[发明专利]一种生物3D打印培养一体化系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于3D打印与组织工程领域，具体涉及一种生物3D打印培养一体化系统及方法。

背景技术

细胞支架的3D打印与打印组织的体外培养是整个生物3D打印领域中最为关键的两个方面。传统的生物组织打印，大部分都是打印与培养是独立的两个部分，打印后再转移到相应的培养环境中，由于打印及转移过程中所处的环境与培养环境差异较大，不能达到培养环境要求，降低了细胞的打印质量和成活率。目前已有部分使用打印培养相结合的方式，将打印工作台直接放置于培养环境中从而使打印环境满足培养条件，省去了打印后的转移操作。但是，有限的培养空间及较高的培养温湿度要求，会提高对工作台构件材料、设计尺寸以及运动行程的要求。材料的防腐、丝杠轴承的润滑会对环境造成污染。即使找到了可以适应相应环境的材料，其机械性、使用寿命、加工难易程度、材料成本及无毒性等难以同时满足要求。

发明内容：

本发明提出了一种生物3D打印培养一体化系统及方法，保证在打印过程中不受外界环境及打印设备本身的影响，避免了3D打印工作台在较高的温湿度环境中，减小了对工作台构件材料的工作环境要求，更大限度的提高工作台的使用性能和寿命，降低了成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物3D打印培养一体化系统，由打印培养观测模块、运动模块和控制模块组成；其中，打印培养观测模块以生物培养系统2为主体，生物培养系统2内部配置喷头3和紫外光源9，喷头3下方设置半径可调节的固定卡具5，半径可调节的固定卡具5内固定培养皿8，培养皿8内为打印的细胞支架6，还包括对打印进行实时观测的微型摄像头4，所述生物培养系统2的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板7对其进行密封处理；所述运动模块包括机械臂13，控制机械臂13运动的三维移动工作台1以及为喷头3提供动力的电机12，所述三维移动工作台1通过机械臂13控制喷头3的移动，嵌入生物培养系统2的部分的机械臂13与柔性材料板7之间也保证密封；所述控制模块包括相连接的计算机11和控制器10，所述控制器10与电机12和三维移动工作台1连接；所述打印培养观测模块、运动模块和控制模块之间相互协同共同实现打印培养一体化，同时，这三个模块也相对独立，能够单独对任意一个模块进行调整与改进而不影响其他模块。

所述生物培养系统2的一侧设计成开口结构，并且使用柔性材料板7对其进行密封处理，同时嵌入生物培养系统2的部分的机械臂13与柔性材料板7之间也保证密封，这两处密封，既保证了生物培养系统2中的培养环境的稳定，也实现了打印培养观测模块与运动模块的分离；其中生物培养系统2的开口尺寸大小要根据三维移动工作台1的y，z轴向行程大小而设计，以防止影响所要打印细胞支架的预期尺寸；而且柔性材料板7的面积应该大于生物培养系统2的开口面积，具体的大小设定根据三维移动工作台1的xyz三轴移动的行程的大小来决定；这样，通过适当的增大柔性材料板7的面积来保证打印过程中三维移动工作台1的自由移动。

所述柔性材料板7的材料选择乳胶、橡胶、帆布、毛毡、聚酯类、聚酰亚胺类或聚氟等所有具有无菌、隔热的柔性材料。

所述生物培养系统2能够提供正常培养细胞的环境，其中包括：无菌、温度、湿度、电场、磁场、光照强度、CO₂浓度与O₂浓度方面的设定与调节。

嵌入生物培养系统2中的部分机械臂13和半径可调节的固定卡具5均使用铝合金、不锈钢或硬铝防锈材料，以防止设备生锈从而缩短设备的使用寿命且影响内部正常的无菌培养环境。

所述半径可调节的固定卡具5能够适用于不同尺寸半径的培养皿8的固定，便于满足打印不同尺寸即10×10mm²—150×150mm²的组织及所需培养环境个性化尺寸的设定。

所述运动模块中的三维移动工作台1的运动速度范围为0-50mm/s，xyz三轴行程都是150mm，且在此运动速度范围与行程的大小的条件下，能够达到10μm的定位精度，不会产生振动、爬行现象，保证了运动精度；所述喷头3的流量范围为0.14μl/min-52.95ml/min。

由计算机11向控制器10传输信号，通过控制器10来控制电机12对喷头3的注射器的挤压和三维移动工作台1的xyz三轴联动，这样能够通过直接在计算机上进行设定来实现喷头3的挤压与三维移动工作台1的运动集成化控制；解决了由于喷头3的材料挤压与三维移动工作台1的独立操控而导致的填料与移动之间的时差问题，从很大的程度上提高了打印的精确度。