一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备的制作方法
【专利摘要】一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，包括支撑装置、多喷头组件、运动机构以及成形装置；支撑装置包括支撑腿和底板；运动机构采用导轨‐滑块机构，包括X向导轨、X向滑块、Y向导轨、两个Y向滑块、Z向导轨和Z向滑块；所述多喷头组件至少含有六个喷头，分两组分别安装在第一Y向滑块和第二Y向滑块上；成形装置包括成形容器、支架和电机。成形容器安装在底板上并处于喷头组件的下方，支架安装在成形容器内并与电机输出轴相连。本实用新型易于成形血管和神经系统，特别适用于成形传统组织工程难以成形的具有内腔的组织器官，如心房、肝脏前体、膀胱前体、肾脏前体或人工乳房等组织器官的制备。
【专利说明】一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，属于组织工程制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]人体病损组织和器官的修复和替代是本世纪令人瞩目的科学前沿，也是一项亟需解决的科学难题。由于活体组织器官移植存在供体短缺以及免疫排斥风险大等固有弊端，难以成为解决该问题的有效途径。据此，以提高此类疾患治疗水平为目的的组织工程(Tissue Engineering)应运而生,组织工程旨在体外构建细胞和材料的三维结构体,通过适当的培养和训练后发展成具有和天然组织类似结构和功能的可移植替代物。近年来，组织工程一直是国内外研究的热点，发展迅速并取得了诸多成果，但就其产品应用领域而言，目前主要集中在结构相对简单的骨组织工程和皮肤组织工程等少数几个领域。究其原因，很重要的一点就是，现有的组织工程结构体的体外构建方法(如电纺丝、模铸法等)难以构建具有天然组织类似的复杂的血管网络结构，致使结构体内部的细胞存活率低，因此难以实现大块组织的构建。
[0003]传统的组织工程遵循“细胞-支架复合”的“自上而下”的构建思路，即先成形支架，再把细胞种植到支架上。但是，当支架尺寸和复杂度提高到一定程度时，支架成形和细胞复合的难度将大大增加。细胞三维受控组装技术(Wang X H, Yan Y N, Zhang R J.Rapidprototyping as a tool for manufacturing b1-artificial livers.Trends in B1technology, 2007，25(11):505-513.)，即细胞3D打印技术，遵循“支架_细胞”一体化构建的思路。在细胞打印过程中，细胞(或细胞聚集体)与溶胶(水凝胶的前驱体)同时置于或者含细胞的培养液单独置于打印机的喷头中，由计算机控制含细胞液滴的沉积位置，在指定的位置逐点打印，在打印完一层的基础上继续打印另一层，层层叠加形成三维多细胞-凝胶体系。细胞打印技术的特点是可以保证细胞密度和分布的均匀性，并且可以实现多种细胞的共同组装和定点排布。但是氧气和营养物质的有效输送问题，即“血管化问题”仍然是该方法构建可移植复杂组织器官的瓶颈问题。
[0004]现有的通过细胞3D打印成形的组织器官都是按照一层一层的平面堆积而成的，因其成形的固有特点，微通道(血管)的成形依赖于成形精度及材料的性质。而且对于具有内腔结构组织器官的成形，依靠平面堆积的细胞打印技术在其成形过程中不可避免地需要增加支架或者转动成形台或喷头方位，大大增加了设计和成形的难度，有时甚至还无能为力。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于克服传统的组织工程中难以构建具有复杂血管和神经结构的空腔类组织器官，提供一种基于旋转堆积法制备组织器官的专用设备，该设备便于制备具有螺旋网状血管和神经的组织器官，特别适用于制备具有内腔结构的组织器官。
[0006]本实用新型的技术方案如下:
[0007]—种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，包括支撑装置、多喷头组件、运动机构以及成形装置；所述支撑装置包括支撑腿和底板；所述运动机构采用导轨-滑块机构，包括X向导轨、X向滑块、Y向导轨、第一 Y向滑块、第二 Y向滑块、Z向导轨、Z向滑块；所述X向导轨设在底板上，Z向导轨固接在X向滑块上，Y向导轨固接在Z向滑块上；其特征在于:所述多喷头组件至少含有六个喷头，分两组分别安装在第一 Y向滑块和第二 Y向滑块上；所述成形装置包括成形容器、支架和电机，成形容器安装在底板上并处于喷头组件的下方，支架安装在成形容器内并与电机输出轴相连。
