一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法
【专利摘要】一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法，属于组织器官制造【技术领域】。本发明基于光固化原理，采用气动、压电、电机助推喷射技术将含细胞或不含细胞的高分子溶液在计算机辅助的模型指导下，层层堆积起来，在波长为300-600nm光束的照射下固化成形，在此结构上再复合含不同细胞的高分子溶液形成细胞层，再将聚氨酯溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜。按照设定的成形步骤，最终制造出具有空间复杂形状和空隙结构的含合成高分子支架材料和多种细胞的三维结构体。本发明成形结构尺寸覆盖面广，工艺简单，细胞成活率高，具有良好的力学和生物学性能。
【专利说明】—种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于组织器官制造【技术领域】，特别涉及一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法。
【背景技术】
[0002]大块软组织及内脏器官(如心、肝、脾、肺、肾等)，是人体的重要组成部分，由于疾病、创伤和老化引起的相关损伤和功能障碍，严重危害人体健康和生命质量。传统的临床方法，目前还存在许多局限性，特别是不能实现体外重建细胞受控分布的结构体。而制造科学和生命科学的交叉融合，催生了细胞受控组装技术，这一技术，为体外直接构建具有新陈代新机能的器官替代物开辟了新途径。
[0003]低温沉积制造 工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。
[0004]低温沉积制造具体的工艺过程为:
[0005]①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。
[0006]②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。
[0007]③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压、喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。
[0008]④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。
[0009]目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形机。
[0010]然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同细胞和细胞外基质材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。原有的单喷头和双喷头无法满足复杂组织器官快速制造的要求；
[0011]中国专利文献(申请号201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为两个固定式的电机助推式喷头，成形台设置在三维运动装置上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时三维运动装置使工作喷头与成形台对正。步进电机固定在Z向运动装置支架上，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喷出，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。
[0012]此种设计简单可靠，但是，固定式多喷头成形系统有以下不足之处:[0013]①低温沉积制造需要零下40度的低温环境，低温会对细胞的成活率产生不利影响，并且需要添加冻存剂，工艺较为复杂。
[0014]②原有系统只有两个喷头，即能使用两种材料，但是复杂组织器官都包含有多种材料和细胞，现有设备不能满足复杂组织器官前体的制造。
[0015]③无法对成形体侧表面进行喷涂，电机助推式快速成形喷头需要竖直安装，如果进行水平安装，则浆料从喷嘴挤出后会在自身重力的作用下滴落，无法在成形体侧表面附着。
[0016]④成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高。
【发明内容】
[0017]本发明针对已有技术的不足之处，提供一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法，本发明采用气动喷涂、电机助推式挤压和压电挤压等多种喷涂技术相结合，通过光线照射使含光敏材料的高分子溶液使其在常温环境下快速固化，提高了多种细胞、多方位成 形时的灵活性和精度。
