CN206970584U - 一种单细胞3d打印*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种单细胞3D打印***。一种单细胞3D打印***，其中，包括料筒和与所述料筒连接的喷嘴***，所述喷嘴***上设有用于挤出包含单细胞的微滴的驱动装置；所述喷嘴***包括内喷嘴，所述内喷嘴的内径大于单个细胞的直径，且小于150μm；所述驱动装置包括设在所述内喷嘴后端的驱动膜片、前端与所述驱动膜片紧贴的推杆以及连接在所述推杆后端的压电陶瓷。本实用新型结构简单，使用方便，可以实现单细胞3D打印。

Description

一种单细胞3D打印***

技术领域

本实用新型涉及生物组织工程技术领域，更具体地，涉及一种单细胞3D打印***。

背景技术

组织工程是融合工程学、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打印技术因为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。这其中典型的喷头就是电机助推式喷头。

图1是传统的电机助推式喷头三维结构剖分示意图，直线步进电机固定在运动装置支架上，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挤出，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。

图2是传统电机助推式喷头挤出效果，图3是传统喷头挤出材料横截面示意图，从图中可以看到细胞是被包括在生物材料中挤出，多个细胞被同时挤出，并且细胞在其中的位置是随机不可控的。细胞在挤出过程中没有保护，受到喷嘴内径产生的剪切力的影响，会导致细胞膜破裂死亡等现象产生，大大降低了细胞的活性。

因此，此种设计虽然简单可靠，但是也有以下不足之处：1)成型精度不高无法实现针对单细胞的喷射，传统打印喷头最小的内径是150μm左右，远远大于细胞直径10μm的尺寸，会同时将多个细胞挤出，细胞在成型体中的位置是随机不可控的；2)在挤出时细胞会受到喷嘴内部产生的剪切力的影响，使得细胞活性受到损伤；3)挤出的速率较低，成型的效率不高。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种单细胞3D打印***。该3D打印***结构简单，使用方便，可以实现单细胞3D打印。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种单细胞3D打印***，其中，包括料筒和与所述料筒连接的喷嘴***，所述喷嘴***上设有用于挤出包含单细胞的微滴的驱动装置；所述喷嘴***包括内喷嘴，所述内喷嘴的内径大于单个细胞的直径，且小于150μm；所述驱动装置包括设在所述内喷嘴后端的驱动膜片、前端与所述驱动膜片紧贴的推杆以及连接在所述推杆后端的压电陶瓷。细胞悬浮液盛装在料筒中，料筒中的少部分细胞悬浮液进入到喷嘴***，压电陶瓷在脉冲电压的刺激下变形，推动下方的推杆，进而推动驱动膜片变形，驱动膜片向下变形，内喷嘴内部的体积变小压力增大进而挤出一个包含单细胞的微滴；当压电陶瓷往回收缩带动驱动膜片向上变形时，内喷嘴内部压力减小，贮存在料筒中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴，完成一个循环。压电陶瓷在脉冲电压的控制下可控的变形进而推动微滴一个个的喷出。

进一步的，本实用新型提供的单细胞3D打印***还包括恒温舱，所述料筒设在所述恒温舱内，所述喷嘴***设在所述恒温舱底部。恒温舱能够给料筒中的细胞悬浮液提供一个恒温环境，避免因外界环境因素变化而造成细胞活性损伤。

进一步的，所述喷嘴***还包括外喷嘴，所述外喷嘴套设在所述内喷嘴的前端，外喷嘴内壁与内喷嘴外壁之间间隔一定距离。优选的，所述内喷嘴的内径为20~90μm，所述外喷嘴的内径为100~200μm。内喷嘴的内径稍大于单细胞的直径10μm，以保证从内喷嘴喷出的细胞悬浮液微滴中只包含单个细胞。

进一步的，所述外喷嘴后端的外壁上设有进气管，所述外喷嘴前端的外壁上相对设置有导气管，所述进气管和导气管均与所述外喷嘴的内部连通，所述导气管向着所述外喷嘴的前端倾斜。所述导气管的中心轴线与所述外喷嘴的中心轴线之间的夹角为30~60°，优选的，所述导气管的中心轴线与外喷嘴的中心轴线之间的夹角为45°。内喷嘴喷射出包含单细胞的微滴的过程中，在外喷嘴的进气管上通入高压气体，并在外喷嘴的导气管上施加抽吸力，这样内喷嘴和外喷嘴中间就形成了稳定向下喷射的气流，当包含单细胞的微滴喷射到外喷嘴时，包含单细胞的微滴与外喷嘴内壁之间就有一层气垫，起到了保护作用，减小包含单细胞的微滴与外喷嘴内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率，气体顺着外喷嘴的内壁喷射到外喷嘴的前端时，绝大部分气流就会由位于外喷嘴前端的导气管排出，避免影响从外喷嘴喷射出来的包含单细胞的微滴的运动方向。导气管向着所述外喷嘴的前端倾斜可以保证绝大部分气流被导气管抽吸排出。

