一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法技术

一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法，属于组织器官制造技术领域。本发明专利技术基于光固化原理，采用气动、压电、电机助推喷射技术将含细胞或不含细胞的高分子溶液在计算机辅助的模型指导下，层层堆积起来，在波长为300-600nm光束的照射下固化成形，在此结构上再复合含不同细胞的高分子溶液形成细胞层，再将聚氨酯溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜。按照设定的成形步骤，最终制造出具有空间复杂形状和空隙结构的含合成高分子支架材料和多种细胞的三维结构体。本发明专利技术成形结构尺寸覆盖面广，工艺简单，细胞成活率高，具有良好的力学和生物学性能。

Device and method for assembling tissue and organ precursor based on light curing

The invention relates to a device and a method for assembling tissues and organs precursor based on light curing, which belongs to the technical field of tissue and organ manufacture. The invention is based on the principle of light curing, using pneumatic piezoelectric motor, booster injection technology will contain cells or cells containing polymer solution in the model of computer aided instruction, piled up in layers, at the wavelength of 300-600nm beam irradiation curing forming polymer solution on this structure and composite containing different cell forming cells then the polyurethane layer, solution in the form of mist spray, forming a protective film formed on the surface in vitro. In accordance with the set forming step, a three-dimensional structure containing a synthetic polymer scaffold and a plurality of cells with a space complex shape and a void structure is finally manufactured. The invention has the advantages of wide molding structure, wide coverage, simple process, high cell survival rate and good mechanical and biological performance.

【技术实现步骤摘要】
—种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法
本专利技术属于组织器官制造
，特别涉及。
技术介绍
大块软组织及内脏器官(如心、肝、脾、肺、肾等)，是人体的重要组成部分，由于疾病、创伤和老化引起的相关损伤和功能障碍，严重危害人体健康和生命质量。传统的临床方法，目前还存在许多局限性，特别是不能实现体外重建细胞受控分布的结构体。而制造科学和生命科学的交叉融合，催生了细胞受控组装技术，这一技术，为体外直接构建具有新陈代新机能的器官替代物开辟了新途径。低温沉积制造 工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。低温沉积制造具体的工艺过程为:①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压、喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形机。然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同细胞和细胞外基质材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。原有的单喷头和双喷头无法满足复杂组织器官快速制造的要求；中国专利文献(申请号201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为两个固定式的电机助推式喷头，成形台设置在三维运动装置上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时三维运动装置使工作喷头与成形台对正。步进电机固定在Z向运动装置支架上，螺杆在直线步进电机的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴喷出，加热棒和隔热外套安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。此种设计简单可靠，但是，固定式多喷头成形系统有以下不足之处:①低温沉积制造需要零下40度的低温环境，低温会对细胞的成活率产生不利影响，并且需要添加冻存剂，工艺较为复杂。②原有系统只有两个喷头，即能使用两种材料，但是复杂组织器官都包含有多种材料和细胞，现有设备不能满足复杂组织器官前体的制造。③无法对成形体侧表面进行喷涂，电机助推式快速成形喷头需要竖直安装，如果进行水平安装，则浆料从喷嘴挤出后会在自身重力的作用下滴落，无法在成形体侧表面附着。④成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高。
技术实现思路
本专利技术针对已有技术的不足之处，提供，本专利技术采用气动喷涂、电机助推式挤压和压电挤压等多种喷涂技术相结合，通过光线照射使含光敏材料的高分子溶液使其在常温环境下快速固化，提高了多种细胞、多方位成 形时的灵活性和精度。本专利技术的技术方案如下:一种基于光固化的组织器官前体组装设备含有支架、控制单元、旋转成形台、升降台、喷涂装置和灭菌装置以及安装在支架顶部的X向运动机构和Y向运动机构，升降台安装在支架底部，X向运动机构安装在Y向运动机构上，其特征在于:该设备还包括喷阀挂架、喷阀选取装置和偏转台；所述的喷涂装置悬挂在喷阀挂架上，喷涂装置至少采用3套；喷阀挂架固定在支架上，喷阀选取装置固定安装在X向运动机构上，偏转台安装在升降台上；所述的旋转成形台安装在偏转台的顶部；每套喷涂装置包括设置在底板上的喷头、喷涂溶液针筒、连接板、直线轴承和两个波长为300-600nm的点状光源，点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。上述技术方案中，所述的喷阀选取装置包括定位销、定位板和电动夹钳；电动夹钳与喷涂装置的连接板相配合；定位销与喷涂装置的连接板上的定位孔相配合。所述喷头包括气动喷头、电动助推式喷头和压电喷头。所述的气动喷头包括喷雾阀和喷射阀中的一种或两种的组合，气动喷头通过气体管路与高压气体源相连接。本专利技术的技术特征还在于:喷阀挂架包括多个悬挂单元，每个悬挂单元由支撑板、磁铁和两个悬挂杆组成；每个悬挂单元的两根悬挂杆与喷涂装置的两个直线轴承对应插入，支撑板固定安装在支架上。本专利技术提供的一种基于光固化的组织器官前体组装方法，其特征在于该方法包括如下步骤:I)喷阀选取装置在控制单元的控制下，首先选择并卡紧一套装有不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，使两个波长为300-600nm的点状光源出射的两束光同时照射在喷头喷出的高分子溶液上，固化并形成组织器官三维结构支架；2)喷阀选取装置将步骤I)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架，选择并卡紧另一套装有含细胞和光敏材料的高分子溶液的喷涂装置，在步骤I)形成的组织器官三维结构支架表面喷涂并形成细胞层；3)喷阀选取装置将步骤2)中所使用的喷涂装置放回喷阀挂架，选择并卡紧另一套装有聚氨酯或PLGA溶液的喷涂装置，然后将聚氨酯或PLGA溶液以雾状形态喷出，在成形体外表面形成一层保护膜，最终制造出具有空间复杂形状和多种细胞的组织器官前体。步骤I)中所述的不含细胞但含有光敏材料的高分子溶液为含水溶性聚氨酯丙烯酸酯和樟脑醌的水溶液，其中水溶性聚氨酯丙烯酸酯质量浓度为30%_60%，樟脑醌质量浓度为3%-5% ;步骤2)中所述的含细胞和光敏材料的高分子溶液为含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇、明胶、生长因子和细胞的水溶液，其中聚乙二醇丙烯酸酯和聚乙二醇溶于水中质量浓度分别为30%-60%和5%-10%，明胶的质量体积浓度为0.05g-0.5g/ml，生长因子质量体积浓度为10-50ng/ml，细胞浓度为1父105个/1111-1\107个/1111，其中所述的细胞是肝细胞、脂肪干细胞或星状细胞中的一种或几种的组合；步骤3)中所述的聚氨酯或PLGA溶液为聚氨酯或PLGA溶于有机溶剂制成质量浓度为1%-30%的溶液；所述的有机溶剂采用二甲基亚砜、四乙二醇或1.4 二氧六环。本专利技术具有以下优点和突出性效果:①本专利技术采用光固化成形方法，可实现常温成形，能大幅提高细胞的成活率，使多种细胞分布在不同的预定位置。此外，本专利技术可实现常温环境下的细胞组装，相对于低温沉积制造避免了复杂昂贵的制冷设备，取消了冻存剂等细胞低温保存试剂的使用，大大简化了成形工艺。②本专利技术采用多套喷涂装置配合喷阀选取装置工作，可以喷涂多种材料和细胞，并且多套喷涂装置相互之间可独立运动，消除了多套喷涂装置之间的相互干扰，并大大减小了设备的体积。③本专利技术采用气动喷涂、电机助推式挤压或压电挤压和光固化技术相结合的工艺，喷涂的精度高和响应速度快。并且，喷涂装置采用一个喷雾阀、两个喷射阀和一个电机助推式挤压喷头或压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光固化的组织器官前体组装设备，所述设备含有支架（102）、控制单元(112)、旋转成形台（105）、升降台（107）、喷涂装置(103)和灭菌装置(110)以及安装在支架顶部的X向运动机构（108）和Y向运动机构（109），所述的升降台（107）安装在支架（102）底部，X向运动机构（108）安装在Y向运动机构（109）上，其特征在于：该设备还包括喷阀挂架（104）、喷阀选取装置（101）和偏转台（106）；所述的喷涂装置（103）悬挂在喷阀挂架（104）上，喷涂装置（103）至少采用3套；喷阀挂架（104）固定在支架（102）上，喷阀选取装置（101）固定安装在X向运动机构（108）上，偏转台（106）安装在升降台（107）上；所述的旋转成形台（105）安装在偏转台（106）的顶部；每套喷涂装置(103)包括设置在底板（409）上的喷头、喷涂溶液针筒（402）、连接板（406）、直线轴承（408）和两个波长为300?600nm的点状光源（405），点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。

