一种细胞3D打印系统及打印方法与流程

本发明涉及生物组织工程技术领域，更具体地，涉及一种细胞3d打印系统及打印方法。

背景技术：

组织工程是融合工程学、生命科学和材料科学等学科，通过模仿人体组织器官形成的过程在体外构建和培养具有生物活性的结构体。这其中，3d打印技术因为其可使用多种材料成型任何复杂的三维结构，成为组织工程领域最有力的研究手段。3d打印技术的原理就是分层制造，层层累积。传统的细胞打印喷头就是将细胞与生物材料混合后并挤出形成一条丝线状，在多次往复形成面，面的堆积继而形成相应的三维结构。这其中典型的喷头就是电机助推式喷头。

图1是传统的电机助推式喷头三维结构剖分示意图，直线步进电机固定在运动装置支架上，螺杆在直线步进电机的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴挤出，加热棒和隔热外套安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。

图2是传统电机助推式喷头挤出效果，图3是传统喷头挤出材料横截面示意图，从图中可以看到细胞是被包括在生物材料中挤出，多个细胞被同时挤出，并且细胞在其中的位置是随机不可控的。细胞在挤出过程中没有保护，受到喷嘴内径产生的剪切力的影响，会导致细胞膜破裂死亡等现象产生，大大降低了细胞的活性。

因此，此种设计虽然简单可靠，但是也有以下不足之处：1)成型精度不高无法实现针对单细胞的喷射，传统打印喷头最小的内径是150μm左右远远大于细胞直径10μm的尺寸，会同时将多个细胞挤出，细胞在成型体中的位置是随机不可控的；2)在挤出时细胞会受到喷嘴内部产生的剪切力的影响，使得细胞活性受到损伤；3)挤出的速率较低，成型的效率不高。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种细胞3d打印系统。该3d打印系统结构简单，使用方便。可以减少打印过程对细胞活性可能造成的损伤，进一步地，可以实现单细胞3d打印，并提高成型的灵活性和成型效率。

本发明的另一个目的是提供一种细胞3d打印方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种细胞3d打印系统，其中，包括恒温舱以及设在所述恒温舱内的料筒，所述恒温舱底部设有喷嘴系统，所述料筒与所述喷嘴系统连通，所述喷嘴系统上设有用于喷嘴系统喷出细胞时，在喷嘴系统和细胞之间形成气流保护层的气流发生装置。细胞悬浮液盛装在料筒中，恒温舱能够给细胞悬浮液提供一个恒温环境，避免因外界环境因素变化而造成细胞活性损伤；料筒中的少部分细胞悬浮液进入到喷嘴系统，并从喷嘴系统中以包含细胞的液滴形式喷出，最终在底板上排列出相应的形状，喷嘴系统在喷出包含细胞的液滴时，气流发生装置在包含细胞的液滴和喷嘴系统的喷嘴内壁之间生成一层气流保护层，起到了保护作用，减小包含细胞的液滴与喷嘴系统的喷嘴内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率。

进一步的，所述喷嘴系统包括内喷嘴、外喷嘴以及设在所述内喷嘴后端用于挤出包含细胞的液滴的驱动装置，所述外喷嘴套设在所述内喷嘴的前端，喷射的细胞从喷嘴喷出的一端为喷嘴的前端，外喷嘴内壁与内喷嘴外壁之间间隔一定距离；所述气流发生装置包括设在所述外喷嘴后端外壁上的进气管，以及相对设置在所述外喷嘴前端外壁上的导气管，所述导气管向着所述外喷嘴的前端倾斜，导气管的中心轴线与外喷嘴的中心轴线之间的夹角为30~60°，优选的，所述导气管的中心轴线与外喷嘴的中心轴线之间的夹角为45°。内喷嘴的作用是喷射出包含细胞的液滴，在外喷嘴的进气管上通入高压气体，并在外喷嘴的导气管上施加抽吸力，这样内喷嘴和外喷嘴中间就形成了稳定向下喷射的气流，当包含单细胞的液滴喷射到外喷嘴时，包含细胞的液滴与外喷嘴内壁之间就有一层气垫，起到了保护作用，减小包含细胞的液滴与外喷嘴内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率，气体顺着外喷嘴的内壁喷射到外喷嘴的前端时，绝大部分气流就会由位于外喷嘴前端的导气管排出，避免影响从外喷嘴喷射出来的包含细胞的液滴的运动方向。导气管向着所述外喷嘴的前端倾斜可以保证绝大部分气流被导气管抽吸排出。

进一步的，所述料筒与所述喷嘴系统通过管道连接，料筒与所述喷嘴系统之间的管道上设有单向阀。料筒中的细胞悬浮液，极小部分经由单向阀后进入内喷嘴，单向阀可以防止细胞悬浮液回流。

