CN206822742U - 高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置，属于生物增材制造技术领域。三轴运动平台安装在横向运动轴的正下方，多喷头组件安装在横向运动轴上；通过压电式驱动和超声波辅助技术喷射多材料多细胞，并采用微米级喷嘴和超声波喷头装置结合超声波防堵方法，实现细胞外部水凝胶向溶胶状转化，使细胞通过微米级喷嘴精确定位沉积，实现多材料、多细胞、高活性精确打印复杂结构器官。本实用新型避免了传统细胞打印机为防止喷头堵塞通过扩大喷嘴直径而造成打印精度降低，克服了多细胞多材料复合打印和单细胞精确打印的限制，解决了多细胞多材料打印过程中细胞存活率低等问题，实现复杂生物器官组织的三维成形一体化打印。

Description

高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置

技术领域

本实用新型涉及生物增材制造技术领域，具体涉及多材料多细胞增材制造的三维器官增材制造的装置。

背景技术

器官打印以干细胞分化制成的生物墨水为原材料利用增材制造原理制造出器官的生物打印方法。器官是由错综复杂的血管网络、组织、肌肉、神经等组成，要求打印机必须要具备多材料多细胞打印的能力；器官本身具有紧密的组织，大量的毛细血管，导致细胞间间距很小，要求打印机能够高精度沉积细胞和精确打印生物材料；细胞打印过程中，一般会减小喷头喷嘴直径满足对细胞的精确定位，容易喷嘴发生堵塞，因此要求打印机具有防堵塞装置或方法。

目前，器官打印机主要是采用大喷头大喷嘴小细胞组织打印，所喷射的液滴体积较大，无法保证一次喷射所打印细胞数量，导致细胞打印混乱，组织生成交叉严重，无法按照预定的空间生成相应组织；这类打印机为了保证打印精度，打印速度一般都较低，无法及时供给细胞养分，细胞存活率不高；同时，这类打印机没有考虑器官打印完成以后养分供给类血管结构的设计，细胞存活率不高。

发明内容

本实用新型提供一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置，以解决器官打印过程中存在的细胞定位不精确、成活率低、喷头堵塞、打印效率低的问题。

本实用新型采取的技术方案是：三轴运动平台安装在横向运动轴的正下方，多喷头组件安装在横向运动轴上；所述多喷头组件的结构是：直线导轨三通过直线导轨三螺钉孔安装在喷头组件安装板上，液压缸安装板安装在喷头组件底板上，血管喷头安装在喷头固定圈上，微米级针头与针筒连接，超声波换能器安装在针筒上，针筒与阶梯形喷头连接，压电陶瓷棒安装在阶梯形喷头上，压缩空气入口管通过无菌压缩过滤网管道安装在阶梯形储料室上，进液管安装在阶梯形储料室的一侧，阶梯形储料室通过防震软管与阶梯形喷头相连，阶梯形喷头安装在喷头固定圈上，阶梯形储料室安装在储料室固定圈上，储料室固定圈通过储料室固定圈连接螺钉固定在导轨滑块三上，喷头固定圈通过喷头固定圈连接螺钉固定在连接板二上，液压缸通过液压缸推杆连接在连接板二上，连接板二两端分别连接导轨滑块三，超声波换能器通过电源线与超声波电源相连，圆形隔膜放置在阶梯形喷头的内部，无菌压缩过滤网放置在无菌压缩过滤网管道内，电磁开关阀一放置在进液管上，电磁开关阀二放置在防震软管上，供料室通过供料管与进液管相连。

本实用新型所述三轴运动平台的结构是：Z轴丝杠块通过导柱一和高精密丝杠一安装在三轴运动平台基座上，高精密丝杠一通过三轴运动平台基座与伺服电机三相连，三轴运动平台基座顶板上开有喷头入口，Z轴平台通过Z轴平台安装座安装在Z轴丝杠块上，器官培养器皿通过基板安装在基板安装板上，基板安装板通过导柱二和高精密丝杠二安装在伺服电机一上，伺服电机一通过伺服电机一安装座安装在伺服电机一安装板上，伺服电机一安装板通过，伺服电机一安装座安装在导轨滑块一上，导轨滑块一通过直线导轨一安装在Z轴平台上，导轨滑块一通过连接板一与丝杠螺母相连，丝杠螺母通过高精密丝杠三与伺服电机二相连，伺服电机二通过伺服电机二安装板安装在Z轴平台上，伺服电机二安装板通过伺服电机二安装座紧固在Z轴平台上；

