一種利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，包括支撐裝置、多噴頭組件、運動機構(gòu)以及成形裝置；支撐裝置包括支撐腿和底板；運動機構(gòu)采用導(dǎo)軌‐滑塊機構(gòu)，包括X向?qū)к墶向滑塊、Y向?qū)к墶蓚€Y向滑塊、Z向?qū)к壓蚙向滑塊；所述多噴頭組件至少含有六個噴頭，分兩組分別安裝在第一Y向滑塊和第二Y向滑塊上；成形裝置包括成形容器、支架和電機。成形容器安裝在底板上并處于噴頭組件的下方，支架安裝在成形容器內(nèi)并與電機輸出軸相連。本實用新型易于成形血管和神經(jīng)系統(tǒng)，特別適用于成形傳統(tǒng)組織工程難以成形的具有內(nèi)腔的組織器官，如心房、肝臟前體、膀胱前體、腎臟前體或人工乳房等組織器官的制備。
【專利說明】一種利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，屬于組織工程制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]人體病損組織和器官的修復(fù)和替代是本世紀(jì)令人矚目的科學(xué)前沿，也是一項亟需解決的科學(xué)難題。由于活體組織器官移植存在供體短缺以及免疫排斥風(fēng)險大等固有弊端，難以成為解決該問題的有效途徑。據(jù)此，以提高此類疾患治療水平為目的的組織工程(Tissue Engineering)應(yīng)運而生,組織工程旨在體外構(gòu)建細(xì)胞和材料的三維結(jié)構(gòu)體,通過適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)和訓(xùn)練后發(fā)展成具有和天然組織類似結(jié)構(gòu)和功能的可移植替代物。近年來，組織工程一直是國內(nèi)外研究的熱點，發(fā)展迅速并取得了諸多成果，但就其產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域而言，目前主要集中在結(jié)構(gòu)相對簡單的骨組織工程和皮膚組織工程等少數(shù)幾個領(lǐng)域。究其原因，很重要的一點就是，現(xiàn)有的組織工程結(jié)構(gòu)體的體外構(gòu)建方法(如電紡絲、模鑄法等)難以構(gòu)建具有天然組織類似的復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，致使結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的細(xì)胞存活率低，因此難以實現(xiàn)大塊組織的構(gòu)建。
[0003]傳統(tǒng)的組織工程遵循“細(xì)胞-支架復(fù)合”的“自上而下”的構(gòu)建思路，即先成形支架，再把細(xì)胞種植到支架上。但是，當(dāng)支架尺寸和復(fù)雜度提高到一定程度時，支架成形和細(xì)胞復(fù)合的難度將大大增加。細(xì)胞三維受控組裝技術(shù)(Wang X H, Yan Y N, Zhang R J.Rapidprototyping as a tool for manufacturing b1-artificial livers.Trends in B1technology, 2007，25(11):505-513.)，即細(xì)胞3D打印技術(shù)，遵循“支架_細(xì)胞”一體化構(gòu)建的思路。在細(xì)胞打印過程中，細(xì)胞(或細(xì)胞聚集體)與溶膠(水凝膠的前驅(qū)體)同時置于或者含細(xì)胞的培養(yǎng)液單獨置于打印機的噴頭中，由計算機控制含細(xì)胞液滴的沉積位置，在指定的位置逐點打印，在打印完一層的基礎(chǔ)上繼續(xù)打印另一層，層層疊加形成三維多細(xì)胞-凝膠體系。細(xì)胞打印技術(shù)的特點是可以保證細(xì)胞密度和分布的均勻性，并且可以實現(xiàn)多種細(xì)胞的共同組裝和定點排布。但是氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的有效輸送問題，即“血管化問題”仍然是該方法構(gòu)建可移植復(fù)雜組織器官的瓶頸問題。