进一步的，所述内喷嘴的内径大于单个细胞的直径，且小于150μm，优选的，所述内喷嘴的内径为20~90μm，外喷嘴的内径为100~200μm。这样，内喷嘴的内径稍大于细胞的直径10μm，远小于传统3d打印喷头的最小内径150μm，以保证驱动装置驱动内喷嘴喷出的包含细胞的液滴中只包含一个单细胞，从而实现单细胞的3d打印。

进一步的，所述驱动装置包括设在所述内喷嘴后端的驱动膜片、前端与所述驱动膜片紧贴的推杆以及连接在所述推杆后端的压电陶瓷。压电陶瓷在脉冲电压的刺激下变形，推动下方的推杆，进而推动驱动膜片变形，驱动膜片向下变形，内喷嘴内部的体积变小压力增大进而挤出一个包含细胞的液滴；挤出液滴时单向阀关闭，液滴从内喷嘴挤出，当压电陶瓷往回收缩带动驱动膜片向上变形时，内喷嘴内部压力减小，单向阀打开，贮存在料筒中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴，完成一个循环。压电陶瓷在脉冲电压的控制下可控的变形进而推动液滴一个个的喷出。

进一步的，所述外喷嘴的下方依次设有用于使从所述外喷嘴喷出的细胞带上电荷的极化电场，以及用于控制带上电荷的细胞在底板上排列出相应形状的偏转电场。喷嘴系统喷出的细胞在极化电场的作用下带上电荷，然后经偏转电场的控制在底板上排列出相应的形状。

本发明还提供一种细胞3d打印方法，更具体地，是一种单细胞3d打印方法，采用上述细胞3d打印系统进行，包括以下步骤：

s1.选择需要的细胞和生物材料，按照合适的比例配比，制成细胞悬浮液，装入料筒备用；

s2.开启恒温舱、极化电场和偏转电场，向进气管通入高压气体，并在导气管上施加抽吸力，使得内喷嘴和外喷嘴中间形成稳定向下喷射的气流；

s3.料筒中的细胞悬浮液，经单向阀进入内喷嘴，启动驱动装置，将细胞悬浮液以一个个液滴微球的形式从内喷嘴挤出进入外喷嘴，然后从外喷嘴喷出；

s4.从外喷嘴喷出包含细胞的液滴微球进入极化电场，包含细胞的液滴微球在极化电场的作用下带上电荷；

s5.带上电荷的包含细胞的液滴微球进入偏转电场，在偏转电场的控制下，在底板上排列出相应的形状。

进一步的，步骤s1中，所述细胞为脂肪干细胞、骨髓充间质干细胞、心肌细胞、雪旺细胞、肝细胞和癌细胞等中的任意一种。步骤s1中，所述生物材料为纤维蛋白原、胶原、明胶、丝素、藻酸盐、透明质酸和壳聚糖等中的任意一种或两种以上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的细胞3d打印系统在喷嘴系统上增加了气流保护，使得包含细胞的液滴与喷嘴内壁之间形成一层气垫，减弱甚至是消除了细胞受到的剪切力的不利影响，大大提高了细胞存活率。本发明提供的细胞3d打印系统的内喷嘴和外喷嘴的内径都较小，提高了细胞成型精度，实现针对单细胞的3d打印。传统打印喷头因为喷嘴内径较大，是多个细胞同时的被挤出，并且细胞在挤出材料中的位置是随机不可控的。同时，本发明的3d打印系统使用压电陶瓷来驱动喷射单细胞，再加上电场来控制细胞的排布，全电子化控制，成型效率高。

附图说明

图1是传统电机助推式喷头三维结构剖分示意图。

图2是传统电机助推式喷头挤出材料效果图。

图3是传统电机助推式喷头挤出材料横截面示意图。

图4是本发明的整体结构示意图。

图中：201—螺杆；202—直线步进电机；203—加热棒；204—隔热外套；205—喷嘴；401—细胞；402—生物材料；1—恒温舱；2—料筒；3—内喷嘴；4—外喷嘴；5—进气管；6—导气管；7—单向阀；8—驱动膜片；9—推杆；10—压电陶瓷；11—极化电场；12—偏转电场。

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；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；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。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图4所示，一种细胞3d打印系统，其中，包括恒温舱1以及设在恒温舱1内的料筒2，恒温舱1底部设有喷嘴系统，料筒2与喷嘴系统连通，喷嘴系统上设有用于喷嘴系统喷出细胞时，在喷嘴系统和细胞之间形成气流保护层的气流发生装置。细胞悬浮液盛装在料筒2中，恒温舱1能够给细胞悬浮液提供一个恒温环境，避免因外界环境因素变化而造成细胞活性损伤；料筒2中的少部分细胞悬浮液进入到喷嘴系统，并从喷嘴系统中以包含细胞的液滴的形式喷出，最终在底板上排列出相应的形状，喷嘴系统在喷出包含细胞的液滴时，气流发生装置在包含细胞的液滴和喷嘴系统的喷嘴内壁之间生成一层气流保护层，起到了保护作用，减小包含细胞的液滴与喷嘴系统的喷嘴内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率。