本实用新型所述横向运动轴的结构是：支架安装在底座上，直线导轨二通过螺钉固定在支架上，高精密丝杠四两端分别连接在伺服电机四和高精密丝杠四安装板上，伺服电机四年通过伺服电机四安装板安装在支架上，伺服电机四安装板通过伺服电机四安装座安装在支架上，喷头组件安装座上开有喷头组件安装孔，喷头组件安装座通过导轨滑块二安装在直线导轨二上；

本实用新型所述血管喷头的结构是：中芯轴安装在阶梯形血管喷头内部顶板上，与圆柱形喷头形成同轴心血管打印组件，电磁开关阀三安装在防震软管二上，电磁开关阀四安装在进液管二上，压缩空气入口管二通过安装在无菌压缩过滤网管道二内部的无菌压缩过滤网二连接在阶梯形储料室二上，供料室二通过供料管二与进液管二相连；

本实用新型所述微米级针头306的内径为9μm-120μm。

本实用新型具有以下优点：

采用压电和超声波辅助复合驱动喷头调控装置，可以增加细胞膜的通透性和增加细胞的活力，打印细胞存活率更高，低强度超声波还可以将当前包裹细胞的水凝胶由凝胶状态向溶胶状态不完全转变，等脱离喷头喷嘴以后又恢复到原来的凝胶状态，起到支撑细胞的作用，有效地调节了细胞生物材料打印过程中由于细胞外部水凝胶粘度高或凝固程度高而导致的喷头喷嘴堵塞的问题，喷头喷嘴堵塞概率降低了35％。

采用多喷头打印方法，降低了喷头喷嘴堵塞概率后，采用更加微小的9微米喷头喷嘴，打印液滴为几皮升，可以有效避免器官打印过程中由于细胞沉积混乱导致生成的组织交叉严重和血管路径混乱的现象，可以将细胞高精度沉积到指定的器官空间中。

采用了阶梯形血管喷头组件，有效解决了后期器官培养的养料供应通道，可以提高细胞的存活率，使器官打印成活率更大，同时采用固定圈夹具装置，可以方便地装卸喷头及储料室，易于超声波上下振动，互换性高，方便装夹，可以继续扩充集成喷头的数量，易于实现多种器官的打印需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2a是本实用新型三轴运动平台的结构示意图；