[0004]現(xiàn)有的通過細(xì)胞3D打印成形的組織器官都是按照一層一層的平面堆積而成的，因其成形的固有特點，微通道(血管)的成形依賴于成形精度及材料的性質(zhì)。而且對于具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)組織器官的成形，依靠平面堆積的細(xì)胞打印技術(shù)在其成形過程中不可避免地需要增加支架或者轉(zhuǎn)動成形臺或噴頭方位，大大增加了設(shè)計和成形的難度，有時甚至還無能為力。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于克服傳統(tǒng)的組織工程中難以構(gòu)建具有復(fù)雜血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)的空腔類組織器官，提供一種基于旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，該設(shè)備便于制備具有螺旋網(wǎng)狀血管和神經(jīng)的組織器官，特別適用于制備具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的組織器官。
[0006]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0007]—種利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，包括支撐裝置、多噴頭組件、運動機構(gòu)以及成形裝置；所述支撐裝置包括支撐腿和底板；所述運動機構(gòu)采用導(dǎo)軌-滑塊機構(gòu)，包括X向?qū)к?、X向滑塊、Y向?qū)к?、第?Y向滑塊、第二 Y向滑塊、Z向?qū)к墶向滑塊；所述X向?qū)к壴O(shè)在底板上，Z向?qū)к壒探釉赬向滑塊上，Y向?qū)к壒探釉赯向滑塊上；其特征在于:所述多噴頭組件至少含有六個噴頭，分兩組分別安裝在第一 Y向滑塊和第二 Y向滑塊上；所述成形裝置包括成形容器、支架和電機，成形容器安裝在底板上并處于噴頭組件的下方，支架安裝在成形容器內(nèi)并與電機輸出軸相連。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述第一 Y向滑塊和第二 Y向滑塊上分別開有與Y向?qū)к壠叫械牡谝恍?dǎo)軌和第二小導(dǎo)軌，第一小導(dǎo)軌和第二小導(dǎo)軌上分別安裝第一小滑塊和第二小滑塊，第一小滑塊和第二小滑塊上開有固定噴頭的孔。
[0009]所述支架為兩端呈圓柱狀、中間為棱柱狀結(jié)構(gòu)。所述多噴頭組件包括至少兩個擠壓式噴頭和四個噴灑式噴頭，擠壓式噴頭的噴嘴內(nèi)徑分別為200μηι?Imm和50μηι?500 μ m,噴灑式噴頭的噴嘴網(wǎng)孔直徑為50 μ m?100 μ m。
[0010]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0011]①本實用新型將溶芯法和3D打印方法結(jié)合起來，能成形傳統(tǒng)3D打印方法難以成形的具有內(nèi)腔的組織器官。②多噴頭的使用可實現(xiàn)多種細(xì)胞非均質(zhì)成形以及表面復(fù)合處理，滿足天然組織器官對多種細(xì)胞的要求；③成形容器既能為細(xì)胞提供營養(yǎng)物質(zhì)又可以洗滌凝膠表面的交聯(lián)劑/聚合液及合成高分子中的有機溶劑，減小其對細(xì)胞的損傷。④該設(shè)備特別適用于成形傳統(tǒng)組織工程難以成形的具有內(nèi)腔的組織器官，如心房、肝臟前體、膀胱前體、腎臟前體或人工乳房等組織器官的制備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的專用設(shè)備三維結(jié)構(gòu)簡圖。
[0013]圖2為第一 Y向滑塊的三維結(jié)構(gòu)簡圖。
[0014]圖3為本實用新型的組織器官成形過程示意圖。
[0015]圖4為本實用新型的組織器官的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中:101 -底板；102 -成形容器；103 -支架；104 -第一噴灑式噴頭；105 -第二噴灑式噴頭；106 - Z向滑塊；107 - Y向?qū)к墸?08 -第三噴灑式噴頭；109 -第一小滑塊；110 -第一小導(dǎo)軌；111 -第一 Y向滑塊；112 -第二 Y向滑塊；113 -第一擠壓式噴頭；114 -第二擠壓式噴頭；115 -第四噴灑式噴頭；116 -第二小滑塊；117 -第二小導(dǎo)軌；118 - Z向?qū)к墸?19 -旋轉(zhuǎn)電機；120 - X向滑塊；121 - X向?qū)к墸?01 -內(nèi)芯；402 -噴頭組件；403 -材料；
