一种溶液浴近场细胞3D打印成型装置

一种溶液浴近场细胞3d打印成型装置
技术领域
1.本实用新型属于细胞3d打印技术领域，特别涉及一种溶液浴近场细胞3d打印成型装置。


背景技术：

2.人体中由多种组织构成的能行使一定或特定功能的结构单位叫做器官。疾病、先天畸形和交通事故等原因造成了大量的组织器官缺损，这也使社会对组织器官修复有了巨大需求。按照修复体来源不同可将组织器官修复分为生物修复体和人造修复体。生物修复体可分为三种，分别为同种同体修复体、同种异体修复体和异种异体修复体。同种同体修复体从患者自体获得移植供体，其最大优点是可以避免免疫排斥，但它需要从健康部位切去移植物，其来源有限，同时也会造成二次伤害。同种异体修复体是供受者属于同一物种，往往来源于捐赠者，但它面临着一定的免疫排斥风险，且来源有限。异种异体修复体的供者和受者不属于同一物种，其来源广，但是其免疫排斥的风险更大。由于上述修复方法无法满足需求，故人造修复体孕育而生。但人工替代材料不具备生物学特性，很难达到真正的临床治疗要求。而近20年来出现的组织工程学理论和技术，则在组织器官的修复重建，以及提供有生物活性的移植物方面展现出了新的曙光。
3.组织工程是指运用生命科学与工程科学的原理和方法，研究或开发人体器官组织替代物，用于替代器官或者组织的部分或者全部功能。其涉及到临床医学、生物材料学、细胞生物学、分子生物学、生物工程等一系列学科的交叉融合，可分为细胞型和非细胞型两类。近年来，组织工程取得了令人瞩目的巨大成就，作为医学科学发展的前沿，其重大科学意义、诱人的临床应用已经取得一些重要进展。另外，生物再造术的发展为组织工程学注入了新鲜血液，以细胞打印术为代表的新技术的发展，使得在体外构建活的组织和器官的设想成为可能。
4.在3d细胞打印技术中，生物材料、生物化学制品和活细胞以及功能部件被逐层精确定位，并在空间中放置，被用于制造3d结构。3d细胞打印主要分为喷墨式、微挤压式和激光辅助打印。喷墨打印是非生物和生物应用最常用的打印类型，它是通过控制液体输送到预定位置来成型。喷墨打印具有打印速度快、成本低、适用范围广等优点。然而，细胞和材料暴露于热应力和机械应力的风险、低液滴方向性、不均匀的液滴大小、喷嘴频繁堵塞以及不可靠的细胞封装给喷墨打印在3d生物印刷中的应用带来了相当大的缺点。微挤压生物打印通常是由温度控制的材料搬运和分配系统、以及工作台组成，其打印墨水包括诸如水凝胶、生物相容性共聚物和细胞球体等；其主要优点是能够沉积非常高的细胞密度，在组织工程器官中实现生理细胞密度是生物印刷领域的主要目标。但是，由于其在粘性流体中对细胞施加的剪切应力，细胞存活率较低(在40～86％之间)。激光辅助生物打印是基于激光诱导正向转移的原理。激光诱导正向转移技术最初用于转移金属，现已成功地应用于转移生物材料，如肽、dna和细胞。因为激光辅助生物打印是无喷嘴的，所以避免了细胞或材料堵塞的问题。激光辅助生物打印拥有粘度兼容性好、打印速度快、细胞沉积密度高等优点。然而，其
价格昂贵且不适用于同时打印多种材料。
5.高压静电纺丝技术是利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备纳微米纤维材料的方法，其可以容易地制备出微、纳米尺度的一维纤维，其被广泛应用于制备各种纳米纤维。然而，静电纺丝往往无法精确控制墨水的空间位点，这限制了其成型立体的产品。


技术实现要素：

6.为改善目前细胞3d打印技术仍存在着精度不高、细胞存活率低等种种问题，本实用新型提供一种溶液浴近场细胞3d打印成型装置及其成型方法。
7.本实用新型提供如下技术方案：
8.一种溶液浴近场细胞3d打印成型装置，包括近场模块、挤出
‑
控制模块和溶液浴收集模块；
9.所述挤出
‑
控制模块设置于溶液浴收集模块的上方；
10.所述近场模块设置于挤出
‑
控制模块与溶液浴收集模块之间，所述近场模块与所述挤出
‑
