专利名称：一种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法
技术领域：
本发明属于组织工程领域，具体是ー种使用微压电喷头控制的細胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，用于实现高粘度生物制剂的喷射并解决堵头现象。
背景技术：
細胞打印作为代替传统的生物可降解的固体支架法的一项新技术，它在组织工程中具有巨大发展潜能。它运用发育生物学中細胞能自行组装的原理，就像胚胎组织形成功能性结构一祥，通过逐层打印細胞可以形成三维组织结构。与基于三维多孔支架的細胞成形相比，細胞打印方式是在计算机辅助下，而不仅仅是靠細胞之间的黏连、増殖与分化成形的。Saunders Rachel Ε, Gough Julie E 在《Biomaterials》，2008 年 1 月第 2 期发表的论 JC "Delivery of Human Fibroblast Ceils by Piezoelectric Drop-On-Demand Inkjet Printing"的研究表明細胞打印不但可行，而且是人工器官制备最有前景的途径之一。目前，細胞打印主要有ニ种方式，其一是激光直写方式，其ニ是类似喷墨打印的细胞喷射方式。激光直写細胞打印技术研究已经取得了ー些进展。基板是由涂满金属氧化层和细胞悬液的光学透明石英盘组成的。金属氧化层吸收激光能量后，会将定量的细胞悬液蒸发并将其射到接收基板上。这种技术的优点在于无需喷头，因此避免了喷ロ堵塞问题，便于打印出高粘度的生物制剂，然而，局部的加热会引起高温和高喷射速度，一般在50m/s到 100m/s之间。高温高压会对细胞造成伤害，Yafu Lin, Yong Huang, Gaoyan Wang et al在 ((Journal of Applied Physics》，2009 年第 106 期发表的论文“Effect of Laser Fluence on Yeast Cell Viability in Laser-assisted Cell Transfer”的研究表明即使对于耐受カ较强的酵母細胞，仍有约10%到55%的細胞在打印后失去活性。另外，細胞基板需要提前准备，不适合多細胞的打印。另ー个用于细胞打印的常用技术是按需喷墨打印技木，包括热泡和压电式两大类。Xiaofeng Cui，Thomas Boland 在《Biomaterials》，2009 年第 30 期发表的论文 “Human Microvasculature Faorication Using Thermal Inkjet Printing Technology. Biomaterials"中使用惠普热泡式打印机同时打印了人类微脉管内皮細胞和纤维蛋白，打印出了纤维蛋白基板和微血管系统。Yamazoe Hironori，Tanabe Toshizu在 ((Journal of Biomedical Materials Research)), 2009 年 12 月第 4 期发表的论文 "Cell Micropatterning on An Albumin-based Substrate Using An Inkjet Printing Technique”介绍了使用喷墨打印机打印聚乙烯亚胺形成了有图案和字体的清蛋白基板。 Saunders Rachel Ε, Gough Julie E 在《Biomaterials》，2008 年 1 月第 2 期发表的论 JC "Delivery of Human Fibroblast Ceils by Piezoelectric Drop-On-Demand Inkjet Printing”也成功的打印了人类纤维細胞。Jae Dong Kim, Ji Suk Choi在《Polymer》，2010 ^· 5 @ 4 Ε 丄 O 51 ^ :曰勺 i^3C“Piezoelectric ink jet printing of polymers :Stem ceil patterning on polymer substrates”使用压电喷墨打印机打印人类衍生脂肪干細胞形成了聚苯乙烯基板。由于它们喷射速度较低(大概为5 8m/s)和細胞受到压力小，所以細胞存活率很高，尤其是压电喷墨技术，不会加热细胞悬液，是ー种极具潜力的細胞打印方式。 目前細胞打印多是将培养好的細胞装载在干净的墨盒中使用商用喷头喷射，由于此类喷头是为喷射墨水设计的，在喷射具有不同物性參数的生物制剂时存在两个主要问题，其ー是难以喷出高粘度、高密度的液体，其ニ是喷射不畅易导致喷孔堵塞，从而严重阻碍了細胞打印的工程实现。
发明内容
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提供一种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，以便捷地实现具有不同物理特性生物制剂的喷射，并消除堵塞喷孔现象。本发明的目的是这样实现的，一种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是包括喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片，喷墨通道一端至喷孔，另一端与喷墨液箱相通，喷墨通道外侧有压电片，压电片在喷墨通道的上下分布；其步骤是101，初始阶段102，根据喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片的參数计算墨水正常喷墨状态下的压カ波宽度；103，通过驱动电路产生一个大于墨水压カ波宽度的方波信号作用在压电片上；104，通过传感器检测喷墨液箱和喷墨通道至喷孔的喷射生物制剂压カ波宽度；105，如压カ波宽度小于初次输入的方波信号宽度，则进行下一歩，如相等，则转入调整驱动信号幅值阶段；106，重新调整驱动电路产生的方波宽度；107，新调整的方波宽度通过驱动电路再次作用在喷墨通道两侧的压电片上；108，转步骤 104，109，根据非平衡态的Bernoulli方程，调整驱动信号幅值，使预估液滴出口速度为 14m/s ；110，根据指令，以检测到的压カ波宽度和等于输入的方波信号宽度的方波信号宽度，以产生预估液滴出ロ速度为14m/s的信号幅值作用在喷墨通道两侧的压电片上。