CN106137456A - 一种用于生物打印的旋转装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于3D生物打印的旋转杆，旋转杆水平布置且被驱动旋转，旋转杆为中空结构且其表面设有至少一个孔，在3D生物打印过程中，营养液通过中空结构并且一部分营养液经所述至少一个孔渗出。本发明还提供了一种包括上述旋转杆以及营养供给系统的可供给营养的3D生物打印平台以及利用该生物打印平台打印管状组织的方法。本发明减小了由重力影响导致组织坍塌的可能性，提供了一种3D生物打印管状组织并在打印过程中供给营养的新方法，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程领域中的生物工程制造技术，更具体地，涉及一种用于3D生物打印的旋转杆、可供给营养的3D生物打印平台及利用该平台打印管状组织的方法。
背景技术
血管在我们机体中迂回曲折，其承担着运输必要营养物质排出有毒废物的机能，为我们机体器官的正常工作保驾护航，长期以来开发新型人工血管一直是个难题，随着老龄化进程的推进，腹主动脉瘤、血管栓塞等情况日益加重，社会对人工血管的需求日益增大，各类人工血管也相继出现，随着现代生物工程学和材料科学的发展，许多新的人工材料和新工艺已在血管外科领域中得到广泛应用。目前，常用的人工血管的制造材料多为尼龙(NyIon)、奥纶(Orlon)、聚乙烯乙醇(Ivalon)、涤纶(Dacron)、泰氟纶(Teflon)、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)、真丝等高分子或合成材料，但这类材料都存在生物相容性差、使用年限短、血管直径很难突破6mm且容易发生血管栓塞等情况。
哈佛大学Wyss研究所3D打印含血管组织研究小组，将一种含有细胞外基质和活细胞的特殊材料以丝状按预定的位置和形状大小打印在3D打印组织中，然后通过冷却使这种特殊材料融化，这样在打印的组织中，特殊材料所在的位置就会形成管腔结构，然后再在管腔位置注入内皮细胞，之后细胞在管腔位置重新长成血管结构。
日本的Cyfuse公司利用剑山技术打印细胞球形成管状组织，是按预定形状将细胞球插在剑山上形成管状组织结构，这种方式解决了打印过程中因重力作用而导致所打印的组织坍塌的问题，但存在打印长度的局限。其打印组织中细胞的营养供给是通过把剑山浸在营养液中完成。
现有的3D打印技术，在打印管状组织时，有的无法直接用细胞墨汁按需求直接打印生成预定的管腔组织结构，有的受到打印长度限制。另外，还需要考虑打印过程中的细胞营养供给问题，以使细胞在打印后能保持比较好的活性。
发明内容
为了克服目前3D生物打印技术在打印管状组织时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种用于3D生物打印的旋转杆，旋转杆水平布置且被驱动旋转，旋转杆为中空结构且其表面设有至少一个孔，在3D生物打印过程中，营养液通过中空结构并且一部分营养液经所述至少一个孔渗出。
在一种实施方式中，旋转杆被转速可控电机驱动旋转，旋转杆的至少一端可拆卸。
在一种实施方式中，旋转杆的表面涂有至少一层可渗透液体的生物相容性物质。
在一种实施方式中，所述生物相容性物质包括生物相容性水凝胶或多孔高分子薄膜。
在一种实施方式中，所述生物相容性水凝胶能够通过包括温控、PH调节、酶解、化学反应的生物、物理或化学方法去除或分离。
在一种实施方式中，所述生物相容性物质为以下材料中的一种或几种的组合通过化学改性、共聚、物理共混、表面修饰方法形成的物质：明胶材料及其复合物、饱和脂肪酸、由聚N，N-二乙基丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯和、聚氧化乙烯及其衍生物。
在一种实施方式中，旋转杆的材料具备力学强度，其形状、结构、长短和孔径大小是根据所需要打印的管状组织进行个性化设置的。
本发明还提供了一种可供给营养的3D生物打印平台，包括上述旋转杆以及营养供给系统，在3D生物打印过程中，营养供给系统将营养液输送至旋转杆，营养液通过旋转杆的中空结构并且一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出。