【技术特征摘要】
1.一种基于光固化的组织器官前体组装设备，所述设备含有支架(102)、控制单元(112)、旋转成形台(105)、升降台(107)、喷涂装置(103)和灭菌装置(110)以及安装在支架顶部的X向运动机构(108)和Y向运动机构(109)，所述的升降台(107)安装在支架(102)底部，X向运动机构(108)安装在Y向运动机构(109)上，其特征在于:该设备还包括喷阀挂架(104)、喷阀选取装置(101)和偏转台(106);所述的喷涂装置(103)悬挂在喷阀挂架(104)上，喷涂装置(103)至少采用3套；喷阀挂架(104)固定在支架(102)上，喷阀选取装置(101)固定安装在X向运动机构(108)上，偏转台(106)安装在升降台(107)上；所述的旋转成形台(105)安装在偏转台(106)的顶部；每套喷涂装置(103)包括设置在底板(409)上的喷头、喷涂溶液针筒(402)、连接板(406)、直线轴承(408)和两个波长为300_600nm的点状光源(405)，点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。2.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述的喷阀选取装置(101)包括定位销(301 )、定位板(302)和电动夹钳(303);电动夹钳(303)与喷涂装置(103)的连接板(406)相配合；定位销(301)与喷涂装置(103)的连接板(406)上的定位孔(401)相配合。3.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述喷头包括气动喷头、电机助推式喷头和压电喷头。4.如权利要求3所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:所述的气动喷头包括喷雾阀和 喷射阀中的一种或两种的组合，气动喷头通过气体管路与高压气体源(113)相连接。5.如权利要求1所述一种基于光固化的组织器官前体组装设备，其特征在于:喷阀挂架(104)包括多个悬挂单兀,每个悬挂单兀由支撑板(201)、磁铁(202)和两个悬挂杆(203)组成；每个悬挂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小红，刘利彪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：