图2b是本实用新型三轴运动平台的仰视图；

图2c是本实用新型三轴运动平台爆炸图；

图3是本实用新型横向运动轴组件的结构示意图；

图4a是本实用新型多喷头组件的结构示意图；

图4b是本实用新型多喷头组件中单喷头驱动装置结构示意图；

图4c是本实用新型单喷头装置图；

图4e是本实用新型单喷头夹具图；

图4f是本实用新型阶梯形多喷头原理图；

图4g是本实用新型血管喷头原理图；

图中：1三轴运动平台；2横向运动轴；3多喷头组件；101三轴运动平台基座；102 Z轴平台；103伺服电机一；104器官培养器皿；105喷头入口；106导柱一；107高精密丝杠一；108伺服电机二；109 Z轴丝杠块；110伺服电机三；111导轨滑块一；112伺服电机二安装座；113伺服电机二安装板；114伺服电机一安装座；115伺服电机一安装板；116连接板一；117丝杠螺母；118基板；119基板安装板；120高精密丝杠二；121导柱二；122高精密丝杠三；123 Z轴平台安装座；124直线导轨一；201底座；202支架；203直线导轨二；204伺服电机四；205伺服电机四安装座；206伺服电机四安装板；207导轨滑块二；208喷头组件安装座；209喷头组件安装孔；210高精密丝杠四安装板；211高精密丝杠四；301直线导轨三；302直线导轨三螺钉孔；303液压缸安装板；304血管喷头；305喷头组件底板；306微米级针头；307针筒；308阶梯形喷头；309压电陶瓷棒；310压缩空气入口管一；311无菌压缩过滤网管道一；312进液管一；313阶梯形储料室一；314防震软管一；315超声波换能器；316连接板二；317喷头固定圈连接螺钉；318液压缸推杆；319液压缸；320喷头固定圈；321储料室固定圈连接螺钉；322储料室固定圈；323导轨滑块三；324电源线；325超声波电源；326圆形隔膜；327无菌压缩过滤网一；328电磁开关阀一；329供料室一；330供料管一；331电磁开关阀二；30401中芯轴；30402阶梯形血管喷头；30403电磁开关阀三；30404压缩空气入口管二；30405无菌压缩过滤网二；30406无菌压缩过滤网管道二；30407电磁开关阀四；30408供料室二；30409供料管二；30410进液管二；30411阶梯形储料室二；30412防震软管二。

具体实施方式

三轴运动平台1安装在横向运动轴2的正下方，多喷头组件3安装在横向运动轴2上；所述多喷头组件3的结构是：直线导轨三301通过直线导轨三螺钉孔302安装在喷头组件安装板305上，液压缸安装板303安装在喷头组件底板305上，血管喷头304安装在喷头固定圈320上，微米级针头306与针筒307连接，超声波换能器315安装在针筒307上，针筒307与阶梯形喷头308连接，压电陶瓷棒309安装在阶梯形喷头308上，压缩空气入口管310通过无菌压缩过滤网管道311安装在阶梯形储料室313上，进液管312安装在阶梯形储料室313的一侧，阶梯形储料室313通过防震软管314与阶梯形喷头308相连，阶梯形喷头308安装在喷头固定圈320上，阶梯形储料室313安装在储料室固定圈322上，储料室固定圈322通过储料室固定圈连接螺钉321固定在导轨滑块三323上，喷头固定圈320通过喷头固定圈连接螺钉317固定在连接板二316上，液压缸319通过液压缸推杆318连接在连接板二316上，连接板二316两端分别连接导轨滑块三323，超声波换能器315通过电源线324与超声波电源325相连，圆形隔膜326放置在阶梯形喷头308的内部，无菌压缩过滤网327放置在无菌压缩过滤网管道311内，电磁开关阀一328放置在进液管312上，电磁开关阀二331放置在防震软管314上，供料室329通过330供料管与进液管相连；

所述三轴运动平台1的结构是：Z轴丝杠块109通过导柱一106和高精密丝杠一107安装在三轴运动平台基座101上，高精密丝杠一107通过三轴运动平台基座101与伺服电机三110相连，三轴运动平台基座顶板上开有喷头入口105，Z轴平台通过Z轴平台安装座123安装在Z轴丝杠块上，器官培养器皿104通过基板118安装在基板安装板119上，基板安装板119通过导柱二121和高精密丝杠二120安装在伺服电机一103上，伺服电机一103通过伺服电机一安装座114安装在伺服电机一安装板上，伺服电机一安装板115通过，伺服电机一安装座114安装在导轨滑块一111上，导轨滑块一111通过直线导轨一124安装在Z轴平台102上，导轨滑块一111通过连接板一116与丝杠螺母117相连，丝杠螺母117通过高精密丝杠三122与伺服电机二108相连，伺服电机二108通过伺服电机二安装板113安装在Z轴平台102上，伺服电机二安装板113通过伺服电机二安装座112紧固在Z轴平台上；

所述横向运动轴的结构是：支架202安装在底座201上，直线导轨二203通过螺钉固定在支架202上，高精密丝杠四211两端分别连接在伺服电机四204和高精密丝杠四安装板210上，伺服电机四204年通过伺服电机四安装板206安装在支架202上，伺服电机四安装板206通过伺服电机四安装座205安装在支架202上，喷头组件安装座208上开有喷头组件安装孔209，喷头组件安装座208通过导轨滑块二207安装在直线导轨二203上；

