一種細胞3D打印系統技術方案

本實用新型專利技術提供一種細胞3D打印系統。一種細胞3D打印系統，其中，包括恒溫艙以及設在所述恒溫艙內的料筒，所述恒溫艙底部設有噴嘴系統，所述料筒與所述噴嘴系統連通，所述噴嘴系統上設有用于噴嘴系統噴出包含細胞的液滴時，在噴嘴系統和包含細胞的液滴之間形成氣流保護層的氣流發生裝置。本實用新型專利技術結構簡單，使用方便，可以有效減少打印過程對細胞活性可能造成的損傷，進一步地，可以實現單細胞3D打印，并提高成型的靈活性和成型效率。

A cell 3D printing system

The utility model provides a type of cell 3D printing system. A cell 3D printing system including a thermostat and a barrel in the thermostat chamber. The bottom of the thermostat is provided with a nozzle system connected to the nozzle system. The nozzle system is provided with a nozzle system and a liquid droplet containing cells when the nozzle system is used to spray the droplets containing cells. An airflow generator that forms an airflow protection layer. The utility model has the advantages of simple structure, convenient use, and can effectively reduce the damage to cell activity in the printing process. Further, the single cell 3D printing can be realized, and the flexibility and molding efficiency of the molding can be improved.

【技術實現步驟摘要】
一種細胞3D打印系統
本技術涉及生物組織工程
，更具體地，涉及一種細胞3D打印系統。
技術介紹
組織工程是融合工程學、生命科學和材料科學等學科，通過模仿人體組織器官形成的過程在體外構建和培養具有生物活性的結構體。這其中，3D打印技術因為其可使用多種材料成型任何復雜的三維結構，成為組織工程領域最有力的研究手段。3D打印技術的原理就是分層制造，層層累積。傳統的細胞打印噴頭就是將細胞與生物材料混合后并擠出形成一條絲線狀，在多次往復形成面，面的堆積繼而形成相應的三維結構。這其中典型的噴頭就是電機助推式噴頭。圖1是傳統的電機助推式噴頭三維結構剖分示意圖，直線步進電機固定在運動裝置支架上，螺桿在直線步進電機的帶動下可對噴頭內的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴擠出，加熱棒和隔熱外套安裝在噴頭下段使噴頭內的成形材料保持設定的溫度。圖2是傳統電機助推式噴頭擠出效果，圖3是傳統噴頭擠出材料橫截面示意圖，從圖中可以看到細胞是被包括在生物材料中擠出，多個細胞被同時擠出，并且細胞在其中的位置是隨機不可控的。細胞在擠出過程中沒有保護，受到噴嘴內徑產生的剪切力的影響，會導致細胞膜破裂死亡等現象產生，大大降低了細胞的活性。因此，此種設計雖然簡單可靠，但是也有以下不足之處：1)成型精度不高無法實現針對單細胞的噴射，傳統打印噴頭最小的內徑是150μm左右，遠遠大于細胞直徑10μm的尺寸，會同時將多個細胞擠出，細胞在成型體中的位置是隨機不可控的；2)在擠出時細胞會受到噴嘴內部產生的剪切力的影響，使得細胞活性受到損傷；3)擠出的速率較低，成型的效率不高。
技術實現思路
本技術為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種細胞3D打印系統。該3D打印系統結構簡單，使用方便。可以減少打印過程對細胞活性可能造成的損傷，進一步地，可以實現單細胞3D打印，并提高成型的靈活性和成型效率。為解決上述技術問題，本技術采用的技術方案是：一種細胞3D打印系統，其中，包括恒溫艙以及設在所述恒溫艙內的料筒，所述恒溫艙底部設有噴嘴系統，所述料筒與所述噴嘴系統連通，所述噴嘴系統上設有用于噴嘴系統噴出細胞時，在噴嘴系統和細胞之間形成氣流保護層的氣流發生裝置。細胞懸浮液盛裝在料筒中，恒溫艙能夠給細胞懸浮液提供一個恒溫環境，避免因外界環境因素變化而造成細胞活性損傷；料筒中的少部分細胞懸浮液進入到噴嘴系統，并從噴嘴系統中以包含細胞的液滴形式噴出，最終在底板上排列出相應的形狀，噴嘴系統在噴出包含細胞的液滴時，氣流發生裝置在包含細胞的液滴和噴嘴系統的噴嘴內壁之間生成一層氣流保護層，起到了保護作用，減小包含細胞的液滴與噴嘴系統的噴嘴內壁之間的剪切力，提高了細胞存活率。