进一步的，所述料筒与所述喷嘴***通过管道连接，料筒与所述喷嘴***之间的管道上设有单向阀。料筒中的细胞悬浮液，极小部分经由单向阀后进入内喷嘴，驱动装置驱动内喷嘴挤出包含单细胞的微滴时，单向阀关闭，可以防止内喷嘴中的细胞悬浮液回流到料筒中，使得微滴从内喷嘴挤出，驱动装置回缩使得内喷嘴内部压力减小时，单向阀打开，贮存在料筒中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴。

进一步的，所述外喷嘴的下方依次设有用于使从所述外喷嘴喷出的单细胞带上电荷的极化电场，以及用于控制带上电荷的单细胞在底板上排列出相应形状的偏转电场。喷嘴***喷出的单细胞在极化电场的作用下带上电荷，然后经偏转电场的控制在底板上排列出相应的形状。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供的细胞3D打印***的内喷嘴和外喷嘴的内径都较小，提高了细胞成型精度，配合使用压电陶瓷来驱动喷射单细胞，实现了针对单细胞的3D打印，再加上电场来控制包含单细胞的微滴的排布，全电子化控制，成型效率高。传统打印喷头因为喷嘴内径较大，是多个细胞同时的被挤出，并且细胞在挤出材料中的位置是随机不可控的。同时，本实用新型的细胞3D打印***在喷嘴***上增加了气流保护，使得包含细胞的微滴与喷嘴内壁之间形成一层气垫，减弱甚至是消除了细胞受到的剪切力的不利影响，大大提高了细胞存活率。

附图说明

图1是传统电机助推式喷头三维结构剖分示意图。

图2是传统电机助推式喷头挤出材料效果图。

图3是传统电机助推式喷头挤出材料横截面示意图。

图4是本实用新型的整体结构示意图。

图中：201—螺杆；202—直线步进电机；203—加热棒；204—隔热外套；205—喷嘴；401—细胞；402—生物材料；1—恒温舱；2—料筒；3—内喷嘴；4—外喷嘴；5—进气管；6—导气管；7—单向阀；8—驱动膜片；9—推杆；10—压电陶瓷；11—极化电场；12—偏转电场。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图4所示，一种单细胞3D打印***，其中，包括料筒2和与所述料筒2连接的喷嘴***，所述喷嘴***上设有用于挤出包含单细胞的微滴的驱动装置；所述喷嘴***包括内喷嘴3，所述内喷嘴3的内径大于单个细胞的直径，且小于150μm；所述驱动装置包括设在所述内喷嘴3后端的驱动膜片8、前端与所述驱动膜片8紧贴的推杆9以及连接在所述推杆9后端的压电陶瓷10。细胞悬浮液盛装在料筒2中，料筒2中的少部分细胞悬浮液进入到喷嘴***，压电陶瓷10在脉冲电压的刺激下变形，推动下方的推杆9，进而推动驱动膜片8变形，驱动膜片8向下变形，内喷嘴3内部的体积变小压力增大进而挤出一个包含单细胞的微滴；当压电陶瓷10往回收缩带动驱动膜片8向上变形时，内喷嘴3内部压力减小，贮存在料筒2中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴3，完成一个循环。压电陶瓷10在脉冲电压的控制下可控的变形进而推动微滴一个个的喷出。

如图4所示，本实用新型提供的单细胞3D打印***还包括恒温舱1，所述料筒2设在所述恒温舱1内，所述喷嘴***设在所述恒温舱1底部。恒温舱1能够给料筒2中的细胞悬浮液提供一个恒温环境，避免因外界环境因素变化而造成细胞活性损伤。

如图4所示，所述喷嘴***还包括外喷嘴4，所述外喷嘴4套设在所述内喷嘴3的前端，外喷嘴4内壁与内喷嘴3外壁之间间隔一定距离。优选的，所述内喷嘴3的内径为20~90μm，所述外喷嘴4的内径为100~200μm。内喷嘴3的内径稍大于单细胞的直径10μm，以保证从内喷嘴3喷出的细胞悬浮液微滴中只包含单个细胞。