所述血管喷头304的结构是：中芯轴30401安装在阶梯形血管喷头30402内部顶板上，与圆柱形喷头30402形成同轴心血管打印组件，电磁开关阀三30403安装在防震软管二30412上，电磁开关阀四30407安装在进液管二30410上，压缩空气入口管二30404通过安装在无菌压缩过滤网管道二30406内部的无菌压缩过滤网二30405连接在阶梯形储料室二30411上，供料室二30408通过供料管二30409与进液管二30410相连；

所述微米级针头306的内径为9μm-120μm。

工作原理：

开始打印前，将打印装置放入消毒柜或者灭菌箱15min，最后放入无菌试验室或者无菌试验箱等待打印；

打开电磁开关阀一328并关闭电磁开关阀二331，将含有各种细胞生物材料的供料室一329在气动装置的驱动下通过供料管一330和开通的进液管一312进入到各个阶梯形储料室一313，到阶梯形储料室一313被填充到2/3位置时，关闭电磁开关阀一328停止供料；打开电磁开关阀四30407并关闭电磁开关阀三30403，将含有经过改性的高强度复合水凝胶的供料室二30408在气动装置的驱动下通过供料管二30409和开通的进液管二30410进入到阶梯形储料室二30411，到阶梯形储料室二30411被填充到2/3位置时，关闭电磁开关阀四30407停止供料；

基板上放置一个已经打印好的具有80％孔隙率的聚乙烯(PE)器官底座，所述底座根据器官底部尺寸定制，易于打印过程中器官底部细胞对养分的吸收；

获取待打印生物器官的三维模型，再将所述三维模型分成若干二维层面，再切片分层为STL格式文件，然后将所述二维层面数据导入到Labview上位机控制程序中，控制程序根据二维层面数据控制装有光栅尺的三轴运动平台1，以及各个喷头的驱动装置和储料室的气动装置；

Labview上位机程序根据二维层面数据控制阶梯形喷头移动到喷头入口105上方，然后液压缸319推动连接板二316带动分别安装在喷头固定圈320和储料室固定圈322上的阶梯形喷头308和阶梯形储料室一313向下运动，当阶梯形喷头喷嘴到达指定位置后，液压缸319停止推进，伺服电机三110旋转运动转化成高精密丝杠一107带动Z轴平台的直线运动，上升一定高度，到阶梯形喷头喷嘴与器官培养器皿104底部保持1mm高度时，通过光栅尺的反馈信号，Labview上位机处理，停止伺服电机三110转动；

开始打印第一层，打开电磁开关阀二331，气动装置对阶梯形储料室一314施加瞬时压力，压力值为0.6mpa，压力时间为980ms，液滴体积为45皮升，阶梯形储料室一314内的生物溶液通过防震软管一314流向阶梯形喷头308内，开启超声波电源325，对喷头施加强度20mw/cm²，频率200KHz的超声波，同时开启各个阶梯形喷头308压电驱动装置对阶梯形喷头308施加压力，开启阶梯形储料室二30411的气动装置，Labview上位机程序接收到打印信号以后，压电驱动装置和超声辅助装置对阶梯形喷头308施加高频驱动力，喷射液滴仅为8—10皮升，然后由PMAC运动控制卡控制安装有光栅尺的三轴运动平台1运动，低强度超声波可以破坏挤压聚集的细胞，使其分散，完成喷射单个细胞，第一层完成后，开始下一层打印，伺服电机三110旋转运动转化成高精密丝杠一107带动Z轴平台的直线运动，下降一个层厚，开始下一层的打印；

当需要打印血管时，Labview上位机程序根据二维层面数据控制关闭电磁开关阀二331，当前阶梯形喷头308在液压缸319的控制下向上运动，然后由PMAC运动控制卡控制伺服电机四205旋转运动带动多喷头组件3移动，到血管喷头304到达喷头入口105正上方时停止运动，然后液压缸319推动连接板二316带动分别安装在喷头固定圈320和储料室固定圈322上的阶梯形血管喷头30402和阶梯形储料室二30411向下运动，开启电磁开关阀三30403和阶梯形储料室二30411上的气动装置，气动装置对阶梯形储料室二30411施加持续压力0.3mpa，水凝胶通过防震软管二30412流向阶梯形血管喷头30402，由于阶梯形血管喷头30402封闭，在阶梯形储料室二30411的继续施加压力下阶梯形血管喷头30402喷射出中空的类血管结构，为后期器官培养提供养料通道；

