[发明专利]一种异质细胞三维打印系统和方法

说明书

本发明涉及一种异质细胞三维打印系统，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和控制单元；所述控制单元首先控制挤出式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；本发明集成了微挤出式打印技术和基于交变滞惯力驱动的滴落式细胞滴落式细胞打印技术，既保证了宏观细胞团簇的高效构建，又有保证了微观单个细胞在团簇细胞附近微环境的构建，创造了一种兼顾效率和精度的体外异质细胞模型构建方法，具有重要的病理学、药理学应用潜力。

技术领域

本发明属于生物制造和细胞打印领域，具体地涉及到一种异质细胞精确受控组装设备和工艺。

背景技术

近年来，细胞打印技术在组织工程学、病理模型构建、药物筛选与检测、细胞行为研究等领域发挥着越来越重要的作用。在组织工程领域，细胞打印技术实现了异种细胞的三维受控组装，可以在体外构建出复杂组织的结构体，促进了组织工程向规模化、自动化、计算机辅助加工化的方向发展；在病理模型构建领域，细胞打印可以将病变细胞(如肿瘤细胞)与正常细胞进行特定顺序的组装，为医学工作者研究细胞癌变机理提供了有效的研究手段；在药物筛选与检测方面，利用细胞打印技术制造的细胞芯片可以降低药物筛选的成本、缩短药物筛选的周期以及减少动物实验等；在细胞行为研究方面，利用细胞打印技术还可以对特定种类和数量的细胞进行组装和排列，从而为研究细胞的增殖、迁移和分化等行为提供途径。

体外三维细胞模型的人工构建是国际生物医学及工程学科研究的最新前沿。2000年在德国Freiburg大学召开的“RP(快速原型)在生物医学的应用研讨会”首次探讨了以RP为基础的组织工程支架和器官打印技术(cell/organ printing)的发展。随后以组织器官修复与重建为目的，开发了各种基于微滴喷射的细胞三维直接受控组装和器官打印的新工艺。包括用于组织构建的基于微喷嘴的连续细胞挤压；低温沉积组织工程支架制造工艺；基于喷墨技术的细胞打印；细胞和细菌的激光直接写入；细胞和细菌的微接触印刷；通过机械的、光学的、电学的、磁的、超声的以及离子的方法进行的细胞操纵及通过照相或电蚀刻以及软光刻技术进行的细胞仿制。然而人体组织系统极其复杂，如：体内肿瘤组织普遍具有异质性，使得使得肿瘤学、药理学、药物开发和临床治疗等研究变得空前复杂。目前的细胞体外三维细胞模型的人工构建技术均采用单一的细胞打印方式，单一的细胞打印方式均存在各自的弊端，如微喷嘴的连续细胞挤压式有利于构建整体的细胞架构，而无法完成滴落式细胞打印的定点喷射，细胞和细菌的激光直接写入的方式有利于完成细胞的单个打印，但在无法完成细胞的整体架构的构建。若将不同的打印方式进行结合，刚可将不同打印方式的优点结合，完成高度仿生的复杂三维异质性肿瘤模型的打印，以满足对多细胞复杂结构组织的仿生构建要求。但是不同的打印方式的驱动不同，控制单元也截然不同，因此目前还没有将两种不同驱动的打印方式相结合的细胞打印设备。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中没有可将两种不同驱动的打印方式结合在一起的打印设备，而无法完成异质细胞三维打印的缺陷，本发明提供一种将两种不同驱动的打印方式结合在一起的异质细胞三维打印系统。

(二)技术方案

本发明所述的异质细胞三维打印系统，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。在打印的过程中，运动平台需在XY轴和Z轴方向进行较高运动精度的运动，挤出式细胞打印中需要进行连续信号的输出，滴落式细胞打印中需进行中脉冲信号的输出，本发明所述的控制单元可满足上述三种工作目标，而且具有较高的稳定性和精度。