[0008]上述技术方案中，所述第一 Y向滑块和第二 Y向滑块上分别开有与Y向导轨平行的第一小导轨和第二小导轨，第一小导轨和第二小导轨上分别安装第一小滑块和第二小滑块，第一小滑块和第二小滑块上开有固定喷头的孔。
[0009]所述支架为两端呈圆柱状、中间为棱柱状结构。所述多喷头组件包括至少两个挤压式喷头和四个喷洒式喷头，挤压式喷头的喷嘴内径分别为200μηι?Imm和50μηι?500 μ m,喷洒式喷头的喷嘴网孔直径为50 μ m?100 μ m。
[0010]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:
[0011]①本实用新型将溶芯法和3D打印方法结合起来，能成形传统3D打印方法难以成形的具有内腔的组织器官。②多喷头的使用可实现多种细胞非均质成形以及表面复合处理，满足天然组织器官对多种细胞的要求；③成形容器既能为细胞提供营养物质又可以洗涤凝胶表面的交联剂/聚合液及合成高分子中的有机溶剂，减小其对细胞的损伤。④该设备特别适用于成形传统组织工程难以成形的具有内腔的组织器官，如心房、肝脏前体、膀胱前体、肾脏前体或人工乳房等组织器官的制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的专用设备三维结构简图。
[0013]图2为第一 Y向滑块的三维结构简图。
[0014]图3为本实用新型的组织器官成形过程示意图。
[0015]图4为本实用新型的组织器官的结构示意图。
[0016]图中:101 -底板；102 -成形容器；103 -支架；104 -第一喷洒式喷头；105 -第二喷洒式喷头；106 - Z向滑块；107 - Y向导轨；108 -第三喷洒式喷头；109 -第一小滑块；110 -第一小导轨；111 -第一 Y向滑块；112 -第二 Y向滑块；113 -第一挤压式喷头；114 -第二挤压式喷头；115 -第四喷洒式喷头；116 -第二小滑块；117 -第二小导轨；118 - Z向导轨；119 -旋转电机；120 - X向滑块；121 - X向导轨；401 -内芯；402 -喷头组件；403 -材料；
404-水凝胶丝；405 -培养液；601 -主体部分；602 -血管(神经)；603 -内腔。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0018]图1是本实用新型提供的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，该设备包括多喷头组件、运动机构以及成形装置。所述运动机构由滑块一导轨(槽)实现，包括X向导轨121和X向滑块120、Y向导轨107和第一 Y向滑块111、第二 Y向滑块112、Ζ向导轨118和Z向滑块106以及第一小滑块109、第二小滑块116和第一小导轨110、第二小导轨117 ；所述X向导轨121设在底板101上；所述Z向导轨118固接在X向滑块120上；所述Y向导轨107固接在Z向滑块106上；所述第一小导轨110和第二小导轨117分别安装在第一Y向滑块111和第二 Y向滑块112上；所述多喷头组件至少含有六个喷头，包括至少两个挤压式喷头和四个喷洒式喷头，分两组分别固定在两个平行的Y向滑块上，第一喷洒式喷头104、第二喷洒式喷头105和第三喷洒式喷头108安装在第一 Y向滑块111上，其中第一喷洒式喷头104和第二喷洒式喷头105安装在第一 Y向滑块111上的喷头固定槽中，第三喷洒式喷头108安装在第一小滑块109的喷头固定槽上；第四喷洒式喷头115和至少两个挤压式喷头，第一挤压式喷头113和第二挤压式喷头114，安装在第二 Y向滑块112上，其中第一挤压式喷头113和第二挤压式喷头114固定在第二 Y向滑块112的喷头固定槽上，第四喷洒式喷头115安装在第二小滑块116的喷头固定槽上，第一挤压式喷头113和第二挤压式喷头114的喷嘴内径分别为200 μ m -1mm和50 μ m -500 μ m,四个喷洒式喷头喷嘴的网孔直径为50μπι-1OOym;所述成形装置包括成形容器102、支架103以及电机119，成形容器102安装在底板101上喷头组件的正下方，可拆卸的支架103安装在成形容器102内并与电机119的输出轴相连，所述支架103为具有一定力学强度的对细胞无毒性的固体材料，如不锈钢或者钛合金。
[0019]图2为第一 Y向滑块的三维结构简图，所述第一 Y向滑块上开有两个用来固定喷头的孔和一个能让喷头运动的大孔，大孔两边设有第一小导轨110，第一小滑块109可沿小导轨运动，带动其上的第三喷洒式喷头108轮流为第一喷洒式喷头104第二喷洒式喷头105工作，第二Y向滑块结构与第一Y向滑块类似。
