[发明专利]一种三维生物打印装置和生物打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及组织工程中的生物打印技术领域，具体涉及一种三维生物打印装置以及基于三维生物打印装置的生物打印方法领域。

背景技术

三维打印技术是一种基于离散、堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三维模型数据，快速、准确地制造出零件或物体的实体模型。随着生物制造概念的提出，三维生物打印技术也在医学领域发挥越来越重要的作用。三维生物打印技术是以计算机三维设计模型为基础，通过软件分层离散和数控成型的方法，通过材料微滴和细胞材料单元的受控组装，设计和制造所需的具有生物活性的人工组织器官、医疗辅具、细胞三维结构等生物医学产品。目前三维生物打印技术主要分为两大类：喷墨成型技术和挤压成型技术。喷墨成型技术又根据生物墨滴的产生机理分成热发泡式、压电容积式、激光诱导、气动压力等。热发泡式是利用电加热元件产生的瞬间高温形成气泡，并喷射出材料液滴；压电容积式是利用压电晶体材料在脉冲电压的作用下发生形变，从而产生液滴；激光诱导是利用激光系统产生的高温形成汽化现象，产生小液滴；气动压力式是采用微型的压力阀，在恒定压力下的开闭形成生物墨滴。挤压成型技术是利用气动或电动压力挤压微喷管，使生物材料连续从微喷管中挤出成型。

德国Envision TEC公司开发了一款三维细胞打印装置Bio-plotter。该装置包括打印喷头和成形平台，打印喷头用气动的方法将溶胶态的细胞溶液喷射至成形平台上的交联剂溶液中，利用化学交联的方式使溶胶态的细胞溶液凝胶转变成凝胶态，从而实现打印成形。该装置的缺点在于：引入交联剂，固化后的材料单元表面存在交联剂，导致被制造的三维结构层与层之间的连接不可靠，难于成形高度较高的多层细胞三维结构，且成形结构的机械强度不高。

中国专利公开号CN 103750918 A公开了一种三维细胞打印装置，所述装置包括打印喷头、成形平台、两个风冷单元和制冷单元，或者两个冷源单元和制冷单元，细胞溶液为温敏型细胞溶液。该装置的成形方法是，由风冷单元和制冷单元形成覆盖打印出的细胞溶液的局部制冷成形区域，或者由冷源单元和制冷单元使得细胞溶液在打印喷出前至打印喷出后一直保持在被制冷的环境中，从而使温敏型细胞溶液从溶胶态转变为凝胶态，发生物理交联，从而实现成形打印。该装置的缺点在于：冷风单元和制冷单元或者冷源单元和制冷单元需在打印过程中持续工作制冷，能耗较大，且该装置中冷风单元和制冷单元与打印喷头连接，对装置的机械结构强度有较高要求，不利于长期工作的结构稳定性。

目前根据三维生物打印技术研发的生物打印装置，还存在以下局限性：1、挤压成型技术中采用的微喷管直径为30～60um，与细胞直径相近，由于细胞材料具有一定的粘性，故在打印过程中容易出现堵塞现象。2、生物打印装置在打印过程中没有考虑工作环境，空气中存在有害成分、各种病毒和过敏源，将直接影响细胞的生物活性。3、生物打印装置受结构和材料的限制，使用范围存在局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种三维生物打印装置，体积较小，可以打印多种生物材料，打印过程可观，能提高打印后的细胞存活率，适用于多种生物材料，使用范围广泛。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种三维生物打印装置，包括打印平台、喷头、喷头电控制器、两个带光源的CCD光学系统、等离子除菌机构、运动控制系统、气压控制机构、湿度调节器、温度控制单元、储液罐、可盛装培养液的敞口容器、安装架、外壳；外壳内设有固定的安装架，安装架位于外壳内偏上方，内设有可盛装培养液的敞口容器，可盛装培养液的敞口容器内设有打印平台，在打印平台上方安装架上设有喷头，喷头2喷口向下与打印平台相对应，在喷头的上方及左侧的安装架上分别设有带光源的CCD光学系统，外壳内还设有喷头电控制器、等离子除菌机构、运动控制系统、湿度调节器、温度控制单元、储液罐均安装在打印装置所述外壳内，喷头与储液罐相连，气压控制机构安装在打印装置所述外壳外与外壳相连,喷头电控制器由电压专用芯片及外围电路组成，压电喷墨打印喷头在电压驱动下产生液滴。

所述的喷头为压电喷墨打印喷头。通过控制压电喷头的给定脉冲信号，能将储液罐中的生物材料从喷头内顺利喷到打印平台上从而按要求完成打印任务，