[0018]本发明的技术方案如下:
[0019]一种基于光固化的组织器官前体组装设备含有支架、控制单元、旋转成形台、升降台、喷涂装置和灭菌装置以及安装在支架顶部的X向运动机构和Y向运动机构，升降台安装在支架底部，X向运动机构安装在Y向运动机构上，其特征在于:该设备还包括喷阀挂架、喷阀选取装置和偏转台；所述的喷涂装置悬挂在喷阀挂架上，喷涂装置至少采用3套；喷阀挂架固定在支架上，喷阀选取装置固定安装在X向运动机构上，偏转台安装在升降台上；所述的旋转成形台安装在偏转台的顶部；每套喷涂装置包括设置在底板上的喷头、喷涂溶液针筒、连接板、直线轴承和两个波长为300-600nm的点状光源，点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。
[0020]上述技术方案中，所述的喷阀选取装置包括定位销、定位板和电动夹钳；电动夹钳与喷涂装置的连接板相配合；定位销与喷涂装置的连接板上的定位孔相配合。
[0021]所述喷头包括气动喷头、电动助推式喷头和压电喷头。所述的气动喷头包括喷雾阀和喷射阀中的一种或两种的组合，气动喷头通过气体管路与高压气体源相连接。
[0022]本发明的技术特征还在于:喷阀挂架包括多个悬挂单元，每个悬挂单元由支撑板、磁铁和两个悬挂杆组成；每个悬挂单元的两根悬挂杆与喷涂装置的两个直线轴承对应插入，支撑板固定安装在支架上。
[0023]本发明提供的一种基于光固化的组织器官前体组装方法，其特征在于该方法包括如下步骤:
[0024]I)喷阀选取装置在控制单元的控制下，首先选择并卡紧一套装有不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，使两个波长为300-600nm的点状光源出射的两束光同时照射在喷头喷出的高分子溶液上，固化并形成组织器官三维结构支架；
[0025]2)喷阀选取装置将步骤I)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架，选择并卡紧另一套装有含细胞和光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，在步骤I)形成的组织器官三维结构支架表面喷涂并形成细胞层；[0026]3)喷阀选取装置将步骤2)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架，选择并卡紧另一套装有聚氨酯或PLGA溶液的喷涂装置，然后将聚氨酯或PLGA溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜，最终制造出具有空间复杂形状和多种细胞的组织器官前体。
[0027]步骤I)中所述的不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液为含水溶性聚氨酯丙烯酸酯和樟脑醌的水溶液，其中水溶性聚氨酯丙烯酸酯质量浓度为30%_60%，樟脑醌质量浓度为3%-5% ;步骤2)中所述的含细胞和光敏材料的高分子溶液为含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明胶、生长因子和细胞的水溶液，其中聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中质量浓度分别为30%-60%和5%-10%，明胶的质量体积浓度为0.05g-0.5g/ml，生长因子质量体积浓度为10-50ng/ml，细胞浓度为1父105个/1111-1\107个/1111，其中所述的细胞是肝细胞、脂肪干细胞或星状细胞中的一种或几种的组合；步骤3)中所述的聚氨酯或PLGA溶液为聚氨酯或PLGA溶于有机溶剂制成质量浓度为1%-30%的溶液；所述的有机溶剂采用二甲基亚砜、四乙二醇或1.4 二氧六环。
[0028]本发明具有以下优点和突出性效果:[0029]①本发明采用光固化成形方法，可实现常温成形，能大幅提高细胞的成活率，使多种细胞分布在不同的预定位置。此外，本发明可实现常温环境下的细胞组装，相对于低温沉积制造避免了复杂昂贵的制冷设备，取消了冻存剂等细胞低温保存试剂的使用，大大简化了成形工艺。
[0030]②本发明采用多套喷涂装置配合喷阀选取装置工作，可以喷涂多种材料和细胞，并且多套喷涂装置相互之间可独立运动，消除了多套喷涂装置之间的相互干扰，并大大减小了设备的体积。
[0031]③本发明采用气动喷涂、电机助推式挤压或压电挤压和光固化技术相结合的工艺，喷涂的精度高和响应速度快。并且，喷涂装置采用一个喷雾阀、两个喷射阀和一个电机助推式挤压喷头或压电喷头。喷雾阀将喷涂液雾化以后喷出，液体与空气接触面积增大，能使溶剂迅速挥发提高了成形效率，并可使喷涂细胞与已有表面可靠结合，可实现单层细胞的喷涂，且喷幅尺寸较大，喷涂效率高；喷射阀可以将喷涂溶液以线状喷出成形不同材料的支架；也可以点状喷出用于精确喷涂，实现细胞的精确定位。
