[发明专利]用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械结构技术领域，涉及打印机喷头，特别是一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，利用该方法设计的压电式喷头可用于实现高粘度生物制剂的喷射，解决喷孔堵塞的问题并且可以有效地提高细胞的存活率。

背景技术

细胞打印技术是快速成型技术和生物制造技术的有机结合，可以解决传统组织工程难以解决的问题，在生物医学的基础和应用研究中有着广阔的发展前景。在传统的组织工程中，对受损器官的修复主要是将细胞在体外培养扩增后，附着在预先设计好的生物支架材料上，构成“细胞+支架”的复合体，再植入机体中相应的病损部位。而细胞打印技术是运用发育生物学中细胞自行组装的原理，就如胚胎组织形成功能性结构一样，通过逐层打印细胞可以形成三维组织结构。Saunders Rachel E,Gough Julie E在《Biomaterials》，2008年1月第2期发表的论文“Delivery of Human Fibroblast Cells by Piezoelectric Drop-On-Demand Inkjet Printing”的研究表明：细胞打印不但可行，而且是人工器官制造最有前景的途径之一。

通常，所有现有的细胞打印技术可大致分为2种，第一种为激光直写技术，另一种为基于喷墨打印的细胞喷射技术。

激光直写细胞打印技术，其优点在于无需喷头，不会出现喷孔堵塞的情况，并且可以喷射物性参数各异的生物制剂。但是，激光直写细胞打印技术也存在着很大的缺点，利用该技术喷射出的墨滴的速度一般达到50m/s～100m/s之间，并且喷射过程中会产生局部高温，这些都会对喷射的细胞造成伤害。Yafu Lin,Yong Huang,Gaoyan Wang等在《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”中说明：即使对于耐受能力较强的酵母细胞，仍有约10%～55%的细胞在打印后失去活性。

基于喷墨打印的细胞喷射技术，主要包括热泡式和压电式两大类。Thomas Boland,Tao Xu等在《Biotechnology Journal》,2006年9月第9期发表的论文“Application of inkjet printing to tissue engineering”中使用Canon Bubble Jet^TM和HP Desk jet^TM型喷墨打印机,打印出鸡胚胎神经元细胞和鹌鹑的胚胎干细胞。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。与热喷墨技术相比，压电喷墨打印技术由于其打印速度更快、对生物材料的损伤更小而应用范围更广。热泡式喷墨打印中，管道中的最高温度可达300℃，会破坏细胞或生物材料的内部结构。所以大部分研究均采用压电喷墨技术来打印细胞、生物材料和有机材料等。然而，Ji Suk Choi,Jae Dong Kim等在《Polymer》,2010年5月第10期发表的论文“Piezoelectric inkjet printing of polymers:Stem cell patterning on polymer substrates”中提到压电式打印方式只适应于粘度小于10mPa.s、表面张力30～70mN/m、细胞浓度低于10⁶cell/ml的生物制剂的喷射，否则根本无法喷出或引起喷孔堵塞从而使打印失效。此外，压电打印过程中喷头内部的压力较大，容易造成细胞损伤。Robert Chang和Jae Nam等人在《Tissue Engineering》，2008年1月第1期发表的论文“Effects of Dispensing Pressure and Nozzle Diameter on Cell Survival from Solid Freeform Fabrication–Based Direct Cell Writing”中通过一系列实验证明了喷头管道中的压力过大是造成细胞受损的主要原因。