[发明专利]一种异质细胞三维打印系统和方法

权利要求书

1.一种异质细胞三维打印系统，其特征在于，包括运动平台、固定于所述运动平台上的挤出式细胞打印机构和滴落式细胞打印机构，用于观测和反馈细胞打印情况的观测单元以及控制单元；

所述控制单元首先控制挤出式细胞打印机构完成立体细胞水凝胶结构的打印，然后控制滴落式细胞打印机构在所述立体细胞水凝胶结构上完成单个或多个细胞的打印；在打印的过程中，所述控制单元控制所述运动平台的三维运动，以实现在所需位置的打印；

所述控制单元包括工控机、PMAC控制器、信号发生器和功率放大器；

所述工控机与所述PMAC控制器和所述观测单元相连接，用于接收反馈信息和向PMAC控制器发出指令；所述PMAC控制器控制运动平台的三维运动和所述挤出式细胞打印机的挤出；进一步的，所述PMAC控制器还调整滴落式细胞打印机构的位置，通过控制信号发生器和功率放大器来控制细胞的滴落式打印；

所述滴落式细胞打印机构包括固定于所述运动平台的Z轴上的位置微调电机、压头、往复运动机构和与之相连的滴落式细胞打印用微喷头；其中，所述微喷头固定在往复运动机构上，所述往复运动机构依次与压头和位置微调电机相连；所述PMAC控制器与位置微调电机相连，用于微调所述微喷头的位置；所述PMAC控制器还控制信号发生器产生波形，所述波形经所述功率放大器放大后输送到所述往复运动机构上，通过往复运动机构的运动实现滴落式打印。

2.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于，所述挤出式细胞打印机构包括固定于所述运动平台的Z轴上的注射器驱动电机、压头、注射器及其喷头和保温套筒，其中，所述喷头安装在注射器口部，注射器固定在保温套筒内；注射器驱动电机在所述PMAC控制器的控制下，通过所述压头推动注射器活塞实现内部液体的连续挤出。

3.根据权利要求1或2所述的打印系统，其特征在于，所述观测单元包括水平观测显微镜和竖直观测显微镜。

4.利用权利要求1～3任一项所述打印系统进行异质细胞三维打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对所述异质细胞三维打印系统进行灭菌处理；

2)根据预先设计的模型，所述控制单元控制所述运动平台的Z轴高度和XY位置，并控制所述挤出式细胞打印机构进行打印，得到立体细胞水凝胶结构；

3)根据预先设计的模型和观测单元反馈的信息或仅根据预先设计的模型，所述控制单元调节所述运动平台的Z轴高度和XY位置，并通过对滴落式细胞打印机构位置的微调，实现双喷头工作状态切换和滴落式细胞打印的位置定位；

4)所述控制单元控制所述滴落式细胞打印机构通过基于交变滞惯力驱动的细胞打印技术，在所述立体细胞水凝胶结构上进行滴落式打印，得到异质细胞三维模型；

5)针对不同的模型需要，重复步骤3)和4)，直至构建出所需的异质细胞三维模型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述挤出式细胞打印的所述立体细胞水凝胶的凝结采用物理交联和化学交联，所述物理交联中，通过低温使所述立体细胞水凝胶结构中的明胶组分发生交联，变成凝胶状态；所述化学交联中，通过钙离子使所述立体细胞水凝胶结构中的海藻酸组分进行交联；具体地，在所述化学交联的过程中，向打印得到的立体细胞水凝胶结构中加入2～4％的CaCl₂溶液至浸没，并在室内条件下保持2～4min，然后吸走溶液，便实现了所述立体细胞水凝胶结构的化学交联，交联完毕后水凝胶丝的直径在100-800微米之间。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述滴落式细胞打印的细胞种类与所述立体细胞水凝胶结构中的细胞种类相同，或者为与所述立体细胞水凝胶结构中细胞种类不同的一种或多种细胞。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述滴落式细胞打印的最终细胞数目是单个或多个；具体的，对于最终细胞数目为单个，其操作工艺为：通过挤出式细胞打印完成后水凝胶丝中的细胞生长增殖形成细胞团簇，然后所述团簇细胞周围滴落打印单个细胞形成微环境；对于最终细胞数目为多个，其操作工艺为：通过挤出式细胞打印水凝胶丝中的细胞均匀分布形成微环境，并通过滴落式打印向水凝胶丝中直接添加较大细胞密度的细胞团簇。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，玻璃微喷管可以悬于含细胞结构体支架的上方一定高度进行特定图案或形状的滴落式细胞打印，或在支架的网格空隙处进行滴落式细胞打印，以实现在支架特定位置种植特定数量细胞。