[0032]④本发明具有多自由度运动，能精确加工圆及圆环截面，并且，喷阀的中心轴与旋转成形台表面之间的相对角也可以改变，能对成形体侧表面进行喷涂，方便复杂曲面的制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是本发明的一种基于光固化的组织器官前体组装设备实施例的三维结构简图。
[0034]图2是喷阀挂架示意图。
[0035]图3是喷阀选取装置示意图。
[0036]图4是喷涂装置示意图。
[0037]图5是本发明一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法控制线路图。
[0038]图6是喷阀挂架、喷阀选取装置和喷涂装置三者位置关系图。
[0039]图7是本发明一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法工作流程示意图。[0040]图中:101-喷阀选取装置；102_支架；103-喷涂装置；104_喷阀挂架；105_旋转成形台；106-偏转台；107-升降台；108-X向运动机构；109-Y向运动机构；110-灭菌装置；111-电气控制柜；112-控制单元；113-高压气体源；201_支撑板；202_磁铁；203_悬挂杆；301-定位销；302_定位板；303-电动夹钳；401_定位孔；402_喷涂溶液针筒；403_温度控制器；404_喷射阀；405-点状光源；406_连接板；407_磁铁；408_直线轴承；409_底板；502-协议转换器；503_板卡电源；504-1/0控制器；505_喷射阀控制器；506_压电喷头控制器；507_电机电源；508-Χ向控制驱动器；509-Χ向步进电机；510_Υ向控制驱动器；511_Υ向步进电机。
【具体实施方式】
[0041]为了进一步理解本发明的技术方案，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0042]本工艺方法采用基于光固化的多喷头技术将聚氨酯丙烯酸酯和光触发剂水溶液排列到设定位置，在波长300-600nm光束的照射下固化形成支架，其次将含不同细胞的高分子溶液(聚乙二醇丙烯酸酯/细胞溶液/光触发剂溶液)喷涂到支架表面的不同位置形成细胞层，然后将聚氨酯或PLGA溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜。按照设定的成形步骤，最终制造出具有空间复杂形状和空隙结构的含多种细胞的器官前体。
[0043]图1是本发明的一种基于光固化的组织器官前体组装设备实施例的三维结构简图，该系统包括喷阀选取装置101、支架102、喷涂装置103、喷阀挂架104、旋转成形台105、偏转台106、升降台107、X向运动机构108、Y向运动机构109、灭菌装置110、电气控制柜111、控制单元112以及高压气体源113。
[0044]喷阀选取装置101、支架102、喷涂装置103、喷阀挂架104、旋转成形台105、偏转台106、升降台107、X向运动机构108、Y向运动机构109、灭菌装置110设置在壳体；电气控制柜111、控制单元112、高压气体源113设置在壳体外。
[0045]本发明可实现多自由度运动，包括X向、Y向和Z向三个直线运动，还有围绕Z向旋转的转动和围绕Y向的偏转运动。
[0046]本发明共安装有四套喷涂装置，四套喷涂装置的喷涂设备分别是一个气动喷雾阀、两个气动喷射阀和一个电机助推式挤压喷头或压电喷头，四套喷涂装置之间是相互独立运动。
[0047]四套喷涂装置均通过图2所示的喷阀挂架104悬挂在支架102上。喷阀挂架104包括四个挂架单元，分别独立承载四套喷涂装置。每个挂架单元由支撑板201、磁铁202和悬挂杆203三部分组成。每个悬挂单元的两根悬挂杆203与喷涂装置103的两个直线轴承408对应插入，每个悬挂单元对应停放一套喷涂装置103，支撑板201通过螺钉安装在支架102 上。
[0048]每套喷涂装置都有包括一组直线轴承408，喷涂装置103停放在喷发挂架104上时，悬挂杆203插入直线轴承408中，然后支撑板201上的磁铁202和喷阀上的磁铁407相互吸附，两者的吸引力可使喷涂装置103和喷阀挂架104之间保持一定的稳定性而不松动。
[0049]喷阀选取装置101固定安装在X向运动机构108上，X向运动机构108安装在位于支架102顶部的Y向运动机构109上并沿Y向运动；所述的喷涂装置103包括多个气动喷涂阀和压电喷头；高压气体源113分别通过气体管路与喷阀控制器和喷涂溶液针筒相连接，所述的控制单元112通过控制线路经电气控制柜111分别与喷阀控制器和温度控制器相连接。喷阀控制器输出气体与喷涂溶液针筒402输出的溶液汇聚于喷涂阀404使溶液喷出。