在一种实施方式中，旋转杆具有第一端和第二端，营养供给系统包括营养液容器、营养液输送管、营养液回收管和泵，营养液输送管的一端伸入营养液容器内且另一端通至旋转杆的第一端，营养液回收管的一端通至旋转杆的第二端且另一端伸入营养液容器内，泵位于营养液输送管的管路中，在3D生物打印过程中，营养液通过泵抽吸到营养液输送管中并进入旋转杆的中空结构，进入中空结构的一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出，另一部分营养液通过中空结构且经营养液回收管循环回收到营养液容器内。
在一种实施方式中，营养液的流速能够控制。
在一种实施方式中，在营养液回收管的管路中设有过滤装置。
在一种实施方式中，3D生物打印平台的温度可控。
本发明又提供了一种利用上述3D生物打印平台打印管状组织的方法，包括以下步骤：驱动旋转杆旋转；以及在3D生物打印过程中，通过营养供给系统将营养液输送至旋转杆，营养液通过旋转杆的中空结构并且一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出。
在一种实施方式中，该方法还包括根据人体参数建模或直接三维建模，利用计算机辅助设计旋转杆再制作旋转杆的步骤。
在一种实施方式中，利用计算机辅助设计旋转杆包括利用3D建模软件和/或仿真技术对旋转杆的力学强度、旋转杆的直径、长度、管壁厚度、挠度及表面粗糙度、旋转杆表面孔的形状、孔隙率、孔隙分布、孔径大小参数进行设置。
在一种实施方式中，该方法还包括将至少一层可渗透液体的生物相容性物质涂覆在制作的旋转杆的表面上的步骤。
在一种实施方式中，该方法还包括打印生物墨汁，营养液经旋转杆表面上的至少一个孔从生物相容性物质中渗透出来的步骤。
在一种实施方式中，通过泵调节营养液的流速。
在一种实施方式中，从外部朝向旋转杆表面喷洒营养液。
在一种实施方式中，该方法还包括在管状组织打印成型后，去除或分离旋转杆表面的生物相容性物质，将管状组织从旋转杆上取下并进行培养的步骤。
在一种实施方式中，该方法还包括在管状组织打印成型后，将整个旋转杆取下并进行培养，培养结束后再把管状组织从旋转杆上取下的步骤。
与目前3D生物打印管状组织的方法相比，本发明具有以下优点：
1)本发明的旋转杆中空多孔，解决了打印过程中营养供给的问题，使得细胞可以保持尽可能大的生物活性，同时也方便打印完成后给打印的管状组织例如剪切力的生物刺激，促进细胞生长发育；
2)个性化制备打印管状组织的平台一旋转杆并且水平布置旋转杆，减少重力的影响；
3)旋转杆方便拆卸，在管状组织打印成型后，通过去除或分离旋转杆表面的生物相容性物质，即可把管状组织从旋转杆上取下并进行培养(例如放入培养箱培养)，或者将整个旋转杆取下并进行培养(例如放入培养箱培养)，培养结束后再把管状组织从旋转杆上取下。
附图说明
图1示出根据本发明的实施方式的用于3D生物打印的旋转杆。
图2示出根据本发明的实施方式的可供给营养的3D生物打印平台的总体结构。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限制本发明的范围。
需要说明的是，本发明提及的“3D生物打印”在本领域中也可称为“增材制造”或“三维打印”。
参照图1，示出根据本发明的实施方式的用于3D生物打印的旋转杆2。旋转杆2水平布置并且被驱动旋转，旋转杆2为中空结构且其表面设有至少一个孔4，在3D生物打印过程中，营养液(主要用于在管状组织打印过程中为细胞供给营养，以提高细胞的生物活性)通过中空结构并且一部分营养液经所述至少一个孔4渗出。旋转杆2可以由电机带动旋转，也可以由其它驱动源或通过其它驱动方式带动旋转，在采用电机的情况下，旋转杆2的至少一端可以通过轴套直接连接电机、通过轴与传动机构间接连接电机、通过磁性驱动连接电机、或通过任何其它可带动旋转杆2旋转的方式连接电机。电机优选为转速可控电机，例如可精确调控速度的伺服电机或步进电机，当然也可采用本领域已知的任何其它类型的电机。在只有旋转杆2的一端连接电机的情况下，旋转杆2的另一端悬置或由支撑架支撑。旋转杆2的至少一端可拆卸。旋转杆2的材料需具备一定力学强度，例如可由金属(例如不锈钢、铝合金、钛合金)、高分子材料、无机材料等材料制成，其形状、结构、长短和孔径大小是根据所需打印的管状组织的例如结构、大小等参数进行个性化设置的。旋转杆2的至少一个孔4的大小、形状、密度及分布等参数主要是根据所需打印的管状组织的直径以及模拟人体内部力学仿真确定的，在3D生物打印过程中至少一个孔4用于营养液从旋转杆2内部渗出，同时也方便打印完成后给打印血管例如剪切力的生物刺激，促进细胞的生长发育。