如图4所示，所述外喷嘴4后端的外壁上设有进气管5，所述外喷嘴4前端的外壁上相对设置有导气管6，所述进气管5和导气管6均与所述外喷嘴4的内部连通，所述导气管6向着所述外喷嘴4的前端倾斜。所述导气管6的中心轴线与所述外喷嘴4的中心轴线之间的夹角为30~60°，优选的，所述导气管6的中心轴线与外喷嘴4的中心轴线之间的夹角为45°。内喷嘴3喷射出包含单细胞的微滴的过程中，在外喷嘴4的进气管5上通入高压气体，并在外喷嘴4的导气管6上施加抽吸力，这样内喷嘴3和外喷嘴4中间就形成了稳定向下喷射的气流，当包含单细胞的微滴喷射到外喷嘴4时，包含单细胞的微滴与外喷嘴4内壁之间就有一层气垫，起到了保护作用，减小包含单细胞的微滴与外喷嘴4内壁之间的剪切力，提高了细胞存活率，气体顺着外喷嘴4的内壁喷射到外喷嘴4的前端时，绝大部分气流就会由位于外喷嘴4前端的导气管6排出，避免影响从外喷嘴4喷射出来的包含单细胞的微滴的运动方向。导气管6向着所述外喷嘴4的前端倾斜可以保证绝大部分气流被导气管6抽吸排出。

如图4所示，所述料筒2与所述喷嘴***通过管道连接，料筒2与所述喷嘴***之间的管道上设有单向阀7。料筒2中的细胞悬浮液，极小部分经由单向阀7后进入内喷嘴3，驱动装置驱动内喷嘴3挤出包含单细胞的微滴时，单向阀7关闭，可以防止内喷嘴3中的细胞悬浮液回流到料筒2中，使得微滴从内喷嘴3挤出，驱动装置回缩使得内喷嘴3内部压力减小时，单向阀7打开，贮存在料筒2中的细胞悬液顺着管路进入内喷嘴3。

如图4所示，所述外喷嘴4的下方依次设有用于使从所述外喷嘴4喷出的单细胞带上电荷的极化电场11，以及用于控制带上电荷的单细胞在底板上排列出相应形状的偏转电场12。喷嘴***喷出的单细胞在极化电场11的作用下带上电荷，然后经偏转电场12的控制在底板上排列出相应的形状。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单细胞3D打印***，其特征在于，包括料筒（2）和与所述料筒（2）连接的喷嘴***，所述喷嘴***上设有用于挤出包含单细胞的微滴的驱动装置；所述喷嘴***包括内喷嘴（3），所述内喷嘴（3）的内径大于单个细胞的直径，且小于150μm；所述驱动装置包括设在所述内喷嘴（3）后端的驱动膜片（8）、前端与所述驱动膜片（8）紧贴的推杆（9）以及连接在所述推杆（9）后端的压电陶瓷（10）。

2.根据权利要求1所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，还包括恒温舱（1），所述料筒（2）设在所述恒温舱（1）内，所述喷嘴***设在所述恒温舱（1）底部。

3.根据权利要求1所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述喷嘴***还包括外喷嘴（4），所述外喷嘴（4）套设在所述内喷嘴（3）的前端，外喷嘴（4）内壁与内喷嘴（3）外壁之间间隔一定距离。

4.根据权利要求3所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述内喷嘴（3）的内径为20~90μm，所述外喷嘴（4）的内径为100~200μm。

5.根据权利要求3所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述外喷嘴（4）后端的外壁上设有进气管（5），所述进气管（5）与所述外喷嘴（4）的内部连通；所述外喷嘴（4）前端的外壁上相对设置有导气管（6），所述导气管（6）与所述外喷嘴（4）的内部连通，所述导气管（6）向着所述外喷嘴（4）的前端倾斜。

6.根据权利要求5所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述导气管（6）的中心轴线与所述外喷嘴（4）的中心轴线之间的夹角为30~60°。

7.根据权利要求6所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述导气管（6）的中心轴线与外喷嘴（4）的中心轴线之间的夹角为45°。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述料筒（2）与所述喷嘴***通过管道连接，料筒（2）与所述喷嘴***之间的管道上设有单向阀（7）。

9.根据权利要求3-7任一项所述的一种单细胞3D打印***，其特征在于，所述喷嘴***的下方依次设有用于使从所述外喷嘴（4）喷出的单细胞带上电荷的极化电场（11），以及用于控制带上电荷的单细胞在底板上排列出相应形状的偏转电场（12）。