[发明专利]一种类脑组织体外打印培养系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印与生物制造领域，具体涉及一种类脑组织体外打印培养系统及方法。

背景技术

大脑支配人的一切生命活动：语言、运动、听觉、视觉、情感表达等，它能够调节消化、呼吸、循环，大脑受损将使健康受到严重威胁。在医学上有些无法通过动物研究来找到病因并治愈的疾病，如精神分裂症和癫痫。如果能够在体外构建一个结构和功能和人类大脑相似的脑组织，可能会开辟一个能够治愈几乎所有的脑功能障碍和疾病的治疗方法。也将帮助医生更好地理解如何治疗严重颅脑损伤，甚至能够提供可植入人类大脑的组织。此外，和普通计算机相比，人脑拥有自我更新，学习，决策等优势，因此体外构建类脑组织的另外一个重要的应用前景就是利用类脑组织构建的计算机进行自然计算。因此，无论是在医疗领域还是计算机领域，实现脑组织的体外构建都具有重大意义。

大脑包含多个结构和功能区，如听觉区、视觉区、机体感觉区，。由于各个区具有不同的分层结构，并且每个区的层厚、细胞类型和细胞密度均根据功能不同而梯度变化的，传统的方法很难制造这样多梯度的薄层结构，导致无法实现脑组织的功能，因此将3D打印作为脑组织体外构建的主要手段具有其他加工方法无法比拟的优势。但是，传统的脑组织体外构建方式是在打印系统中进行组织打印然后转移至生物反应器中进行后期培养，传统的单头打印机理可能会影响待样品槽中待打印细胞的生理环境导致最终成活率下降等一系列分化问题，进而影响打印的类脑组织的功能构建。并且打印设备和生物反应器分离使操作步骤变得繁琐，同时增加了类脑组织污染和受损的风险。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种类脑组织体外打印培养系统及方法，该系统解决了类脑组织体外打印设备与生物反应器分离的问题，简化了脑组织体外构建的过程，实现类脑组织的分层梯度结构的构建和功能评估，并且在功能培养系统中引入富集颅内生理环境的多物理场刺激，可提高类脑组织体外打印的成功率和对类脑组织体外功能构建进行更为有效的诱导。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种类脑组织体外打印培养系统，包括盛装培养液的液槽25，布置在液槽25外壁上的CO₂传感器16、温度传感器17和O₂传感器18，连接在液槽25的培养液入口15和培养液出口19管路上的蠕动泵4和培养液罐5，布置在液槽25内壁上与培养液接触的换能器14和电极片24，与换能器14连接的声波发生器7，与电极片24连接的信号发生器8，布置在液槽25周围的气体入口10、可见光源11、制热器件12和制冷器件13，与气体入口10连通的CO₂和O₂瓶6，与CO₂和O₂瓶6、声波发生器7、信号发生器8、可见光源11、制热器件12和制冷器件13连接的控制箱32，通过控制箱32向液槽25施加磁场20，与CO₂传感器16、温度传感器17和O₂传感器18连接的信号采集器30；还包括放置打印喷头27的打印喷头盒2，布置在打印喷头盒2内的CO₂传感器3，CO₂传感器3与信号采集器30连接；打印培养时，通过机械手1将打印喷头27夹持并安装在位于液槽25上方的移动平台28上，并通过接头29将打印喷头27与喷头动力源9连接，喷头动力源9与控制箱32连接，计算机31分别与信号采集器30和控制箱32连接；还包括设置在液槽25中的升降台26，升降台26用于放置打印的类脑组织；所述机械手1、打印喷头盒2、CO₂传感器3、气体入口10、可见光源11、制热器件12、制冷器件13、换能器14、培养液入口15、CO₂传感器16、温度传感器17、O₂传感器18、培养液出口19、磁场20、大脑白质21、大脑灰质22、微电极23、电极片24、液槽25、升降台26、打印喷头27、移动平台28和接头29构成打印培养模块；所述培养液罐4、蠕动泵5、CO₂和O₂瓶6、声波发生器7、信号发生器8、喷头动力源9、信号采集器30、计算机31和控制箱32构成控制模块。

所述的类脑组织体外打印培养系统将类脑组织体外打印与体外培养集于一体，在进行类脑组织体外打印的同时能够对已完成打印的部分进行体外培养，打印完成后作为生物反应器为脑组织提供生长环境。