控制模块和所述溶液浴收集模块分别连接；
11.所述溶液浴收集模块包括绝缘容器、容纳在所述绝缘容器内的电解质溶液、以及浸没于所述电解质溶液中的沉积平台。
12.根据本实用新型的实施方案，所述挤出
‑
控制模块包括打印喷头和气动挤出控制模块，所述打印喷头与所述气动挤出控制模块的底端连接。
13.根据本实用新型的实施方案，打印喷头的数量可以至少为1个，例如，可以设置2个、3个、4个或更多个打印喷头；任选地，当设置多个打印喷头时，可以选用同轴打印喷头或非同轴打印喷头。比如，还可以任选地在一个打印喷头或多个打印喷头上设置温度调节模块，温度调节模块的设置可实现
‑
10～260℃的调节，通过温度的调节，满足不同细胞墨水的打印。又如，所述挤出
‑
控制模块可以任选地设置一个或多个同轴打印喷头，所述同轴打印喷头的内通道与外通道可以打印不同的细胞墨水。
14.根据本实用新型的实施方案，所述打印喷头的直径可以为0.3mm
‑
1mm，例如，直径为0.4mm、0.6mm或0.8mm。进一步地，对于同轴打印喷头，其内径可以为0.15mm
‑
1.5mm，其外径可以为0.3mm
‑
2mm，例如内径为0.51mm、外径为0.82mm。例如，所述打印喷头的材质可以选用生物相容性的导电金属材料，例如为医用不锈钢金属。
15.根据本实用新型的实施方案，所述气动挤出控制模块包括气体入口和细胞墨水容纳腔。其中，通过调节通入气体入口的气压，挤出细胞墨水并可控制细胞墨水的流量以及断停。其中，所述细胞墨水选用低粘度的细胞墨水，例如细胞墨水可以使用海藻酸钠、丝素蛋白、胶原蛋白等中的至少一种，例如为海藻酸钠。
16.根据本实用新型的实施方案，所述气动挤出控制模块的材质可以选自生物惰性绝缘材料，如生物相容pp(聚丙烯)材质等。
17.根据本实用新型的实施方案，所述挤出
‑
控制模块的打印喷头与所述电解质溶液与空气接触的液面之间的距离为0.5
‑
40mm，例如为1～15mm，3～10mm，5～8mm。
18.根据本实用新型的实施方案，所述近场模块设置在靠近所述打印喷头的一侧。所述近场模块可以为高压近场模块或者低压近场模块，优选为低压近场模块；进一步地，所述低压近场模块的电压可以为0.1～10kv，例如0.5～8kv、1～7kv、3～5kv。
19.根据本实用新型的实施方案，所述近场模块包括正极和负极，所述正极与所述打印喷头电连接，所述负极伸入所述绝缘容器内的电解质溶液中。
20.根据本实用新型的实施方案，所述绝缘容器的形状不做特别限定，可以为规则形状或不规则形状，优选为规则形状，例如为方形或圆筒形。
21.根据本实用新型的实施方案，所述沉积平台可以为升降沉积平台，优选地为升降高度精确可控的沉积平台。沉积平台用于承接从打印喷头中挤出、拉伸和固化的细胞墨水；优选地，要求沉积平台随着打印层数增加而逐渐下降；例如，沉积在所述沉积平台上的打印件的最顶端与所述电解质溶液与空气接触的液面的距离保持在0.5
‑
2mm之间，例如0.8
‑
1.5mm，示例性为1mm。进一步地，所述沉积平台的材质为惰性的生物相容性绝缘材料，例如玻璃或pp。
22.根据本实用新型的实施方案，所述沉积平台含有密封部件，防止电解质溶液沿沉积平台侧柱进入干区。
23.根据本实用新型的实施方案，所述沉积平台含有水电隔离部件，防止干区漏电后传入电解质溶液中。
24.根据本实用新型的实施方案，所述电解质溶液为导电溶液，且所述电解质溶液能够使从打印喷头中打印出来的细胞墨水快速凝胶化。例如，所述电解质溶液可以选自盐溶液，例如cacl2溶液、srcl2溶液和mgcl2溶液等中的至少一种，示例性为cacl2溶液。进一步地，所述电解质溶液与地线相接。
25.根据本实用新型的实施方案，所述3d打印成型装置还包括3d打印运动机构，其与所述挤出
‑
控制模块连接。其中，所述3d打印运动机构可以选自本领域已知运动机构，例如其可以包括线性运动模块、旋转运动模块、以及分别与线性运动模块和旋转运动模块连接的控制机构，所述线性运动模块和旋转运动模块分别与所述挤出
