CN108795687B - 一种可检测细胞活性的3d生物打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可检测细胞活性的3D生物打印机，涉及生物组织工程技术领域；包括PC上位机和3D打印下位机，打印机喷头底座上连接有输料软管，输料软管上连接有温度控制器；所述的输料软管的另一端连接喷头控制器，喷头控制器底部接喷头，主控制箱通过信号发生器控制喷头的开关；所述的喷头下方设置有成形工作台，所述的成形工作台连接有细胞活性检测装置，用于检测打印成品的活性；本发明可以在打印的过程中检测细胞的活性，保证打印出的生物组织保持生物活性；可进行多生物原材料的供给，实现多生物材料打印，保证了适合生物材料打印环境。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织工程技术领域，更具体地，涉及一种可检测细胞活性的3D生物打印机。
背景技术
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或可塑等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。组织工程融合了工程学、生命科学和材料科学等学科，通过模仿人体组织器官形成的过程，可以在体外构建和培养具有生物活性的结构体。这其中，3D打印技术因其可使用多种材料成型任何复杂的三维结构，成为组织工程领域最有力的研究手段。3D打印技术的原理就是分层制造，层层累积。传统的细胞打印喷头就是将细胞与生物材料混合后并挤出形成一条丝线状，在多次往复形成面，面的堆积继而形成相应的三维结构。是一种能够在数字三维模型驱动下，按照材料制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等的手段。
但是，3D生物打印与传统的3D打印技术还是有很大的区别，除了利用了传统3D打印的核心技术外，所有的3D生物打印的制造过程必须符合生物学的标准，既要能保证细胞活性、组织功能，还要符合医学标准，例如无菌。目前，在3D生物打印装置中，存在着许多技术缺陷：（1）细胞打印速度慢；（2）细胞打印精度低；（3）难以实时对打印出来的组织器官进行细胞活性检测；（4）3D生物打印过程中难以做到自动化；（5）喷头数量种类少、更换喷头比较复杂。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，目的是提供一种可检测细胞活性的3D生物打印机，以克服打印精度不高、无法保证打印出的组织细胞活性、频繁更换喷头等问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种可检测细胞活性的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，所述的3D打印下位机包括主控制箱、步进电机、信号发生器、机械臂、喷头底座、喷头、喷头控制器、和成型工作台、细胞活性检测台、气泵、气泵控制盒、气罐，所述的PC上位机与主控制箱相连，主控制箱通过步进电机控制机械臂的运动，喷头底座连接有机械臂，所述的喷头底座上连接有输料软管，所述的输料软管用于存放和输送生物原材料，所述的输料软管顶端通过导管与气泵、气泵控制盒、气罐相连，通过气泵来控制下料速度；所述的输料软管上连接有温度控制器；所述的输料软管的另一端对应连接有喷头控制器，喷头控制器下端接有喷头，主控制箱连接信号发生器的电源时钟端，信号发生器的输出端与喷头控制器相连，从而控制喷头开关；所述的喷头下方设置有成形工作台，所述的成形工作台连接有细胞活性检测装置，用于检测打印成品的细胞活性。
优选的，所述的细胞活性检测装置包括机械运送臂、操作台、试剂盒、检测仪；机械运送臂的作用是通过机械运送臂带动操作台，完成待测组织器官的运送。