進一步的，所述噴嘴系統包括內噴嘴、外噴嘴以及設在所述內噴嘴后端用于擠出包含細胞的液滴的驅動裝置，所述外噴嘴套設在所述內噴嘴的前端，噴射的細胞從噴嘴噴出的一端為噴嘴的前端，外噴嘴內壁與內噴嘴外壁之間間隔一定距離；所述氣流發生裝置包括設在所述外噴嘴后端外壁上的進氣管，以及相對設置在所述外噴嘴前端外壁上的導氣管，所述導氣管向著所述外噴嘴的前端傾斜，導氣管的中心軸線與外噴嘴的中心軸線之間的夾角為30~60°，優選的，所述導氣管的中心軸線與外噴嘴的中心軸線之間的夾角為45°。內噴嘴的作用是噴射出包含細胞的液滴，在外噴嘴的進氣管上通入高壓氣體，并在外噴嘴的導氣管上施加抽吸力，這樣內噴嘴和外噴嘴中間就形成了穩定向下噴射的氣流，當包含單細胞的液滴噴射到外噴嘴時，包含細胞的液滴與外噴嘴內壁之間就有一層氣墊，起到了保護作用，減小包含細胞的液滴與外噴嘴內壁之間的剪切力，提高了細胞存活率，氣體順著外噴嘴的內壁噴射到外噴嘴的前端時，絕大部分氣流就會由位于外噴嘴前端的導氣管排出，避免影響從外噴嘴噴射出來的包含細胞的液滴的運動方向。導氣管向著所述外噴嘴的前端傾斜可以保證絕大部分氣流被導氣管抽吸排出。進一步的，所述料筒與所述噴嘴系統通過管道連接，料筒與所述噴嘴系統之間的管道上設有單向閥。料筒中的細胞懸浮液，極小部分經由單向閥后進入內噴嘴，單向閥可以防止細胞懸浮液回流。進一步的，所述內噴嘴的內徑大于單個細胞的直徑，且小于150μm，優選的，所述內噴嘴的內徑為20~90μm，外噴嘴的內徑為100~200μm。這樣，內噴嘴的內徑稍大于細胞的直徑10μm，遠小于傳統3D打印噴頭的最小內徑150μm，以保證驅動裝置驅動內噴嘴噴出的包含細胞的液滴中只包含一個單細胞，從而實現單細胞的3D打印。進一步的，所述驅動裝置包括設在所述內噴嘴后端的驅動膜片、前端與所述驅動膜片緊貼的推桿以及連接在所述推桿后端的壓電陶瓷。壓電陶瓷在脈沖電壓的刺激下變形，推動下方的推桿，進而推動驅動膜片變形，驅動膜片向下變形，內噴嘴內部的體積變小壓力增大進而擠出一個包含細胞的液滴；擠出液滴時單向閥關閉，液滴從內噴嘴擠出，當壓電陶瓷往回收縮帶動驅動膜片向上變形時，內噴嘴內部壓力減小，單向閥打開，貯存在料筒中的細胞懸液順著管路進入內噴嘴，完成一個循環。壓電陶瓷在脈沖電壓的控制下可控的變形進而推動液滴一個個的噴出。進一步的，所述外噴嘴的下方依次設有用于使從所述外噴嘴噴出的細胞帶上電荷的極化電場，以及用于控制帶上電荷的細胞在底板上排列出相應形狀的偏轉電場。噴嘴系統噴出的細胞在極化電場的作用下帶上電荷，然后經偏轉電場的控制在底板上排列出相應的形狀。本技術還提供上述細胞3D打印系統的打印方法，包括以下步驟：S1.選擇需要的細胞和生物材料，按照合適的比例配比，制成細胞懸浮液，裝入料筒備用；S2.開啟恒溫艙、極化電場和偏轉電場，向進氣管通入高壓氣體，并在導氣管上施加抽吸力，使得內噴嘴和外噴嘴中間形成穩定向下噴射的氣流；S3.料筒中的細胞懸浮液，經單向閥進入內噴嘴，啟動驅動裝置，將細胞懸浮液以一個個液滴微球的形式從內噴嘴擠出進入外噴嘴，然后從外噴嘴噴出；S4.從外噴嘴噴出包含細胞的液滴微球進入極化電場，包含細胞的液滴微球在極化電場的作用下帶上電荷；S5.帶上電荷的包含細胞的液滴微球進入偏轉電場，在偏轉電場的控制下，在底板上排列出相應的形狀。進一步的，步驟S1中，所述細胞為脂肪干細胞、骨髓充間質干細胞、心肌細胞、雪旺細胞、肝細胞和癌細胞等中的任意一種。步驟S1中，所述生物材料為纖維蛋白原、膠原、明膠、絲素、藻酸鹽、透明質酸和殼聚糖等中的任意一種。與現有技術相比，本技術具有如下有益效果：本技術的細胞3D打印系統在噴嘴系統上增加了氣流保護，使得包含細胞的液滴與噴嘴內壁之間形成一層氣墊，減弱甚至是消除了細胞受到的剪切力的不利影響，大大提高了細胞存活率。本技術提供的細胞3D打印系統的內噴嘴和外噴嘴的內徑都較小，提高了細胞成型精度，實現針對單細胞的3D打印。傳統打印噴頭因為噴嘴內徑較大，是多個細胞同時的被擠出，并且細胞在擠出材料中的位置是隨機不可控的。同時，本技術的3D打印系統使用壓電陶瓷來驅動噴射單細胞，再加上電場來控制細胞的排布，全電子化控制，成型效率高。附圖說明圖1是傳統電機助推式噴頭三維結構剖分示意圖。圖2是傳統電機助推式噴頭擠出材料效果圖。圖3是傳統電機助推式噴頭擠出材料橫截面示意圖。圖4是本技術的整體結構示意圖。圖中：201—螺桿；202—直線步進本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種細胞3D打印系統，其特征在于，包括恒溫艙（1）以及設在所述恒溫艙（1）內的料筒（2），所述恒溫艙（1）底部設有噴嘴系統，所述料筒（2）與所述噴嘴系統連通，所述噴嘴系統上設有用于噴嘴系統噴出細胞時，在噴嘴系統和細胞之間形成氣流保護層的氣流發生裝置。