旋转杆2的表面可以涂有至少一层可渗透液体的生物相容性物质5，营养液可通过旋转杆2表面的至少一个孔4从表面涂层渗透出来，形成一个微湿润的有支撑能力的营养供给平台，该表面涂层也可以用于交换营养物质。表面涂层是生物安全性的，具备一定力学支撑强度，并且与打印材料之间不互溶、易于分离。在一种实施方式中，表面涂层的生物相容性物质是能够通过包括温控、PH调节、酶解、化学反应等生物、物理或化学方法去除或分离的生物相容性水凝胶，优选为可温控降解的生物相容性水凝胶。在另一种实施方式中，表面涂层的生物相容性物质是多孔高分子薄膜，例如PLA、PCL、PLGA等多孔薄膜。生物相容性物质可以为以下材料中的一种或几种的组合通过化学改性、共聚、物理共混、表面修饰方法形成的物质：明胶材料及其复合物、饱和脂肪酸、由聚N，N-二乙基丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯、聚氨酯、聚氧化乙烯及其衍生物等。
现在参照图2，示出根据本发明的实施方式的可供给营养的3D生物打印平台的总体结构，该生物打印平台总体用附图标记1表示，其主要由用作打印支撑杆的旋转杆2和可供给营养的营养供给系统3组成。如图2所示，营养供给系统3包括营养液容器6、营养液输送管7、营养液回收管8和泵9，营养液输送管7的一端伸入营养液容器6内且另一端通至旋转杆的一端，营养液回收管8的一端通至旋转杆的另一端且营养液回收管8的另一端伸入营养液容器6内，泵9位于营养液输送管7的管路中，在3D生物打印过程中，营养液通过泵9抽吸到营养液输送管7中并进入旋转杆2的中空结构，进入中空结构的一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔4渗出，另一部分营养液通过中空结构且经营养液回收管8循环回收到营养液容器6内。营养液可为普通营养液，也可有特别的添加成分。营养液的流速是可控的，在一种实施方式中，营养液的流速可以由位于营养液输送管7的管路中的泵9控制，当然也可以采用其它流速控制手段，只要能保证营养液从旋转杆表面的孔渗出即可。在一种可选的实施方式中，在营养液回收管8的管路中设有过滤装置10，以对回收到营养容器6内的营养液进行过滤处理。此外，旋转打印平台是针对不同组织、个性化设计的可供给营养的打印平台，营养的供给方式为平台内渗透、或外部喷雾或两者同时进行的方式。在外部喷雾的一种实施方式中，从外部朝向旋转杆表面喷洒营养液，以便为打印细胞供给营养。旋转打印平台温度可控，例如可以采用控制营养液温度和调控大环境温度来实现对打印平台的温度可控。
利用上述3D生物打印平台打印管状组织的方法可以包括驱动旋转杆旋转；以及在3D生物打印过程中，通过营养供给系统将营养液输送至旋转杆，营养液通过旋转杆的中空结构并且一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出。
该方法还可以包括根据人体参数建模或直接三维建模，利用计算机辅助设计旋转杆再制作旋转杆的步骤。根据人体参数建模是指通过人体扫描(如MRI或CT)或现有其它技术手段得到数据参数，然后计算机辅助转化为三维模型。直接三维建模是指通过参数直接三维建模。利用计算机辅助设计旋转杆包括利用3D建模软件和/或仿真技术对旋转杆的力学强度、杆的直径、长度、管壁厚度、挠度及表面粗糙度、旋转杆表面孔的形状、孔隙率、孔隙分布、孔径大小参数进行设置。制作旋转杆可以包括用传统方法制作旋转杆和通过3D打印机打印出旋转杆。
该方法还可以包括将至少一层可渗透液体的生物相容性物质涂覆在制作的旋转杆的表面上；打印生物墨汁11(参照图1)，营养液经旋转杆表面上的至少一个孔从生物相容性物质中渗透出来；以及在管状组织打印成型后，去除或分离旋转杆表面的生物相容性物质，将管状组织从旋转杆上取下并进行培养(例如，放入培养箱培养)，或者在管状组织打印成型后，将整个旋转杆取下并进行培养(例如，放入培养箱培养)的步骤。整个旋转杆在进行培养的过程中，可以通过孔道给予打印的组织力学相关刺激，或外部给予力学、生物、化学刺激。
本发明减小了由重力影响导致组织坍塌的可能性，提供了一种3D生物打印管状组织并在打印过程中供给营养的新方法，应用前景广阔。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动和变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (21)
1.一种用于3D生物打印的旋转杆，其特征在于，旋转杆水平布置且被驱动旋转，旋转杆为中空结构且其表面设有至少一个孔，在3D生物打印过程中，营养液通过中空结构并且一部分营养液经所述至少一个孔渗出。
2.根据权利要求1所述的旋转杆，其特征在于，旋转杆被转速可控电机驱动旋转，旋转杆的至少一端可拆卸。
