一种用于细胞喷雾打印接种的喷雾装置的制作方法

本实用新型涉及组织工程领域，具体涉及一种用于细胞喷雾打印接种的喷雾装置。

背景技术：

组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。然而，在进行组织工程的构建时，如何使细胞在不同形状的组织器官内均匀分布和实现多种细胞的特异性分层构建成为了一个急需克服的问题，例如相对于皮肤组织工程等趋向平面的组织结构表面的细胞接种而言，曲率或管道结构，诸如角膜、气管、食管、尿管、输尿管、血管等，的内外表面细胞在进行细胞接种时由于其结构特异性和重力作用很难实现均匀接种及多种细胞的特异性分层构建。

目前采用3D打印方法实现含细胞的管状结构制造已经有较多的文献报道，其打印方法包括采用喷墨式、激光激发式以及挤出式。采用基于喷墨、激光直写的细胞打印可实现多细胞的可控沉积。基于挤出原理构造的管状结构主要目的是用于构造实体结构的营养通道，无法实现血管机理探讨所需的动态加载。

真实的血管结构是由内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞组成，现有文献报道的3D打印方法制造出的血管结构大部分是单层凝胶结构，且强度无法满足后续血管细胞力学的研究。目前的含通道的组织器官仿生结构虽有采用管道结构来模拟体内的复杂血管的示例，但这些管道都很难在微观层面形成可控的单层或多层细胞层状结构，清华大学器官制造中心利用3D打印技术和旋转组合模具法成功制备出具有通道的血管化器官前体，但现有技术上不能在管状结构内壁上进行细胞的灌注和定植。为了解决这一难题，许多研究机构为此进行了一系列的方法研究，例如申请号为201410535181.8的中国实用新型专利利用多喷头3D打印法结合多内芯旋转组合模具法为基础，采用外加电场的作用，在微观尺度上控制微流体的管道中单层细胞的附着和定向排列，以此来制备更加贴近人体组织或器官的仿生结构。然而，由于电场力对细胞的活力及功能具有一定的影响，且仅适用于管道结构而不适用于非管道的曲率结构的组织工程构建，从而限制了其使用。

哈佛大学Wyss 研究所的研究小组进行3D 打印含血管组织，将含有细胞外基质（明胶-纤维蛋白胶）和活细胞的特殊打印墨水以丝状按预定的位置和形状大小打印在3D打印组织中，由于明胶的液态-固态的状态受温度控制，由此可以通过温度变化控制打印墨水为凝胶态（4℃）及不同硬度的固态（(70–95℃）。这样在打印的组织中，特殊打印墨水所在的位置就会形成管腔结构，然后再在管腔位置注入内皮细胞，从而使细胞在管腔位置重新长成血管结构，然而以这种方式注入的内皮细胞在管腔中的分布是不均匀的，从而导致其功能的部分缺失，因而不能很好地模拟正常人体内正常的血管结构。

现有技术还公开了一种结合3D生物打印和静电纺丝复合技术制造的脑微血管模型，该方案在一定程度上解决了现有技术存在的部分问题，然而因其操作复杂，技术要求高，且仅局限于脑微血管模型的组织工程构建，而诸如角膜、气管、食管、尿管、输尿管、血管等组织的内外表面的细胞组织工程的分层构建问题尚未能很好地解决。

技术实现要素：

为克服现有的技术至少其中一个缺陷，本实用新型提供了一种采用细胞喷雾打印接种的方法进行细胞接种的喷雾装置，不仅可以实现均匀接种高活力细胞，还可以形成可控的单层或多层细胞层状结构，实现多种细胞的特异性分层接种。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种用于细胞喷雾打印接种的喷雾装置，包括喷雾系统和旋转载物台；所述旋转载物台用于承载生物载体，所述喷雾系统用于形成细胞喷雾，对所述旋转载物台上的生物载体进行细胞喷雾打印接种；所述旋转载物台包括载体支架和电机，所述电机能控制所述载体支架进行匀速运动。