【技術特征摘要】
1.一種細胞3D打印系統，其特征在于，包括恒溫艙（1）以及設在所述恒溫艙（1）內的料筒（2），所述恒溫艙（1）底部設有噴嘴系統，所述料筒（2）與所述噴嘴系統連通，所述噴嘴系統上設有用于噴嘴系統噴出細胞時，在噴嘴系統和細胞之間形成氣流保護層的氣流發生裝置。2.根據權利要求1所述的一種細胞3D打印系統，其特征在于，所述噴嘴系統包括內噴嘴（3）、外噴嘴（4）以及設在所述內噴嘴（3）后端用于擠出包含細胞的液滴的驅動裝置，所述外噴嘴（4）套設在所述內噴嘴（3）的前端，外噴嘴（4）內壁與內噴嘴（3）外壁之間間隔一定距離；所述氣流發生裝置包括設在所述外噴嘴（4）后端外壁上的進氣管（5），以及相對設置在所述外噴嘴（4）前端外壁上的導氣管（6），所述導氣管（6）向著所述外噴嘴（4）的前端傾斜。3.根據權利要求2所述的一種細胞3D打印系統，其特征在于，所述導氣管（6）的中心軸線與所述外噴嘴（4）的中心軸線之間的夾角為30~60°。4.根據權利要求3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李斯華，袁玉宇，
申請(專利權)人：廣州邁普再生醫學科技有限公司，
類型：新型
國別省市：廣東,44