重复相关步骤，直至所有二维层面打印完成为止，获得生物器官。

Claims (5)

1.一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置，其特征在于：三轴运动平台安装在横向运动轴的正下方，多喷头组件安装在横向运动轴上；所述多喷头组件的结构是：直线导轨三通过直线导轨三螺钉孔安装在喷头组件安装板上，液压缸安装板安装在喷头组件底板上，血管喷头安装在喷头固定圈上，微米级针头与针筒连接，超声波换能器安装在针筒上，针筒与阶梯形喷头连接，压电陶瓷棒安装在阶梯形喷头上，压缩空气入口管通过无菌压缩过滤网管道安装在阶梯形储料室上，进液管安装在阶梯形储料室的一侧，阶梯形储料室通过防震软管与阶梯形喷头相连，阶梯形喷头安装在喷头固定圈上，阶梯形储料室安装在储料室固定圈上，储料室固定圈通过储料室固定圈连接螺钉固定在导轨滑块三上，喷头固定圈通过喷头固定圈连接螺钉固定在连接板二上，液压缸通过液压缸推杆连接在连接板二上，连接板二两端分别连接导轨滑块三，超声波换能器通过电源线与超声波电源相连，圆形隔膜放置在阶梯形喷头的内部，无菌压缩过滤网放置在无菌压缩过滤网管道内，电磁开关阀一放置在进液管上，电磁开关阀二放置在防震软管上，供料室通过供料管与进液管相连。

2.根据权利要求1所述的一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置,其特征在于，所述三轴运动平台的结构是：Z轴丝杠块通过导柱一和高精密丝杠一安装在三轴运动平台基座上，高精密丝杠一通过三轴运动平台基座与伺服电机三相连，三轴运动平台基座顶板上开有喷头入口，Z轴平台通过Z轴平台安装座安装在Z轴丝杠块上，器官培养器皿通过基板安装在基板安装板上，基板安装板通过导柱二和高精密丝杠二安装在伺服电机一上，伺服电机一通过伺服电机一安装座安装在伺服电机一安装板上，伺服电机一安装板通过，伺服电机一安装座安装在导轨滑块一上，导轨滑块一通过直线导轨一安装在Z轴平台上，导轨滑块一通过连接板一与丝杠螺母相连，丝杠螺母通过高精密丝杠三与伺服电机二相连，伺服电机二通过伺服电机二安装板安装在Z轴平台上，伺服电机二安装板通过伺服电机二安装座紧固在Z轴平台上。

3.根据权利要求1中所述的一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置,其特征在于，所述横向运动轴的结构是：支架安装在底座上，直线导轨二通过螺钉固定在支架上，高精密丝杠四两端分别连接在伺服电机四和高精密丝杠四安装板上，伺服电机四年通过伺服电机四安装板安装在支架上，伺服电机四安装板通过伺服电机四安装座安装在支架上，喷头组件安装座上开有喷头组件安装孔，喷头组件安装座通过导轨滑块二安装在直线导轨二上。

4.根据权利要求1所述的一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置,其特征在于，所述血管喷头的结构是：中芯轴安装在阶梯形血管喷头内部顶板上，与圆柱形喷头形成同轴心血管打印组件，电磁开关阀三安装在防震软管二上，电磁开关阀四安装在进液管二上，压缩空气入口管二通过安装在无菌压缩过滤网管道二内部的无菌压缩过滤网二连接在阶梯形储料室二上，供料室二通过供料管二与进液管二相连。

5.根据权利要求1中所述的一种高精度超声防堵多细胞生物增材制造装置，其特征在于，所述微米级针头的内径为9μm-120μm。