本实用新型提供了一种给生物载体进行细胞接种的喷雾装置，通过喷雾系统得到均匀的细胞喷雾，使得细胞喷雾均匀的附着于生物载体的打印表面。本实用新型采用喷雾打印的方式可打印出具有高活性的细胞，且由于细胞在生物载体上分布均匀，促使打印细胞迅速贴壁、生长。通过喷雾打印的方式进行细胞接种，只需更换喷雾系统所采用的细胞悬液，并在每次打印后进行常规培养，待细胞牢固贴壁后在打印下一层即可，适用于多种细胞的特异性分层接种，可以快速实现生物载体的组织工程构建。

在其中一个实施方案中，所述喷雾系统包括液体控制装置、喷雾头、压力监测及喷雾控制装置；所述液体控制装置包括液体承载装置和移动带，由移动带挤压液体承载装置将液体挤出；所述喷雾头包括液体输送通道和气体输送通道，所述液体输送通道与所述液体承载装置连接，所述液体承载装置挤出的液体流入所述液体输送通道；所述压力检测及喷雾控制装置包括通过管道依次连接的气泵、气体压力及喷雾模式调节器、气体压力测量表，最后连接有气体压力测量表的管道与所述气体输送通道连接，并将气体通入所述气体输送通道。

优选地，所述喷雾头为双通道喷雾头，包括液体输送通道和气体输送通道，液体输送通道中输入细胞悬液，气体输送通道输入压缩气体，细胞悬液和压缩气体在喷雾头处混合时，压缩空气与细胞悬液相互作用，将细胞悬液雾化并喷出。

在其中一个实施方案中，所述旋转载物台至少部分可拆卸。在进行不同形状的生物载体的喷雾打印时可选择不同形状及大小的载体支架。

具体的，本实用新型所提供的喷雾装置主要针对的生物载体为生物管道结构及曲面结构。

在其中一个实施方案中，当进行生物管道结构外表面的细胞喷雾打印接种时，所述旋转载物台包括供生物载体套于其表面的管状的载体支架，所述载体支架与所述电机连接，且所述电机能控制所述载体支架绕其轴向方向匀速旋转。

在其中一个实施方案中，当进行生物管道结构内表面的细胞喷雾打印接种时，所述旋转载物台包括第一电机和第二电机；所述第一电机连接有拉钩支架，所述拉钩支架上设有至少两个第一拉钩，所述第一电机能带动所述拉钩支架水平运动；所述第二电机连接所述载体支架，所述载体支架的末端设有第二拉钩，所述第二电机能控制所述载体支架绕其轴向方向匀速旋转。

在其中一个实施方案中，当进行曲面结构的细胞喷雾打印接种时，所述载体支架包括曲面，所述曲面用于承载曲面状的生物载体，所述电机能控制所述载体支架匀速左右摆动。

一种采用上述喷雾装置进行细胞喷雾打印接种的方法，将生物载体置于所述载体支架上，由所述电机控制所述载体支架进行匀速运动，同时喷雾系统制备出细胞喷雾，使得细胞喷雾附着于生物载体的表面。