‑
控制模块连接。其中，所述线性运动模块包括x轴线性运动机构、y轴线性运动机构和z轴线性运动机构，可以实现喷头在三维空间上位置的精确打印。所述旋转运动模块为第4轴旋转运动装置，其与打印喷头直接相连，可以实现喷头在一个半球面内的运动。所述控制机构包括通过计算机程序控制的伺服电机。在x，y，z轴线性运动机构的轨道两端，均设置了限位感应器，保障了该运动机构的安全运行。在程序的控制下，伺服电机驱动x，y，z三个线性运动机构以及一个旋转运动机构精确走位，可以完成在三维空间上的3d打印制造；同时，由于旋转运动机构的存在，可以实现对更加复杂部件的打印。
26.根据本实用新型的实施方案，所述3d打印成型装置还包括3d打印支撑平台，所述3d打印运动机构设置在所述3d打印支撑平台上，所述绝缘容器置于所述3d打印支撑平台之上。
27.进一步地，本实用新型还提供使用上述溶液浴近场细胞3d打印装置的细胞打印成型方法，其包括如下步骤：从打印喷头挤出的细胞墨水在电场力作用下，细胞墨水被拉成丝；丝状的细胞墨水被精确打印到沉积平台上，在电解质溶液作用下落于沉积平台上的细胞墨水迅速凝胶化，完成一层的打印；而后沉积平台下降，开始下一层的打印；
28.每一层的打印过程中，需使打印件的顶部与电解质溶液和空气接触的液面的距离保持在0.5
‑
3mm之间，例如0.8
‑
1.5mm，示例性为1mm。
29.根据本实用新型的实施方案，所述细胞墨水在气压作用下，从打印喷头中挤出，气
压是细胞墨水挤出的动力。例如，气压在0.05
‑
1mpa之间，例如0.05
‑
0.4mpa，0.05
‑
0.6mpa，0.05
‑
0.8mpa。
30.根据本实用新型的实施方案，所述电场力由近场模块产生，所述近场模块可以为高压近场模块或低压近场模块，优选为低压近场模块。例如，所述低压近场模块的电压可以为0.1～10kv，例如0.5～8kv、1～7kv、3～5kv。
31.根据本实用新型的实施方案，由于电场力的作用，细胞墨水丝的直径可以为10nm～100μm，例如30nm～90μm、500nm～50μm、1～10μm。
32.根据本实用新型的实施方案，所述打印喷头具有如上文所述的含义。进一步地，所述打印喷头可以是多打印喷头结构，可以实现细胞墨水与支架材料的混合打印，也可以将支架材料与细胞墨水及其培养基分开打印。例如，打印喷头可以分为两种，一种打印喷头打印细胞及其培养基质，另一种打印喷头打印支架。进一步地，打印细胞的喷头可以采用多个打印喷头，以打印不同的细胞。特别地，还可以采用同轴打印喷头，其内通道与外通道可以打印不同的细胞墨水。
33.根据本实用新型的实施方案，所述3d打印运动机构、沉积平台和电解质溶液均具有如上文所述的含义。
34.根据本实用新型的实施方案，所述细胞打印成型方法包括如下步骤：
35.(1)通过挤出
‑
控制模块产生气压，将细胞墨水从打印喷头中挤出；
36.(2)低压近场模块的正负两极间产生电势差，从而产生电场；
37.(3)在电场力的作用下，挤出的细胞墨水被拉成丝，在3d打印运动机构的控制下将细胞墨水的精确打印到沉积平台上在电解质溶液作用下使落于沉积平台上的细胞墨水迅速凝胶化，完成一层的打印；而后沉积平台下降，开始下一层的打印；
38.每一层的打印过程中，需使打印件的最顶端与电解质溶液和空气接触的液面的距离保持在0.5
‑
3mm之间，例如0.8
‑
1.5mm，示例性为1mm。
39.本实用新型的有益效果：
40.1.本实用新型通过近场模块电场力的作用，使细胞3d打印墨水的细度实现大幅提高。本实用新型打印方法可以实现细胞墨水最细细度10nm，进而提升细胞3d打印的精确度，打印精度可达到10μm。同时，本装置细度可调，可以实现不同细度墨水的打印要求。
