9，样品扫描模块9通过聚焦进入放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块8，低相干干涉模块8产生干涉光谱信号经第三光纤14送入干涉信号探测模块9，时序控制模块11用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序、以及二维电机运动时序，干涉信号探测模块采集干涉光谱信号的时序；图像采集分析模块包括将获取的干涉光谱信号进行A/D转换，重建出支架的二维横断面图像和三维图像，然后对其进行图像处理分析，获得支架的形态参数实际值与设计值的差异，然后将差异反馈给打印主机。

这里的时序控制模块与图像采集分析模块均采用现有成熟技术。

所述的样品扫描模块3的组合为以下两种之一，即：一种高速扫描模块15通过夹持装置直接安装在二维电机运动模块16上，两者组合为一个整体探头，而样品台独立，仅负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节；一种高速扫描模块与二维电机运动模块分离，二维电机运动模块与样品台整合，样品台需方便支架专用培养皿的固定和更换，且负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节。样品扫描模块3的第一种组合的原理示意图如4所示。第二种组合的原理示意图如图5所示。其中所述的高速扫描模块由光纤准直器17、二维高速扫描振镜18、扫描物镜19组成。低相干干涉模块8发出的探测光由第二光纤13进入高速扫描模块15的光纤准直器17，二维扫描振镜18输出的光经扫描物镜19进行聚焦后进入放置在样品台20的三维生物打印水凝胶支架，支架产生的后向散射光经原路返回至低相干干涉模块8。

系统的样品扫描和数据采集是同步进行的，在高速扫描模块15中，二维扫描振镜的扫描范围为毫米量级，扫描方式示意图如图6所示，其中图(a)表示OCT系统如何实现三维扫描，对于扫频OCT成像系统，通过扫频光源的波长扫描和傅立叶变换来实现z轴即轴向扫描；对于谱域OCT成像系统，通过光谱仪探测阵列的波长编码和傅立叶变换来实现实现z轴即轴向扫描。轴向扫描的同时，通过样品扫描模块的某一方向的时序控制实现x方向的扫描，构成一个二维横断面图像(XZ)，然后通过样品扫描模块另一方向的时序控制实现y轴的扫描，从而构成一个三维扫描，图(b)表示OCT三维扫描投影到xoy平面上的扫描示意图。图(c)表示如何通过二维高速物镜前扫描模块15和二维电动运动模块16实现大范围的XY平面扫描，每次二维扫描振镜扫描结束，会触发二维电机沿X方向移动一段距离，该距离在数值上比二维振扫描镜在X方向上扫描的最大范围略小(推荐小5到10um)，当二维电机停止后，再立即触发二维扫描振镜进行下一次高速扫描，依照此方式交替进行直到扫描至样品沿X轴的另一边缘，然后步进电机回到扫描行的初始点并沿Y轴方向移动一段略小于二维振扫描镜在Y方向上扫描的最大范围(推荐小5到10um)的距离。扫描的行和列数由被扫描样品的边长和二维扫描振镜在X和Y方向扫描的最大范围决定。

工作过程：

通过打印主机1向中心控制模块2发送加工指令，中心控制模块2接收加工指令，并对X/Y/Z三轴运动模块4进行运动控制，和对打印喷头3进行挤出气压的调节/开闭，独立水冷系统6调控打印喷头3和打印成型平台5的温度。

打开光源7，光源7发出的光经第一光纤12进入低相干干涉模块8，低相干干涉模块8发出的探测光由第二光纤13进入样品扫描模块9，样品扫描模块9通过聚焦进入放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块8，低相干干涉模块8产生干涉光谱信号经第三光纤14送入干涉信号探测模块9。时序控制模块11用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序、以及二维电机运动时序，干涉信号探测模块采集干涉光谱信号的时序；图像采集分析模块将干涉信号探测模块9获取的干涉光谱信号进行A/D转换，重建出支架的二维横断面图像和三维图像，然后对其进行图像处理分析，获得支架的形态参数实际值与设计值的差异，然后将差异反馈给打印主机。

上述实施例并非是对于本实用新型的限制，本实用新型并非仅限于上述实施例，只要符合本实用新型要求，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于：包括基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置和打印参数可控的生物三维打印设备；

所述的基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置包括光源、低相干干涉模块、样品扫描模块、干涉信号探测模块、时序控制模块、图像采集分析模块；光源发出的光经光纤进入低相干干涉模块，低相干干涉模块发出的探测光经光纤进入样品扫描模块，样品扫描模块将光聚焦到放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架上，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块，低相干干涉模块产生干涉光谱信号经光纤送入干涉信号探测模块；

所述的样品扫描模块包括高速物镜前扫描模块、二维电机运动模块、样品台，其中高速物镜前扫描模块实现小范围高分辨的快速二维扫描，二维电机运动模块实现整个检测区域大范围的二维扫描；

所述的时序控制模块用于控制光源的触发，样品扫描模块中二维高速扫描振镜的扫描时序、以及二维电机运动时序，干涉信号探测模块采集干涉光谱信号的时序；

所述的图像采集分析模块包括将获取的干涉光谱信号进行A/D转换，重建出支架的二维横断面图像和三维图像，然后对其进行图像处理分析，获得支架的形态参数实际值与设计值的差异，然后将差异反馈给生物三维打印设备。

2.如权利要求1所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于基于光学相干层析扫描的三维打印水凝胶支架定量可视化装置选用扫频OCT成像系统或谱域OCT成像系统，且样品扫描模块都需要对待表征的三维打印水凝胶支架进行整体的横截面快速扫描。

3.如权利要求2所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述的扫频OCT成像系统采用宽带扫频光源，干涉信号探测模块采用光电平衡探测器，其中宽带扫频光源的扫频范围要求在80nm～220nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

4.如权利要求3所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述的宽带扫频光源的扫频范围要求在100nm～140nm，以确保轴向成像分辨率和系统谱宽匹配的平衡。

5.如权利要求2所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述的谱域OCT成像系统采用宽带连续光源，干涉信号探测模块采用高速线阵光谱探测器。

6.如权利要求1所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述的高速物镜前扫描模块包括光纤准直器、二维高速扫描振镜、扫描物镜；低相干干涉模块发出的探测光由光纤进入高速物镜前扫描模块的光纤准直器，二维高速扫描振镜输出的光经扫描物镜进行聚焦后进入放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架。

7.如权利要求1所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述样品扫描模块是将高速物镜前扫描模块通过夹持装置直接安装在二维电机运动模块上，两者组合为一个整体探头，而样品台独立，仅负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节。

8.如权利要求1所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述样品扫描模块是将高速物镜前扫描模块与二维电机运动模块分离，二维电机运动模块与样品台整合，样品台需方便支架专用培养皿的固定和更换，且负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节。

9.如权利要求1所述的一种三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，其特征在于所述的打印参数可控的生物三维打印设备主要包括打印主机、中心控制模块、打印喷头、X/Y/Z三轴运动模块、打印成型平台；打印主机负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块负责接收加工指令以及图像采集分析模块反馈信息，并对X/Y/Z三轴运动模块进行运动控制，和对打印喷头进行挤出气压的调节/开闭。