[发明专利]一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种细胞3D打印装置及方法，涉及一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法。

背景技术

细胞打印是一种直接以生物材料和细胞为打印材料利用增材制造原理制造生物组织的生物3D打印方法。自然生物组织一般由多种细胞和材料组成，要求细胞打印机具备多材料多细胞复合打印的能力；自然生物组织中不同材料和细胞空间排列紧密联系密切，要求细胞打印机能够将材料和细胞精确打印到特定的空间位置；自然生物组织和细胞离体后需培养在特定培养液中，打印过程中缺乏细胞长期存活所需的条件，因此要求在尽量短的时间完成打印过程。

当前细胞打印设备大多采用单喷嘴喷头，所用喷头喷嘴尺寸较大，所喷射液滴体积较大，每滴液滴里面都包含大量细胞，无法控制液滴里面细胞的分布，难以实现将材料和细胞精确打印到特定的空间位置；同时，这类喷头受结构尺寸的限制，一台设备上所能集成的喷头数量十分有限，限制了设备多材料多细胞打印能力。

如上所述，当前细胞打印设备并不能满足构建生物组织对细胞打印设备的如下要求：为满足多材料多细胞复合打印的要求，细胞打印装置应具备集成并独立控制多只打印头的能力；为满足将材料和细胞精确打印到特定的空间位置的要求，细胞打印装置所使用的打印头应具备单细胞打印的能力；单细胞打印时单个打印液滴尺寸仅为数十皮升，如何利用如此微小的液滴构建宏观组织结构，并满足尽量缩短打印时间的要求(即如何在保证打印精度的前提下提高打印效率)，上述要求给细胞打印设备的开发提出了巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多微滴精准喷射的细胞3D打印装置及方法，该装置及方法能够通过多微滴同时打印生物软组织，并且打印速度快、精度高。

为达到上述目的，本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印装置包括机架、喷头模块、供液模块、基板、计算机、运动控制器、喷头控制器、以及用于带动喷头模块三维运动的三轴运动模块，喷头模块包括若干喷嘴，供液模块的出液口与喷头模块的入液口相连通，基板位于各喷嘴的正下方，计算机的输出端经喷头控制器与各喷嘴的控制端，机架上固定有用于检测喷头模块的位置信息的光栅尺，光栅尺的输出端与计算机的输入端相连接，三轴运动模块固定于机架上，喷头模块固定于三轴运动模块上，运动控制器的输出端与三轴运动模块的控制端相连接。

所述喷头模块为集成式多喷嘴压电式喷头，各喷嘴的内径为30-60um。

本发明所述的多微滴精准喷射的细胞3D打印方法包括以下步骤：

1)获取待打印生物软组织的三维模型，再将所述待打印生物软组织的三维模型输入到计算机中，计算机对所述待打印生物软组织的三维模型进行分层处理，得若干层二维截面数据，然后将所述二维截面数据发送至喷头控制器中，喷头控制器根据二维截面数据的精度要求控制各喷嘴的驱动电压；

2)供液模块将液态生物材料输入到喷头模块中，再调整喷头模块内液态生物材料受到的压力，运动控制器根据待打印生物软组织的三维模型规划喷头模块的运动路径；

3)光栅尺检测喷头模块的位置信息，并将所述位置信息发送至喷头控制器中，喷头控制器根据所述位置信息计算喷头模块的运动速度，然后根据喷头模块的运动速度以及该层二维截面数据控制各喷嘴的开关状态及喷射频率，三轴运动模块带动喷头模块匀速运动，使喷嘴将液态生物材料的微滴喷射到基板上，完成一层二维截面的打印，其中，液态生物材料的微滴的体积为35-85pl，相邻液态生物材料的微滴之间的间距为100-300um；

4)三轴运动模块带动喷头模块向上移动下一层二维截面的厚度，重复步骤3)，完成下一层二维截面的打印；

5)重复步骤4)，直至所有层二维截面打印完成为止，得生物软组织。

供液模块包括供液箱以及用于为供液箱提供气压的气源，供液箱的出液口与喷头模块的入液口相连通，气源的输出气压大于等于0.5mPa，气源的出气口处设有阀门。

喷头控制器通过控制喷嘴的驱动电压控制液态生物材料的微滴的喷射速度及大小，喷嘴的驱动电压为80V-150V，喷嘴的喷射频率为100Hz-12000Hz。

液态生物材料在10-30℃范围内的粘度为4-20cps、表面张力为20-55dyn/cm、pH为4-9。

液态生物材料中除细胞以外的微粒的直径小于1/10喷嘴内径。