如图4所示，喷嘴系统包括内喷嘴3、外喷嘴4以及设在所述内喷嘴3后端用于挤出包含细胞的液滴的驱动装置，外喷嘴4套设在内喷嘴3的前端，外喷嘴4内壁与内喷嘴3外壁之间间隔一定距离；气流发生装置包括设在外喷嘴4后端外壁上的进气管5，以及相对设置在外喷嘴4前端外壁上的导气管6，导气管6向着外喷嘴4的前端倾斜，导气管6的中心轴线与外喷嘴4的中心轴线之间的夹角为45°。内喷嘴3的作用是喷射出包含细胞的液滴，在外喷嘴4的进气管5上通入高压气体，并在外喷嘴4的导气管6上施加抽吸力，这样内喷嘴3和外喷嘴4中间就形成了稳定向下喷射的气流，当包含细胞的液滴喷射到外喷嘴4时，包含细胞的液滴与外喷嘴4内壁之间就有一层气垫，起到了保护作用，减小包含细胞的液滴与外喷嘴4内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率，气体顺着外喷嘴4的内壁喷射到外喷嘴4的前端时，绝大部分气流就会由位于外喷嘴4前端的导气管6排出，避免影响从外喷嘴4喷射出来的包含细胞的液滴的运动方向。导气管6向着外喷嘴4的前端倾斜可以保证绝大部分气流被导气管6抽吸排出。

如图4所示，料筒2与喷嘴系统通过管道连接，料筒2与喷嘴系统之间的管道上设有单向阀7。料筒2中的细胞悬浮液，极小部分经由单向阀7后进入内喷嘴3，单向阀7可以防止细胞悬浮液回流。

本实施例中，内喷嘴3的内径为20~90μm，外喷嘴4的内径为100~200μm。这样，内喷嘴3的内径稍大于细胞的直径10μm，远小于传统3d打印喷头的最小内径150μm，以保证驱动装置驱动内喷嘴3喷出的包含细胞的液滴中只包含一个单细胞，从而实现单细胞的3d打印。

如图4所示，驱动装置包括设在内喷嘴3后端的驱动膜片8、前端与驱动膜片8紧贴的推杆9以及连接在推杆9后端的压电陶瓷10。压电陶瓷10在脉冲电压的刺激下变形，推动下方的推杆9，进而推动驱动膜片8变形，驱动膜片8向下变形，内喷嘴3内部的体积变小压力增大进而挤出一个包含细胞的液滴。挤出液滴时单向阀7关闭，液滴从内喷嘴3挤出，当压电陶瓷10往回收缩带动驱动膜片8向上变形时，内喷嘴3内部压力减小，单向阀7打开，贮存在料筒2中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴3，完成一个循环。压电陶瓷10在脉冲电压的控制下可控的变形进而推动液滴一个个的喷出。

如图4所示，外喷嘴4的下方依次设有用于使从外喷嘴4喷出的细胞带上电荷的极化电场11，以及用于控制带上电荷的细胞在底板上排列出相应形状的偏转电场12。喷嘴系统喷出的细胞在极化电场11的作用下带上电荷，然后经偏转电场12的控制在底板上排列出相应的形状。

实施例2

本实施例为实施例1所述的单细胞3d打印系统的打印方法，其中，包括以下步骤：

s1.选择脂肪干细胞和纤维蛋白原溶液，其中，纤维蛋白原溶液是将纤维蛋白原粉末溶于dmem溶液中，质量浓度为0.1%（w/v），将脂肪干细胞混合到纤维蛋白原溶液中，密度为1×10⁶个/ml，向其中加入内皮细胞生长因子（50ng/ml），制成细胞悬浮液，装入料筒2备用；

s2.开启恒温舱1、极化电场11和偏转电场12，向进气管5通入高压气体，并在导气管6上施加抽吸力，使得内喷嘴3和外喷嘴4中间形成稳定向下喷射的气流；

s3.料筒2中的细胞悬浮液，经单向阀7进入内喷嘴3，启动驱动装置，将细胞悬浮液以一个个液滴微球的形式从内喷嘴3挤出进入外喷嘴4，然后从外喷嘴4喷出；

s4.从外喷嘴4喷出包含细胞的液滴微球进入极化电场11，包含细胞的液滴微球在极化电场11的作用下带上电荷；

s5.带上电荷的包含细胞的液滴微球进入偏转电场12，在偏转电场12的控制下，在底板上排列出相应的形状。

当然，本实施例使用的细胞还可以是骨髓充间质干细胞、心肌细胞、雪旺细胞、肝细胞和癌细胞等种类，生物天然高分子材料也可使用胶原、明胶、丝素、藻酸盐、透明质酸和壳聚糖等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。