[0020]图3为本实用新型的旋转堆积成形过程示意图，将含种子细胞的水凝胶和不含细胞的水凝胶分别装入设备中第一挤压式喷头113和第二挤压式喷头114中，交联剂/聚合液、神经细胞悬液和内皮细胞悬液分别装入第四喷洒式喷头115、第二喷洒式喷头105和第一喷洒式喷头104中，合成高分子溶液装入第三喷洒式喷头喷头108中，将支架103安装在成形容器102中并在成形容器102内装入细胞培养液405 ;启动成形设备，开始堆积成形，在成形过程中，支架103绕Y负向做旋转运动，喷头做平移运动，当成形组织器官主体部分时，第一挤压式喷头113运动到指定位置挤出含种子细胞的水凝胶缠绕在内芯上，同时装有交联剂/聚合液的第四喷洒式喷头115运动到第一挤压式喷头113的正后方喷洒出交联剂/聚合液对其进行交联/聚合；当成形血管时，第二挤压式喷头114运动到指定位置挤出不含细胞的水凝胶缠绕在内芯上，同时第四喷洒式喷头115运动到第二挤压式喷头114正后方，第一喷洒式喷头104和第三喷洒式喷头108分别运动到第二挤压式喷头114正前方，在旋转的内芯带动下，新缠绕的水凝胶依次运动至第四喷洒式喷头115下进行交联/聚合，经过培养液进行洗涤，经过第一喷洒式喷头104、第三喷洒式喷头108下进行喷洒内皮细胞和复合合成高分子；当成形神经纤维束时，第二挤压式喷头114运动到指定位置挤出不含细胞的水凝胶缠绕在内芯上，同时第四喷洒式喷头115运动到第一挤压式喷头113正后方，第二喷洒式喷头105和第三喷洒式喷头108分别运动到第二挤压式喷头114正前方，在旋转的内芯带动下，新缠绕的水凝胶依次运动至第四喷洒式喷头115下进行交联/聚合，经过培养液进行洗涤，经过第二喷洒式喷头105、第三喷洒式喷头108下进行喷洒神经细胞和复合合成高分子，如此反复缠绕堆积，直至成形所需的组织器官。
[0021]图4为本实用新型制备的组织器官的实施例的结构示意图，所述组织器官为回转体或近回转体，由内腔603和外围实体组成；所述内腔603为圆柱状、球状或者由其它曲面围成的闭合曲面形状；所述外围实体由含或者不含细胞的水凝胶丝缠绕堆积而成；含有种子细胞的水凝胶丝602缠绕形成主体结构，不含细胞的水凝胶丝603表面涂覆内皮细胞和合成高分子溶液形成血管系统，不含细胞的水凝胶表面涂覆神经细胞和合成高分子溶液形成神经系统。利用该设备，可以实现如心房、肝脏、膀胱、肾脏或人工乳房等组织器官前体的制备。
【权利要求】
1.一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，包括支撑装置、多喷头组件、运动机构以及成形装置；所述支撑装置包括支撑腿和底板(101);所述运动机构采用导轨-滑块机构，包括X向导轨(121)、X向滑块(120)、Y向导轨(107)、第一 Y向滑块(111)、第二 Y向滑块(112)、Z向导轨(118)、Z向滑块(106);所述X向导轨(121)设在底板(101)上，Z向导轨(118)固接在X向滑块(120)上，Y向导轨(107)固接在Z向滑块(106)上；其特征在于:所述多喷头组件至少含有六个喷头，分两组分别安装在第一 Y向滑块和第二 Y向滑块上；所述成形装置包括成形容器(102)、支架(103)和电机(119)，成形容器(102)安装在底板(101)上并处于喷头组件的下方，支架(103)安装在成形容器(102)内并与电机(119)输出轴相连。
2.如权利要求1所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，其特征在于:所述第一 Y向滑块(111)和第二 Y向滑块(112)上分别开有与Y向导轨平行的第一小导轨(110)和第二小导轨(117)，第一小导轨和第二小导轨上分别安装第一小滑块(109)和第二小滑块(116)，第一小滑块和第二小滑块上开有固定喷头的孔。
3.如权利要求1或2所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，其特征在于:所述支架为两端呈圆柱状、中间为棱柱状结构。
4.如权利要求1或2所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备，其特征在于:所述多喷头组件包括至少两个挤压式喷头和四个喷洒式喷头，挤压式喷头的喷嘴内径分别为200 μ m?1_和50 μ m?500 μ m,喷洒式喷头的喷嘴网孔直径为50 μ m?100 μ m。
【文档编号】A61L27/54GK204072388SQ201420533039
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】王小红, 周新伟 申请人:清华大学