3.根据权利要求1所述的旋转杆，其特征在于，旋转杆的表面涂有至少一层可渗透液体的生物相容性物质。
4.根据权利要求3所述的旋转杆，其特征在于，所述生物相容性物质包括生物相容性水凝胶或多孔高分子薄膜。
5.根据权利要求4所述的旋转杆，其特征在于，所述生物相容性水凝胶能够通过包括温控、PH调节、酶解、化学反应的生物、物理或化学方法去除或分离。
6.根据权利要求3所述的旋转杆，其特征在于，所述生物相容性物质为以下材料中的一种或几种的组合通过化学改性、共聚、物理共混、表面修饰方法形成的物质：明胶材料及其复合物、饱和脂肪酸、由聚N，N-二乙基丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸N，N-二甲氨基乙酯和聚氨酯、聚氧化乙烯及其衍生物。
7.根据权利要求1所述的旋转杆，其特征在于，旋转杆的材料具备力学强度，其形状、结构、长短和孔径大小是根据所需要打印的管状组织进行个性化设置的。
8.一种可供给营养的3D生物打印平台，其特征在于，包括根据权利要求1至7中任一项所述的旋转杆以及营养供给系统，在3D生物打印过程中，营养供给系统将营养液输送至旋转杆，营养液通过旋转杆的中空结构并且一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出。
9.根据权利要求8所述的3D生物打印平台，其特征在于，旋转杆具有第一端和第二端，营养供给系统包括营养液容器、营养液输送管、营养液回收管和泵，营养液输送管的一端伸入营养液容器内且另一端通至旋转杆的第一端，营养液回收管的一端通至旋转杆的第二端且另一端伸入营养液容器内，泵位于营养液输送管的管路中，在3D生物打印过程中，营养液通过泵抽吸到营养液输送管中并进入旋转杆的中空结构，进入中空结构的一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出，另一部分营养液通过中空结构且经营养液回收管循环回收到营养液容器内。
10.根据权利要求9所述的3D生物打印平台，其特征在于，营养液的流速能够控制。
11.根据权利要求9所述的3D生物打印平台，其特征在于，在营养液回收管的管路中设有过滤装置。
12.根据权利要求8所述的3D生物打印平台，其特征在于，所述3D生物打印平台的温度可控。
13.一种利用根据权利要求8引用权利要求1时所述的3D生物打印平台打印管状组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：
驱动旋转杆旋转；以及
在3D生物打印过程中，通过营养供给系统将营养液输送至旋转杆，营养液通过旋转杆的中空结构并且一部分营养液经旋转杆表面上的至少一个孔渗出。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括根据人体参数建模或直接三维建模，利用计算机辅助设计旋转杆再制作旋转杆的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，利用计算机辅助设计旋转杆包括利用3D建模软件和/或仿真技术对旋转杆的力学强度、旋转杆的直径、长度、管壁厚度、挠度及表面粗糙度、旋转杆表面孔的形状、孔隙率、孔隙分布、孔径大小参数进行设置。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将至少一层可渗透液体的生物相容性物质涂覆在制作的旋转杆的表面上的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括打印生物墨汁，营养液经旋转杆表面上的至少一个孔从生物相容性物质中渗透出来的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过泵调节营养液的流速。
19.根据权利要求13或17所述的方法，其特征在于，从外部朝向旋转杆表面喷洒营养液。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在管状组织打印成型后，去除或分离旋转杆表面的生物相容性物质，将管状组织从旋转杆上取下并进行培养的步骤。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在管状组织打印成型后，将整个旋转杆取下并进行培养，培养结束后再把管状组织从旋转杆上取下的步骤。
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