404-水凝膠絲；405 -培養(yǎng)液；601 -主體部分；602 -血管(神經(jīng))；603 -內(nèi)腔。

【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0018]圖1是本實用新型提供的利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，該設(shè)備包括多噴頭組件、運動機構(gòu)以及成形裝置。所述運動機構(gòu)由滑塊一導(dǎo)軌(槽)實現(xiàn)，包括X向?qū)к?21和X向滑塊120、Y向?qū)к?07和第一 Y向滑塊111、第二 Y向滑塊112、Ζ向?qū)к?18和Z向滑塊106以及第一小滑塊109、第二小滑塊116和第一小導(dǎo)軌110、第二小導(dǎo)軌117 ；所述X向?qū)к?21設(shè)在底板101上；所述Z向?qū)к?18固接在X向滑塊120上；所述Y向?qū)к?07固接在Z向滑塊106上；所述第一小導(dǎo)軌110和第二小導(dǎo)軌117分別安裝在第一Y向滑塊111和第二 Y向滑塊112上；所述多噴頭組件至少含有六個噴頭，包括至少兩個擠壓式噴頭和四個噴灑式噴頭，分兩組分別固定在兩個平行的Y向滑塊上，第一噴灑式噴頭104、第二噴灑式噴頭105和第三噴灑式噴頭108安裝在第一 Y向滑塊111上，其中第一噴灑式噴頭104和第二噴灑式噴頭105安裝在第一 Y向滑塊111上的噴頭固定槽中，第三噴灑式噴頭108安裝在第一小滑塊109的噴頭固定槽上；第四噴灑式噴頭115和至少兩個擠壓式噴頭，第一擠壓式噴頭113和第二擠壓式噴頭114，安裝在第二 Y向滑塊112上，其中第一擠壓式噴頭113和第二擠壓式噴頭114固定在第二 Y向滑塊112的噴頭固定槽上，第四噴灑式噴頭115安裝在第二小滑塊116的噴頭固定槽上，第一擠壓式噴頭113和第二擠壓式噴頭114的噴嘴內(nèi)徑分別為200 μ m -1mm和50 μ m -500 μ m,四個噴灑式噴頭噴嘴的網(wǎng)孔直徑為50μπι-1OOym;所述成形裝置包括成形容器102、支架103以及電機119，成形容器102安裝在底板101上噴頭組件的正下方，可拆卸的支架103安裝在成形容器102內(nèi)并與電機119的輸出軸相連，所述支架103為具有一定力學(xué)強度的對細(xì)胞無毒性的固體材料，如不銹鋼或者鈦合金。
[0019]圖2為第一 Y向滑塊的三維結(jié)構(gòu)簡圖，所述第一 Y向滑塊上開有兩個用來固定噴頭的孔和一個能讓噴頭運動的大孔，大孔兩邊設(shè)有第一小導(dǎo)軌110，第一小滑塊109可沿小導(dǎo)軌運動，帶動其上的第三噴灑式噴頭108輪流為第一噴灑式噴頭104第二噴灑式噴頭105工作，第二Y向滑塊結(jié)構(gòu)與第一Y向滑塊類似。
[0020]圖3為本實用新型的旋轉(zhuǎn)堆積成形過程示意圖，將含種子細(xì)胞的水凝膠和不含細(xì)胞的水凝膠分別裝入設(shè)備中第一擠壓式噴頭113和第二擠壓式噴頭114中，交聯(lián)劑/聚合液、神經(jīng)細(xì)胞懸液和內(nèi)皮細(xì)胞懸液分別裝入第四噴灑式噴頭115、第二噴灑式噴頭105和第一噴灑式噴頭104中，合成高分子溶液裝入第三噴灑式噴頭噴頭108中，將支架103安裝在成形容器102中并在成形容器102內(nèi)裝入細(xì)胞培養(yǎng)液405 ;啟動成形設(shè)備，開始堆積成形，在成形過程中，支架103繞Y負(fù)向做旋轉(zhuǎn)運動，噴頭做平移運動，當(dāng)成形組織器官主體部分時，第一擠壓式噴頭113運動到指定位置擠出含種子細(xì)胞的水凝膠纏繞在內(nèi)芯上，同時裝有交聯(lián)劑/聚合液的第四噴灑式噴頭115運動到第一擠壓式噴頭113的正后方噴灑出交聯(lián)劑/聚合液對其進行交聯(lián)/聚合；當(dāng)成形血管時，第二擠壓式噴頭114運動到指定位置擠出不含細(xì)胞的水凝膠纏繞在內(nèi)芯上，同時第四噴灑式噴頭115運動到第二擠壓式噴頭114正后方，第一噴灑式噴頭104和第三噴