当生物载体为生物管道，进行生物管道外表面的细胞喷雾打印接种时，具体步骤如下：

S11：采用管状的载体支架，将生物管道套于所述载体支架的外表面；

S12：打开电机及喷雾系统，由所述电机带动所述载体支架绕其轴向方向匀速旋转，同时所述喷雾系统喷出细胞喷雾，使得细胞喷雾均匀地附着于生物管道的外表面。

当生物载体为生物管道，进行生物管道内表面的细胞喷雾打印接种时，具体步骤如下：

S21：将生物管道的一末端进行缝合，将该末端收至管道内部，并将该末端安装于所述第二拉钩上，再用第一拉钩钩住生物管道的开口端；

S22：打开第一电机，由第一电机牵引拉钩支架向生物管道的缝合端运动，使生物管道实现向外翻转，关闭第一电机；

S23：打开第二电机及喷雾系统，由第二电机带动所述载体支架绕其轴向方向匀速旋转，同时所述喷雾系统喷出细胞喷雾，使得细胞喷雾均匀地附着于生物管道的内表面。

优选地，步骤S23中，当第二电机带动所述载体支架绕其轴向方向匀速旋转时，第一电机也随着第二电机等速旋转，以使载体支架均匀地绕轴向旋转。

当生物载体为曲面结构，进行曲面结构的细胞喷雾打印接种时，具体步骤如下：

S31：选择与生物载体曲率相近的载体支架，安装于电机上，然后将生物载体安装到载体支架上；

S32：打开电机及喷雾系统，电机控制载体支架进行匀速交替摆动，同时喷雾系统喷出细胞喷雾，使得细胞喷雾均匀地附着于生物载体的表面。

与现有技术比较，本实用新型提供了一种用于细胞喷雾打印接种的喷雾装置及采用该装置进行细胞喷雾打印接种的方法，具有以下有益效果：

（1）通过喷雾打印方式打印出的细胞具有高活性。

（2）本实用新型所提供的细胞接种的喷雾装置可以实现在生物管道结构及曲面结构的内外表面进行细胞接种，使接种细胞在生物管道结构及曲率结构中均匀分布，促使其迅速贴壁与生长，且通过喷雾打印的方式进行细胞接种可用于多种的细胞的特异性分层接种，可以快速实现生物管道及曲率结构的组织工程构建。

（3）本实用新型可以对生物管道结构进行翻转，使得进行生物管道结构内表面的组织工程构建变得更容易。

（4）本实用新型的细胞喷雾打印模式多变，可以实现持续喷雾打印及定时间隔喷雾打印或是手动控制喷雾打印。

（5）本实用新型的载体支架可以更换，操作者可根据自身需求更换合适大小、合适形状的载体支架，操作简单易行。

附图说明

图1为整个细胞喷雾打印系统的总图。

其中，图1中8为模拟进行生物管道内面的细胞喷雾打印接种时的所涉及的。

图2为喷雾系统中的液体承载仪器及喷雾头。

图3为用于对生物管道外侧面进行喷雾的旋转载物台。

图4为用于对生物管道内侧面进行喷雾的旋转载物台。

图5为用于对曲面结构进行喷雾的旋转载物台。

附图标记说明：1、移动带；2、气体压力测量表；3、电脑；4、压力检测及喷雾控制装置；5、气泵；6、塑料板；7、液体承载装置；8、旋转载物台；9、喷雾头；801、第一电机；802、第二电机；803、第一拉钩；804、管道缝合闭合端；805、第二拉钩；806、生物载体；807、载体支架；901、液体输出通道；902、气体输出通道；903、双通道喷雾头。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种采用细胞喷雾接种的方法进行细胞接种的喷雾装置，包括喷雾系统和旋转载物台。

其中，喷雾系统包括液体控制装置、喷雾头9、压力监测及喷雾控制装置；所述液体控制装置包括液体承载装置7和移动带1，由移动带1挤压液体承载装置7将液体承载装置中的液体挤出；所述喷雾头9包括液体输送通道901、气体输送通道902及双通道喷雾头903，所述液体输送通道901与所述液体承载装置7连接，所述液体承载装置7挤出的液体流入所述液体输送通道901，液体输送通道901的液体和气体输送通道902的气体在双通道喷雾头903处混合时，压缩气体与液体相互作用，将细胞悬液雾化并喷出；所述压力检测及喷雾控制装置4包括通过管道依次连接的气泵5、气体压力及喷雾模式调节器4、气体压力测量表2，最后连接有气体压力测量表2的管道与所述气体输送通道902连接，并将气体通入所述气体输送通道902。

作为一种优选的实施方案，在上述实施例的基础上，喷雾装置还包括电脑3，电脑3分别与移动带1、第一电机801、第二电机802控制连接。

作为一种优选的实施方案，在上述实施例的基础上，移动带1和液体承载装置7之间可以增加一块塑料板6，塑料板6可以提高移动带1对液体承载装置7的施力均匀程度。移动带1通过以恒定速度移动，推动塑料板6，以此挤压液体承载装置7。