110，根据指令，以检测到的压カ波宽度等于输入的方波信号宽度的方波信号宽度作用在喷墨通道两侧的压电片上。所述的压力波宽度或压カ波周期是喷射液体的反馈电压U的两个峰值之间的时间差。根据喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片的參数计算其正常喷墨状态下的压カ波宽度波传导公式t。pt = L/v,其中，L为腔体长度；ν为压カ波传导速度；t-为波传导时间，也称压カ波周期，为一个压カ波在腔体的一端传导至另一端所需要的时间。所述的喷墨通道两侧的压电片即是驱动器又是传感器。通过传感器检测喷墨液箱和喷墨通道至喷孔的压カ波宽度是当驱动电压V作用于压カ片时，压电片产生变形，当喷射液体对压电片反作用力F 吋，压电片产生电荷q，它可用压电方程组来表示
权利要求
1.一种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是包括喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片，喷墨通道一端至喷孔，另一端与喷墨液箱相通，喷墨通道外侧有压电片，压电片在喷墨通道的上下分布；其步骤是101，初始阶段102，根据喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片的參数计算墨水正常喷墨状态下的压カ 波宽度；103，通过驱动电路产生一个大于墨水压カ波宽度的方波信号作用在压电片上； 104，通过传感器检测喷墨液箱和喷墨通道至喷孔的喷射生物制剂压カ波宽度； 105，如压カ波宽度小于初次输入的方波信号宽度，则进行下一歩，如相等，则转入调整驱动信号幅值阶段；106，重新调整驱动电路产生的方波宽度；107，新调整的方波宽度通过驱动电路再次作用在喷墨通道两侧的压电片上； 108，转步骤104，109，根据非平衡态的Bernoulli方程，调整驱动信号幅值，使预估液滴出ロ速度为 14m/s ；110，根据指令，以检测到的压カ波宽度和等于输入的方波信号宽度的方波信号宽度， 以产生预估液滴出口速度为14m/s的信号幅值作用在喷墨通道两侧的压电片上。
2.根据权利要求1所述的ー种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是所述的压カ波宽度或压カ波周期是喷射液体的反馈电压U的两个峰值之间的时间差。
3.根据权利要求1所述的ー种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是根据喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片的參数计算其正常喷墨状态下的压カ波宽度波传导公式:topt = L/v,其中，L为腔体长度；ν为压カ波传导速度；t-为波传导时间，也称压カ波周期，为ー个压カ波在腔体的一端传导至另一端所需要的时间。
4.根据权利要求1所述的ー种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是所述的喷墨通道两侧的压电片即是驱动器又是传感器。
5.根据权利要求1所述的ー种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是通过传感器检测喷墨液箱和喷墨通道至喷孔的压カ波宽度是当驱动电压V作用于压カ片时，压电片产生变形，当喷射液体对压电片反作用力F吋， 压电片产生电荷q，它可用压电方程组来表示u β其中，U为压电片的变形；d为压电片电荷常数；C为压电片电容；V为加到压电片上的瞬时电压；F为液体作用于压电片的反作用力；q为压电片上的电荷量；q是由两部分ql和 q2組成的，第一部分是由压电片作为作动器作用时产生，定义为q2，是由驱动电压V通过电容C通过直接路径产生；第二部分是由压电片作为传感器产生，定义为ql，是由喷射液体通对压电片作用力F通过电荷常数d间接作用产生，只有ql是我们所需要的传感器信号； q = ql+q2 = dF+CV (2)如果将压电片看成是ー个电容，则反馈电压存在关系2dHkVCdFU = ql/C (3)(3)式带入(2)式得到反馈电压U = dF/C (4)因为压电片的长度相对于喷墨渠道来说，比较小。近似认为压电片的变形一致，则(4)式为U = dpA/C (5)由于模型中只在ー个方向存在变形，则压电常数d = d33 ； C = Sp* ξ 33/h (6)ξ 33 = ξ 0 ξ r(7)式中，d33为压电片的压电常数，も为喷射液体与压电片的作用面积，当认为变形一致的情况下，も近似认为是Α，ξ 33为压电片的介电常数，ξ ^为真空情况下的介电常数，ξ ^为相对介电常数，h为压电片的厚度；则(6)和(7)带入(5)式化简后，可得U = (d33hp)m0lr) (8)
6.根据权利要求1所述的ー种细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法， 其特征是所述的非平衡态的Bernoulli方程是
全文摘要
本发明属于组织工程领域，具体是一种使用微压电喷头控制的细胞打印的自适应喷墨驱动控制方法，其特征是包括喷墨液箱、喷墨通道、喷孔及压电片，喷墨通道一端至喷孔，另一端与喷墨液箱相通，喷墨通道外侧有压电片，压电片在喷墨通道的上下分布。它用于实现高粘度生物制剂的喷射并解决堵头现象。
文档编号B41J2/01GK102555555SQ201210001408
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者徐荣泽, 胡飞飞, 范建宇, 黄进 申请人:西安电子科技大学