一种异质细胞三维打印系统和方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

Heterogeneous cell three-dimensional printing system and method

The invention relates to a heterogeneous cell 3D printing system, including motion platform, fixed on the moving platform on the extrusion type cell printing mechanism and dripping type cell printing mechanism for observation and control unit observation and feedback cell printing conditions; the control unit to control the first extrusion type printer the three-dimensional cell cell the structure of the hydrogel print, and then control the dripping type cell printing mechanism of single or multiple cells printed on the cell structure of three-dimensional hydrogel; the invention integrates micro extrusion type printing technology and dripping type cell into cell printing technology based on variable delay inertial force driving, which ensures the efficient construction of macro cell clusters cluster, and ensure the construction of micro single cell micro environment in the vicinity of cell clusters, creating a balance between efficiency and accuracy of in vitro differentiation The construction method of qualitative cell model has important potential applications in pathology and pharmacology.

【技术实现步骤摘要】
一种异质细胞三维打印系统和方法
本专利技术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。
技术介绍
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/organprinting)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。
技术实现思路
(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，本专利技术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)技术方案本专利技术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，本专利技术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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。本专利技术中，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。优选的，往复运动机构选择为封装压电陶瓷。利用压电陶瓷在接受电信号后产生伸长和收缩的特点，带动微喷头实现往复运动，利用往复运动中的摩擦力和惯性力实现液滴的滴落。本专利技术中，所述观测单元包括水平观测显微镜和竖直观测显微镜。其中，水平显微镜对喷头工作高度和喷头内细胞排布进行观测，竖直显微镜对水凝胶中的细胞进行定位。通过两个显微镜同时从两个方向进行观察，一方面可以避免倾斜观察所造成的视场误差，提高观测的精度；另一方面根据观测得到的结果可以对滴落式打印的液滴位置进行确定，提供了一种根据水凝胶中细胞分布进行打印的实时反馈的随形打印方法。本专利技术的另一目的是提供利用本专利技术所述的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。本专利技术中，所述微挤出式细胞打印中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。打印完毕后水凝胶丝的直径在100-800微米之间。本专利技术中，所述滴落式细胞打印在挤出式细胞打印完毕后立即开始，或者在所述宏观水凝胶丝培养形成细胞团簇后再进行。所述两种不同的打印过程中，前者在构建微环境过程中需利用细胞的增值、迁移和自组装的特性，后者则直接构建出与体内类似的团簇状肿瘤组织。两种不同的方法，得到的模型存在一定的区别，可分别对细胞模型产生过程中的细胞生长等生理活动和肿瘤药物检测等进行医学研究。本专利技术中，所述滴落式细胞打印的最本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的打印系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1或2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。4.根据权利要求1或2所述的打印系统，其特征在于，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。5.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。6.利用权利要求1～5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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，姚睿，刘天坤，赵龙，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11