所述的机械运送臂与操作台连接，操作台中心设置有圆形升降台，圆形升降台的作用是将待测的组织器官通过升降台浸入试剂盒中的试剂中，操作台上固定有试剂盒及检测仪；所述的检测仪通过信号线与PC上位机相连接。
检测所打印组织器官的细胞活性其工作原理是比色法；使用WST-8试剂在在电子载体1-Methoxy PMS作用下被细胞线粒体中的脱氢酶还原为具有高度水溶性黄色甲产物，甲产物数量与活细胞的数量成正比，用检测仪在450nm波长处测定其光吸收值，即可反应活细胞数量。
优选的，所述的输料软管及对应的喷头分别为5个。
优选的，喷头为可拆卸式喷头。
本发明所述的3D生物打印机分为上位机与下位机两个部分，上位机即为电脑PC端，通过电脑PC端能实现3D打印的各种参数设置，包括XYZ三轴方向移动的最小步进值、各个喷头所安装的材料选取、3D分层打印的图形设置、输料软管的参数设定与实时状态读取、成形工作台的参数设定与状态读取、细胞活性检测台的检测状态显示、3D打印机所运行的各种参数显示。
下位机部分即为3D生物打印机的硬件结构部分，上位机与下位机之间通过以太网口相连，进行数据传输。
本发明所述的一种可检测细胞活性的3D生物打印机，包括硬件构成系统与运行逻辑控制系统，从而克服目前所遇到的技术问题，在3D打印工作箱中增加细胞活性检测台，能在细胞打印过程中间隔性的测量细胞活性，解决了在3D打印过程中不能实时检测打印的组织器官的细胞活性这个难题；本系统3D打印机在喷头底座上连接设置多个打印喷头，能同时提供多种原材料的生物打印，可拆卸的喷头设置，根据所安装的生物材料不同，更换不同孔径的喷头，实现多生物材料的打印；本发明中涉及的3D生物打印机在喷头底座上连接有输料软管，用来存放打印所需的原材料，通过气泵、气泵控制盒来实现原料的自动供给，减少了不必要的人为操作；通过上位机软件设置组织器官打印的方式方法、分层打印的最优设置、喷头所对应的生物材料、喷头的移动最小间距、细胞活性检测的结果报告。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种可检测细胞活性的3D生物打印机，可以在打印的过程中检测细胞的活性，保证打印出的生物组织保持生物活性；可进行多生物原材料的供给，实现多生物材料打印，保证了适合生物材料打印环境，可拆卸喷头，方便更换不同孔径的喷头。
附图说明
图1为本发明3D生物打印装置结构示意图。
图2为本发明3D生物打印装置工作逻辑图。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
如图1-2所示，本发明所述的一种可检测细胞活性的3D生物打印机分为上位机与下位机两个部分，下位机的主要组成部分包括主控制箱、信号发生器、步进电机、机械臂、温度控制器、气泵、气泵控制盒、气罐、细胞活性检测台；主控制箱里面存放单片机PCB板，集成外设硬件电路，控制打印机的工作运行部分与核心算法部分；信号发生器提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备；步进电机将电脉冲信号转变为角位移和线位移的开环控制电机、用于控制喷头在XYZ三轴上的运动；机械臂相当于支架，机械臂旁安装步进电机控制移动的方向，机械臂装有3个步进电机，分别控制X轴Y轴Z轴方向的移动和移动的距离大小；3D打印机工作箱包括喷头底座，喷头底座安装在机械臂上用来固定喷头；喷头底座还连接有输料软管，输料软管存储和运送打印需要的生物原料，输料软管连接喷头控制器，喷头控制器底部与喷头相连，喷头可将材料打印到成形工作台上，成形工作台连接有细胞活性检测台，用于检测所打印的组织器官的细胞活性，输料软管上还连接有温度控制器，控制输料软管的温度，保证生物材料为保证活性所需要的温度，气泵连接在输料软管的顶部，气泵还分别连接有气罐和气泵控制盒，电脑PC端通过以太网口直接接主控制箱。