41.2.本实用新型3d打印成型装置内设置溶液浴收集模块，使墨水在挤出的瞬间立即凝胶化，这避免了由于墨水粘度过低引起的坍塌。同时低粘度的细胞墨水也能够具有更高细胞密度，更高细胞活力，具有更好的细胞3d打印性能。
42.3.对于本实用新型的近场模块，其正极为金属喷头，其负极与电解质液面接触。由于随着打印，沉积平台不断下降且始终使打印件最高点低于电解质溶液的液面，使液面始终保持水平，静电场也因此而始终均匀。这避免了因为打印件厚度不断增加而引起的静电场扰乱的问题，可以打印更加厚的打印件。
43.4.本实用新型可以实现多喷头的同时打印，能够打印不同的细胞墨水。同时，也能实现细胞墨水及其基质与支架材料的分开打印，可以较好地节约成本，并使打印产品具有更为复杂的结构与功能。
44.5.相比于传统静电纺丝，本实用新型能够精确地控制细胞墨水的沉积位点，从而具备打印几何结构复杂制件的能力。
附图说明
45.图1为实施例1所述近场3d打印成型装置的结构示意图。
46.图2为实施例1所述3d打印成型装置内的龙门式3d打印运动机构的结构示意图。
47.图3为实施例1所述3d打印成型装置内的同轴打印喷头的结构示意图。
48.附图标记：1
‑
1 3d打印支撑平台1
‑
2 3d打印运动机构，1
‑
3挤出
‑
控制模块，1
‑
4细胞墨水容纳腔，1
‑
5低压近场模块，1
‑
6打印喷头，1
‑
7绝缘容器，1
‑
8升降沉积平台，1
‑
9导电电解质溶液；
[0049]2‑
1x轴线性运动机构，2
‑
2y轴线性运动机构，2
‑
3z轴线性运动机构，2
‑
4第4轴旋转运动机构；
[0050]3‑
1同轴打印喷头。
具体实施方式
[0051]
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。此外，应理解，在阅读了本实用新型所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所限定的保护范围之内。
[0052]
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0053]
实施例1
[0054]
如图1所示的溶液浴近场细胞3d打印成型机构，其包括3d打印支撑平台1
‑
1，3d打印运动机构1
‑
2，挤出
‑
控制模块1
‑
3，细胞墨水容纳腔1
‑
4，低压近场模块1
‑
5，打印喷头1
‑
6和溶液浴收集模块。溶液浴收集模块包括绝缘容器1
‑
7，置于绝缘容器1
‑
7内的导电电解质溶液1
‑
9，和浸没于导电电解质溶液1
‑
9内的升降沉积平台1
‑
8。
[0055]
3d打印运动机构1
‑
2选用龙门式3d打印机构，如图2所示，其包括线性运动模块、旋转运动模块、以及分别与线性运动模块和旋转运动模块连接的控制机构，线性运动模块和旋转运动模块分别与挤出
‑
控制模块1
‑
3连接。线性运动模块主要包括x轴线性运动机构2
‑
1、y轴线性运动机构2
‑
2和z轴线性运动机构2
‑
3，用于实现打印喷头1
‑
6在三维空间上位置的精确控制。旋转运动模块包括第4轴旋转运动机构2
‑
4，其与打印喷头1
‑
6直接相连，用于实现打印喷头1
‑
6在一个半球面内的运动。控制机构主要包括通过计算机程序控制伺服电机，且在x，y，z轴线性运动机构的轨道两端，设置限位感应器，保障了该运动机构的安全运行。在程序的控制下，伺服电机驱动x，y，z三个线性运动机构以及一个旋转运动机构精确走位，可以完成在三维空间上的3d打印制造。同时，由于旋转运动机构的存在，可以实现对更加复杂部件的打印。
[0056]
挤出
‑
控制模块1
‑
3设置在溶液浴收集模块的上方，其包括气动挤出控制模块和打印喷头，气动挤出控制模块包括气体入口和细胞墨水容纳腔1
‑
4，细胞墨水容纳腔1
‑
4的下端连接打印喷头1
‑
6。通过调节通入气体入口的气压(气压范围为0.05
‑
1mpa)，挤出细胞墨水，并控制细胞墨水挤出的速率。细胞墨水容纳腔1
‑