[0050]喷涂装置103停放在喷阀挂架104上，喷阀选取装置101固定安装在X向运动机构108上，喷阀选取装置101通过夹紧或松开喷涂装置103的连接板406之相连接或断开，以此达到选择不同的喷涂装置的目的。喷阀选取装置101的结构如图3所示，其包括定位销301、定位板302和电动夹钳303。电动夹钳303使用步进电机为动力源，以此进行张开和闭合的动作，此外电动夹钳303还包括一套气缸,可以在电动夹钳闭合的时候保持一定的恒定力。
[0051]图6是喷阀挂架104、喷阀选取装置101和喷涂装置103三者位置关系图。喷涂装置103通过悬挂杆203悬挂在喷阀挂架104上。在选择设定的喷涂装置时，X向运动机构108和Y向运动机构109带动安装在其上的喷阀选取装置101至设定位置，定位销301插入喷涂装置103的定位孔401内，使两者在X向和Z向准确定位，喷阀选取装置101继续沿Y向运动直至喷涂装置103背部与定位板302贴合，两者在Y向上定位结束，然后电动夹钳303启动，卡紧喷涂装置103的连接板406两端的卡槽将两者准确牢固的固定在一起。
[0052]本发明所安装的四套喷涂装置中，有三套喷涂装置为气动喷涂阀，其中一套安装有喷雾阀可将喷涂溶液以雾状形态喷出，两套安装有喷射阀可将喷涂溶液以丝状或点状形态喷出。喷射阀两侧安装的点状光源405同时照射喷出的喷涂材料，使其快速固化。三个气动喷阀均以高压气体为喷涂动力源。
[0053]本发明中使用的气路结构包括空压机、压力表、储气罐、冷却器、过滤器、喷阀控制器、喷射阀。空压机产生高压空气，然后高压空气输送到储气罐存储，储气罐不仅有储存压缩气体的功能，也可以降低压缩气体压力的波动。压力表显示储气罐中的气体压力值。储气罐送出的高压空气具有很高的温度，需要经冷却器将其温度降低到符合工作要求的温度值，然后再有过滤器将高压空气中的水、油以及其他杂质颗粒进行彻底的过滤。经过滤器过滤后符合要求的高压气体被分成两路，其中一路和喷涂溶液针筒接通，含光敏材料的高分子溶液装在喷涂溶液针筒中，高压气体给喷涂溶液针筒中的液体提供压力，喷涂溶液针筒的出液口和喷射阀的进液口连接，含光敏材料的高分子溶液在此压力下会流向喷射阀。另一路经空气过滤器过滤后符合要求的高压气体接通到喷阀控制器上，从喷阀控制器出来的高压气体连通到喷射阀进气口。在控制单元112的控制下，喷射阀404两侧的两支点状光源405也开启工作，同时照射喷射阀404喷出的丝状含光敏材料的高分子溶液，使其快速固化成形。
[0054]图4是安装有点状光源的喷涂装置示意图，喷涂材料如聚氨酯丙烯酸酯/细胞溶液/光触发剂水溶液等放置在喷涂溶液针筒402内，在喷涂溶液针筒402外部安装用于保温的温度控制器403，喷射阀404两侧的两支点状光源405照射用于将喷射阀404喷出的材料迅速固化成形。
[0055]控制单元112的控制下选定的喷涂装置开始工作可对所需喷涂的材料进行精确定位，使各种不同材料，包括高粘度凝胶、浆料、溶液，和低粘度含细胞溶液、高分子溶液喷涂在设定的空间位置上。在实现两种以上细胞和支架材料三维受控组装。[0056]X向运动机构108由滚珠丝杠副、直线导轨、滑块、联轴器和步进电机组成。其中，滚珠丝杠和直线导轨的两端分别固定在Y向运动装置108左右两侧的滑块上，步进电机通过联轴器和滚珠丝杠相联结。
[0057]升降台107安装在支架底部，在升降台107的顶部安装可围绕Y轴进行正负30度偏转的偏转台106，旋转成形台105安装在偏转台106的顶部，旋转成形台105可以绕Z向进行全向旋转。
[0058]通过旋转成形台105和偏转台106的配合运动，喷阀的中心轴与旋转成形台105表面之间的相对角可以改变，能对成形体侧表面进行喷涂，方便复杂曲面的制造。
[0059]灭菌装置110，使用高功率紫外线灭菌装置，可对一些生物材料和整个系统内部进行消毒。灭菌装置安装在支架102的右侧。
[0060]支架102外面按需要可安装壳体，壳体实现适当的封闭和必要的保护，确保整个加工制造过程的顺利进行和复杂组织、器官制造的无菌环境，并实现接地保护、通风隔热等功能。
[0061]控制单元112，提供友好的用户操作界面，解析处理待成形三维文件，输出正确运动和喷涂启停命令，补偿机械 偏差、校准喷头和测试设备的工作状态等。
[0062]本发明一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法控制线路如图5所示，使用CAN总线控制方式，本发明所使用的5个步进电机均通过控制驱动器与总线连接，以接受控制单元112的控制信号，如X向步进电机509通过X向控制驱动器508与总线连接；喷阀控制器则需通过I/O控制器504与总线连接，如喷射阀控制器505通过I/O控制器504与总线连接，接受控制单元112的信号，进而通过气路的通断来控制喷射阀404的启停。
[0063]实施例2:在实际应用中，多套喷涂装置中使用的喷涂设备包含的多个喷头采用气动喷头、电机助推式或是压电喷头将光敏材料和光触发剂溶液以丝状挤压或是喷出，在喷头的两侧安装点状光源照射喷出的材料，将其固化。此外，也可以取消喷阀挂架104和喷阀选取装置101，将多套喷涂装置集成固定安装X向运动结构108上，在控制单元112的控制下同时运动，但每一时刻只有一套喷涂装置挤压、喷出材料。