本实施例3D生物打印装置中电脑PC端通过以太网口直接接主控制箱，本套3D生物打印机中选用了5喷头打印方式，选用5个信号发生器、3个步进电机、5个喷头控制器、5个气罐、5个气泵、5个输料软管、5个温度控制器。主控制箱的PCB板接信号发生器的电源接口，主控制箱与步进电机相连控制5喷头的方向移动，机械臂上依次安装5个喷头底座，每个喷头底座引出2根数据线接回主控制箱，用于返回每个喷头的具体实时位置；喷头底座下安装着输料软管，里面用于存放打印所需的各式的生物原材料，同时输料软管与外部温度控制器相连，用于控制输料软管内的温度，方便材料的保存。喷头底座与输料软管顶部相连部分通过软管与外部气泵相连，中间有过滤网，严格保证输料软管内部的无菌环境，气泵与气罐、气罐控制盒相连，其功能是通过气泵控制盒能按需求自动的控制软管内的气压差从而控制下料速度。与输料软管相连的是喷头控制器，喷头控制器底部与喷头相连；主控制箱接信号发生器的时钟电源端，信号发生器的输出端与喷头控制器相连，可通过喷头控制器来选择对应喷头的开关与喷头工作的时间；通过该设计方式可将喷头单独分离开来，通过喷头控制器接主控制箱而不是直接将喷头接主控制箱，当我们需要更换不同的生物原材料时可以更换不同孔径的喷头即可。打印喷头在成形工作台上打印，成型工作台与细胞活性检测台相连是一个密闭的工作环境，内置高精度温湿度传感器、无菌环境。成形工作台上打印的组织器官可按照一定的时间间隔送至细胞活性检测台中检测其细胞活性，检测时间间隔可通过上位机PC端设置。
整个细胞活性检测台的工作过程为：到达PC端设置的检测时间时，通过机械臂的移动将操作台移至成型工作台处，获得待测的组织器官，并将组织器官放置在圆形升降台上，通过机械臂移动将操作台返回原位通过圆形升降台将组织器官浸入WST-8试剂中，反应一段时间后将圆形升降台升至原位，通过机械臂将操作台外移，用检测仪对水溶性黄色甲产物进行光进行光吸收测，检测完毕后通过机械臂将操作台移至成型工作台处，将组织器官放置回成形工作台原位。检测报告在电脑PC端显示，若检测的细胞活性符合要求则继续打印，若检测的细胞活性不符合要求重新打印。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (3)
1.一种可检测细胞活性的3D生物打印机，包括PC上位机和3D打印下位机，所述的3D打印下位机包括主控制箱、步进电机、信号发生器、机械臂、喷头底座、喷头、喷头控制器、成型工作台、气泵、气泵控制盒、气罐，所述的PC上位机与主控制箱相连，主控制箱通过步进电机控制机械臂的运动，喷头底座连接有机械臂，其特征在于，所述的喷头底座上连接有输料软管，所述的输料软管用于存放和输送生物原材料，所述的输料软管顶端通过导管与气泵、气泵控制盒、气罐相连，通过气泵来控制下料速度；所述的输料软管上连接有温度控制器；所述的输料软管的另一端对应连接有喷头控制器，喷头控制器下端接有喷头，主控制箱连接信号发生器的电源时钟端，信号发生器的输出端与喷头控制器相连，从而控制喷头开关；所述的喷头下方设置有成形工作台，所述的成形工作台连接有细胞活性检测装置，用于检测打印成品的细胞活性；
所述的细胞活性检测装置包括机械运送臂、操作台、试剂盒、检测仪；所述的机械运送臂与操作台连接，操作台中心设置有圆形升降台，操作台上固定有试剂盒及检测仪；所述的检测仪通过信号线与PC上位机相连接；
通过机械运送臂的移动将操作台移至成型工作台处，获得待测的组织器官，并将组织器官放置在圆形升降台上，通过机械运送臂的移动将操作台返回原位通过圆形升降台将组织器官浸入WST-8试剂中，反应后将圆形升降台升至原位，通过机械运送臂将操作台外移，用检测仪对反应产物进行光吸收检测，检测完毕后通过机械运送臂将操作台移至成型工作台处，将组织器官放置回成形工作台原位。
2.根据权利要求1所述的一种可检测细胞活性的3D生物打印机，其特征在于，所述的输料软管及对应的喷头分别为5个。
3.根据权利要求1所述的一种可检测细胞活性的3D生物打印机，其特征在于，喷头为可拆卸式喷头。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| TR01 | Transfer of patent right |