灑式噴頭108分別運動到第二擠壓式噴頭114正前方，在旋轉(zhuǎn)的內(nèi)芯帶動下，新纏繞的水凝膠依次運動至第四噴灑式噴頭115下進行交聯(lián)/聚合，經(jīng)過培養(yǎng)液進行洗滌，經(jīng)過第一噴灑式噴頭104、第三噴灑式噴頭108下進行噴灑內(nèi)皮細(xì)胞和復(fù)合合成高分子；當(dāng)成形神經(jīng)纖維束時，第二擠壓式噴頭114運動到指定位置擠出不含細(xì)胞的水凝膠纏繞在內(nèi)芯上，同時第四噴灑式噴頭115運動到第一擠壓式噴頭113正后方，第二噴灑式噴頭105和第三噴灑式噴頭108分別運動到第二擠壓式噴頭114正前方，在旋轉(zhuǎn)的內(nèi)芯帶動下，新纏繞的水凝膠依次運動至第四噴灑式噴頭115下進行交聯(lián)/聚合，經(jīng)過培養(yǎng)液進行洗滌，經(jīng)過第二噴灑式噴頭105、第三噴灑式噴頭108下進行噴灑神經(jīng)細(xì)胞和復(fù)合合成高分子，如此反復(fù)纏繞堆積，直至成形所需的組織器官。
[0021]圖4為本實用新型制備的組織器官的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，所述組織器官為回轉(zhuǎn)體或近回轉(zhuǎn)體，由內(nèi)腔603和外圍實體組成；所述內(nèi)腔603為圓柱狀、球狀或者由其它曲面圍成的閉合曲面形狀；所述外圍實體由含或者不含細(xì)胞的水凝膠絲纏繞堆積而成；含有種子細(xì)胞的水凝膠絲602纏繞形成主體結(jié)構(gòu)，不含細(xì)胞的水凝膠絲603表面涂覆內(nèi)皮細(xì)胞和合成高分子溶液形成血管系統(tǒng)，不含細(xì)胞的水凝膠表面涂覆神經(jīng)細(xì)胞和合成高分子溶液形成神經(jīng)系統(tǒng)。利用該設(shè)備，可以實現(xiàn)如心房、肝臟、膀胱、腎臟或人工乳房等組織器官前體的制備。
【權(quán)利要求】
1.一種利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，包括支撐裝置、多噴頭組件、運動機構(gòu)以及成形裝置；所述支撐裝置包括支撐腿和底板(101);所述運動機構(gòu)采用導(dǎo)軌-滑塊機構(gòu)，包括X向?qū)к?121)、X向滑塊(120)、Y向?qū)к?107)、第一 Y向滑塊(111)、第二 Y向滑塊(112)、Z向?qū)к?118)、Z向滑塊(106);所述X向?qū)к?121)設(shè)在底板(101)上，Z向?qū)к?118)固接在X向滑塊(120)上，Y向?qū)к?107)固接在Z向滑塊(106)上；其特征在于:所述多噴頭組件至少含有六個噴頭，分兩組分別安裝在第一 Y向滑塊和第二 Y向滑塊上；所述成形裝置包括成形容器(102)、支架(103)和電機(119)，成形容器(102)安裝在底板(101)上并處于噴頭組件的下方，支架(103)安裝在成形容器(102)內(nèi)并與電機(119)輸出軸相連。
2.如權(quán)利要求1所述的利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，其特征在于:所述第一 Y向滑塊(111)和第二 Y向滑塊(112)上分別開有與Y向?qū)к壠叫械牡谝恍?dǎo)軌(110)和第二小導(dǎo)軌(117)，第一小導(dǎo)軌和第二小導(dǎo)軌上分別安裝第一小滑塊(109)和第二小滑塊(116)，第一小滑塊和第二小滑塊上開有固定噴頭的孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，其特征在于:所述支架為兩端呈圓柱狀、中間為棱柱狀結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的利用旋轉(zhuǎn)堆積法制備組織器官的專用設(shè)備，其特征在于:所述多噴頭組件包括至少兩個擠壓式噴頭和四個噴灑式噴頭，擠壓式噴頭的噴嘴內(nèi)徑分別為200 μ m?1_和50 μ m?500 μ m,噴灑式噴頭的噴嘴網(wǎng)孔直徑為50 μ m?100 μ m。
【文檔編號】A61L27/54GK204072388SQ201420533039
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】王小紅, 周新偉 申請人:清華大學(xué)