[0064]结合图7，实施例1的工作原理和工作过程，叙述如下:
[0065]选择实验的材料，按照合适的比例配置，制成成形材料备用。
[0066]将含光敏材料的高分子溶液装入喷涂溶液针筒402中，所述含光敏材料的高分子溶液为含聚氨酯丙烯酸酯和樟脑醌的水溶液，其中聚氨酯丙烯酸酯质量浓度为30%_60%，光触发剂樟脑醌质量浓度为3%-5% ；
[0067]其次，从病人身上提取几种相关细胞，如脂肪干细胞、肝细胞、星状细胞。准备种细胞生长因子，如内皮细胞生长因子和生物相容性优良的生物材料。将上述一种细胞和一种生长因子溶液或天然高分子溶液混合制成含细胞和光敏材料的高分子溶液。所述的含细胞和光敏材料的高分子溶液为含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明胶、生长因子和细胞的水溶液，聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中质量浓度分别为30%-60%和5%-10%，明胶质量浓度为0.lg/ml，生长因子质量浓度为10-50ng/ml，细胞浓度为I X IO5个/ml_l X IO7个/ml，其中所述的细胞是肝细胞、脂肪干细胞和肾脏细胞等多种细胞中的一种或者组合。将含细胞和光敏材料的高分子溶液分别装入相应喷涂溶液针筒中。
[0068]聚氨酯或PLGA溶液为聚氨酯或PLGA溶于有机溶剂制成浓度为1%_30%的溶液，有机溶剂采用二甲基亚砜、四乙二醇或1.4 二氧六环，将聚氨酯或PLGA溶液装入相应的喷涂溶液针筒中。
[0069]高分子光敏材料经喷涂装置103喷出形成支架，含脂肪干细胞和细胞生长因子的高分子溶液经喷射阀喷出形成模拟血管系统的内皮层，含肝细胞和星状细胞的高分子溶液喷出形成肝小叶结构中的不同肝功能细胞层，用安装有喷雾阀的喷涂装置将聚氨酯或PLGA溶液喷涂到所成形的肝细胞层内外围，使成形结构的机械性能与肝脏动脉、静脉血管的机械性能相匹配。
[0070]利用三维建模软件建立肝脏叶片三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成型的NC代码，将层片文件和加工参数输入计算机控制软件。
[0071]加工前先启动灭菌装置110，给整个壳体内环境灭菌。
[0072]设定偏转台106、升降台107、X向运 动机构108和Y向运动机构109的初始坐标。
[0073]启动温度控制器403，使喷涂溶液针筒402内部温度达到实验设定值并维持恒定。
[0074]由控制单元112根据输入的层片文件和设定的加工参数控制运动机构的运动参数，通过喷阀选取装置101选择设定的喷涂装置，然后设定的喷涂装置开始工作，从喷涂装置中喷射出来的材料在点状光源405的照射下迅速凝固且相互粘结在一起，堆积成形。随着每一层的堆积完成，旋转成形台105在升降台107的带动下下降一个特定高度，中间要更换不同的成形材料时，通过控制单元112启动切换喷阀的程序，控制升降台107下降一定的距离，然后根据喷涂装置之间的位置关系，控制喷阀选取装置101到设定位置，选取并固定相应的喷涂装置，再使升降台107上升同等的距离，继续受控成形。
[0075]若需要加工圆环类结构时，在控制单元112的控制下，运动机构带动和喷阀选取装置固定在一起的喷涂装置103运动到设定位置，启动旋转成形台105，旋转成形台105围绕其中心轴进行旋转运动。等旋转成形台105旋转一周后，然后升降台107再下降一定的高度即可连续成形。
[0076]若需要在加工结构表面喷涂另一层材料时，启动偏转台106偏转设定的角度，然后旋转成形台105开始转动，此时安装有喷雾阀的喷涂装置启动工作，在设定的时间后升降台107启动下降一定的高度，这样即可在在加工结构表面喷涂另一层材料。
[0077]不同材料在旋转成形台105上表面成形以后，依照程序将成喷涂装置103移出成形加工区域，成形过程结束，然后可将成形结构取出。
[0078]本发明所述的一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法，其优点在于:可以实现在常温环境下使多种光敏材料和多种细胞在空间位置上的准确定位，实现复杂曲面的制造和喷涂，大幅提高细胞的成活率并简化了成形工艺。