作为一种优选的实施方案，在上述实施例的基础上，旋转载物台的部分组件是可以拆卸的，例如如图3~5所示的载体支架807，在进行不同形状的生物载体的喷雾打印时可选择不同形状及大小的载体支架。

当进行生物管道结构外表面的细胞喷雾打印接种时，所采用的载体支架807为管状载体支架，如图3所示，第二电机802的工作端与载体支架807连接。在需对生物管道结构的生物载体外表面进行细胞喷雾接种时，生物载体套于载体支架807的外表面，载体支架807安装于第二电机802上，可有第二电机802控制载体支架807绕其轴向匀速旋转。

进行生物管道结构的外表面的细胞喷雾打印接种的具体方法如下：在打印之前，首先，选择与所需要进行细胞喷雾接种的生物管道（即生物载体806）结构内径相近且略小尺寸的管状载体支架807，将其安装到载物台中，将生物管道套于载体支架807上。然后，将收集好的细胞悬液装入与喷头相连的液体承载装置7中，设置好电脑3中的相应的运行参数，打开气体压力测量表2、气体压力和喷雾控制装置4、气泵5及第二电机802，使得移动带1按恒定的速度运动，均匀地挤压液体承载装置7，实现液体的恒速流动，观察气体压力测量表2中的气压读数，调节气体压力和喷雾模式调节器4来调节合适的气压，使气体和液体在喷雾头出口处交汇，从而形成柔和的细胞喷雾。此外，通过设置电脑3中的对应参数，同样可使第二电机802控制生物载体806按照一个恒定且缓慢的速度进行逆时针旋转，以此来进行生物管道结构外表面的细胞喷雾打印。在实际喷雾打印过程中，若想切换不同的喷雾打印模式亦可根据实际操作中的需要调节气体压力和喷雾控制装置4来改变喷雾的频率及持续时间。

当进行生物管道内面的细胞喷雾打印接种时，所采用的旋转载物台8在图3基础上，在载体支架807的末端增加了第二拉钩804，同时还增加了第一电机801，第一电极801连接有拉钩支架，拉钩支架上至少连接有两个第一拉钩803。

进行生物管道内面的细胞喷雾打印接种具体方法为：首先需要将生物管道的内面向外翻转，具体方法可以是：如图4所示，首先将管道一端进行缝合得到管道缝合闭合端804，并将管道缝合闭合端804内收至管道内部；然后将生物管道安装在带有第二拉钩805的管状载体支架807上，由第二拉钩805钩住管道缝合闭合端804，同时用第一拉钩803钩住其开口端，最后打开第一电机801，使得第一拉钩803将生物管道的开口端缓慢向管道缝合闭合端804的方向牵拉（从图4看来为向左牵拉），如此使其管道内面实现向外翻转。随后通过以上所描述的喷雾打印方式对已翻转的管道内表面进行喷雾打印，然后进行常规培养，待其牢固贴壁后再通过同样的方式将其内表面翻转至管道内侧面。

当进行曲率结构的细胞喷雾打印接种时，所采用的载体支架807为包括一曲面的支架，如图5所示，生物载体806承载与载体支架807的曲面。

为了实现曲率结构的细胞喷雾打印，打印前首先选择如图5所示与生物载体曲率相近的载体支架，并将其安装到第二电机802上。与生物管道结构外表面的细胞喷雾打印方法类似，先将收集到的细胞悬液加入到液体承载装置7中，通过电脑3设定移动带1的运行参数，使其按照一定的速度对塑料板6进行推动，以此来实现对液体承载装置7的恒定缓慢的推动，实现细胞悬液的恒速挤出。同时可根据需要调整压力检测及喷雾控制装置4的参数，以此来更改打印的气体压力，若想改变喷雾模式，亦可通过压力检测及喷雾控制装置4气体压力和喷雾模式调节器来实现。为了实现均匀的曲率喷雾，我们可以通过3电脑对仪器802电机进行参数设定，从而改变807载体支架（曲率状）的运动方式为顺时针旋转90°与逆时针旋转90°交替进行，从而实现曲率结构的喷雾打印。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。