4中的细胞墨水具有粘性较低，并能够使细胞较好的存活。气动挤出控制模块的材质为生物相容pp材质。
[0057]
打印喷头1
‑
6为医用不锈钢喷头，其与低压近场模块1
‑
5(电压范围为0.1～10kv)
的正极相连。打印喷头1
‑
6为同轴打印喷头，其结构如图3所示，内径为0.15mm
‑
1.5mm，外径为0.3mm
‑
2mm。
[0058]
低压近场模块1
‑
5设置在靠近打印喷头1
‑
6的一侧，低压近场模块1
‑
5的电压为0.1～10kv，低压近场模块1
‑
5的负极伸入绝缘容器1
‑
7内的导电电解质溶液1
‑
9中。
[0059]
绝缘容器1
‑
7的形状为规则的圆筒形，升降沉积平台1
‑
8用于承接最后被挤出、拉伸和固化的细胞墨水。升降沉积平台1
‑
8随着打印层数增加而逐渐下降，保证沉积在升降沉积平台1
‑
8上的打印件的最顶端与导电电解质溶液1
‑
9与空气接触的液面的距离保持1mm。沉积平台含有密封部件和水电隔离部件，密封部件可防止电解质溶液沿沉积平台侧柱进入干区，水电隔离部件可防止干区漏电后传入电解质溶液中。导电电解质溶液1
‑
9与地线相接。绝缘容器1
‑
7和升降沉积平台1
‑
8的材质为惰性的生物相容性绝缘pp材料。导电电解质溶液1
‑
9为导电良好的cacl2溶液。
[0060]
在工作状态下，细胞墨水在气压的作用下经打印喷头1
‑
6挤出，并在低压近场模块1
‑
5的作用下受到电场力的作用而被拉伸变细，最细细度达到10nm，并沉积到升降沉积平台1
‑
8上。导电电解质溶液1
‑
9对细胞墨水1
‑
4有着凝胶化的作用，落于升降沉积平台1
‑
8上的打印墨水1
‑
4会迅速形成凝胶。打印喷头1
‑
6随着3d打印运动机构1
‑
2运动，完成一层图案的打印，随后升降沉积平台1
‑
8下降，继续下一层图案的打印。在打印过程，始终保持打印件的最顶端与导电电解质溶液1
‑
9与空气接触的液面的距离为1mm。
[0061]
3d打印运动机构1
‑
2设置在3d打印支撑平台1
‑
1上，绝缘容器1
‑
7置于3d打印支撑平台1
‑
1之上。
[0062]
实施例2
[0063]
与实施例1不同的是，打印喷头的数量为多个，且多个打印喷头上设置喷头温度调节模块，用于实现
‑
10～260℃的调节，以满足不同细胞的打印要求。
[0064]
实施例3
[0065]
与实施例1不同的是，打印喷头为多喷头结构，且喷头分为两种：一种喷头用来打印细胞及其细胞培养基质，且能够打印多个不同的细胞；另一种喷头用来打印支架。与实施例1相同的是，打印喷头的结构同为同轴打印喷头，其内通道与外通道能够打印不同的细胞墨水。
[0066]
实施例4溶液浴近场细胞3d打印成型方法
[0067]
本实施例为溶液浴近场细胞3d打印成型方法，其通过实施例3提供的溶液浴近场细胞3d打印成型装置完成。
[0068]
溶液浴近场细胞3d打印成型方法包括：通过挤出
‑
控制模块产生气压，将细胞墨水从打印喷头中挤出；低压近场模块的正负两极间产生电势差，从而产生电场；在电场力的作用下，挤出的细胞墨水被拉成丝，在3d打印运动机构的控制下将细胞墨水的精确打印到沉积平台上；在电解质溶液作用下使落于沉积平台上的细胞墨水在沉积瞬间完成凝胶化；完成一层图案的打印后沉积平台下降，开始下一层的打印，打印过程中始终使打印件的最顶部与电解质溶液和空气接触的液面的距离保持在1mm。
[0069]
其中，细胞墨水挤出的动力是气压，其压力为0.4mpa。静电场通过引入低压近场实现，低压近场的电压为2.5kv。细胞墨水在静电场的作用下沉积，可以得到相比于重力条件下沉积更加细的丝，直径控制在10nm～1μm，打印精度可达到10μm。细胞墨水使用海藻酸钠
作模版剂，以0.1m的cacl2溶液作为电解质溶液。
[0070]
以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。