[0079]以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明所主张的权利范围应以本发明申请范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种基于光固化的组织器官前体组装设备，所述设备含有支架(102)、控制单元(112)、旋转成形台(105)、升降台(107)、喷涂装置(103)和灭菌装置(110)以及安装在支架顶部的X向运动机构(108)和Y向运动机构(109)，所述的升降台(107)安装在支架(102)底部，X向运动机构(108)安装在Y向运动机构(109)上，其特征在于:该设备还包括喷阀挂架(104)、喷阀选取装置(101)和偏转台(106);所述的喷涂装置(103)悬挂在喷阀挂架(104)上，喷涂装置(103)至少采用3套；喷阀挂架(104)固定在支架(102)上，喷阀选取装置(101)固定安装在X向运动机构(108)上，偏转台(106)安装在升降台(107)上；所述的旋转成形台(105)安装在偏转台(106)的顶部；每套喷涂装置(103)包括设置在底板(409)上的喷头、喷涂溶液针筒(402)、连接板(406)、直线轴承(408)和两个波长为300_600nm的点状光源(405)，点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。
2.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述的喷阀选取装置(101)包括定位销(301 )、定位板(302)和电动夹钳(303);电动夹钳(303)与喷涂装置(103)的连接板(406)相配合；定位销(301)与喷涂装置(103)的连接板(406)上的定位孔(401)相配合。
3.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述喷头包括气动喷头、电机助推式喷头和压电喷头。
4.如权利要求3所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述的气动喷头包括喷雾阀和 喷射阀中的一种或两种的组合，气动喷头通过气体管路与高压气体源(113)相连接。
5.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:喷阀挂架(104)包括多个悬挂单兀,每个悬挂单兀由支撑板(201)、磁铁(202)和两个悬挂杆(203)组成；每个悬挂单元的两根悬挂杆(203)与喷涂装置(103)的两个直线轴承(408)对应插入，支撑板(201)固定安装在支架(102)上。
6.采用如权利要求1所述装置的一种基于光固化的组织器官前体组装方法，其特征在于该方法包括如下步骤: O喷阀选取装置(101)在控制单元(112)的控制下，首先选择并卡紧一套装有不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，使两个波长为300-600nm的点状光源(405)出射的两束光同时照射在喷头喷出的高分子溶液上，固化并形成组织器官三维结构支架； 2)喷阀选取装置(101)将步骤I)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架(104)，选择并卡紧另一套装有含细胞和光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，在步骤I)形成的组织器官三维结构支架表面喷涂并形成细胞层； 3)喷阀选取装置(101)将步骤2)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架(104)，选择并卡紧另一套装有聚氨酯或PLGA溶液的喷涂装置，然后将聚氨酯或PLGA溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜，最终制造出具有空间复杂形状和多种细胞的组织器官前体。
7.如权利要求6所述的一种基于光固化的组织器官前体组装方法，其特征在于:步骤I)中所述的不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液为含水溶性聚氨酯丙烯酸酯和樟脑醌的水溶液，其中水溶性聚氨酯丙烯酸酯质量浓度为30%-60%，樟脑醌质量浓度为3%-5% ；步骤2) 中所述的含细胞和光敏材料的高分子溶液为含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明胶、生长因子和细胞的水溶液，其中聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中质量浓度分别为30%-60%和5%-10%，明胶的质量体积浓度为0.05g-0.5g/ml,生长因子质量体积浓度为10-50ng/ml，细胞浓度为I X IO5个/ml_l X IO7个/ml，其中所述的细胞是肝细胞、脂肪干细胞或星状细胞中的一种或几种的组合；步骤3)中所述的聚氨酯或PLGA溶液为聚氨酯或PLGA溶于有机溶剂制成质量浓度为1%-30%的溶液；所述的有机溶剂采用二甲基亚砜、四乙二醇或1.4 二氧六环。
【文档编号】A61F2/02GK103536373SQ201310499897
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】王小红, 刘利彪 申请人:清华大学