[發(fā)明專利]一種用于組織/器官芯片集成制造的三維打印方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510075517.1
• 申請(qǐng)日: 2015-02-12
• 公開（公告）號(hào): CN104708821B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫偉;趙雨;姚睿;李揚(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/106
• 分類號(hào): B29C64/106;B29C64/20;B29C64/209;B29C64/227;B29C64/30;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,劉美麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三維生物打印領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種用于組織/器官芯片集成制造的三維打印方法及裝置。

背景技術(shù)

細(xì)胞外微環(huán)境對(duì)組織和器官的形成、發(fā)展以及細(xì)胞行為和功能表達(dá)具有重要作用?，F(xiàn)階段，研究者一般通過二維單層細(xì)胞培養(yǎng)模型或動(dòng)物模型來研究和理解人體組織生理學(xué)和病理學(xué)。由于二維單層細(xì)胞培養(yǎng)模型缺乏細(xì)胞與細(xì)胞間以及細(xì)胞與基質(zhì)間的交互作用，而動(dòng)物模型的免疫系統(tǒng)與細(xì)胞微環(huán)境均有別于人體，因此，兩者均不能準(zhǔn)確地表達(dá)人體內(nèi)微環(huán)境的特征。目前，現(xiàn)有的三維模型(例如細(xì)胞支架)等基于生物膠的培養(yǎng)系統(tǒng)也難以模擬人體內(nèi)組織復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)和功能(包括組織與組織間的界面，氧氣和營(yíng)養(yǎng)的時(shí)空梯度，動(dòng)態(tài)的力學(xué)性能等)。因此，二維單層細(xì)胞培養(yǎng)模型、動(dòng)物模型和三維模型在進(jìn)行生理研究和藥物測(cè)試時(shí)，存在準(zhǔn)確性差和研究周期長(zhǎng)等問題，難以滿足研究要求。因此，構(gòu)建更為仿生的三維體外生物學(xué)模型已成為急需解決的問題。

器官芯片是一種具有多通道的三維微流控細(xì)胞培養(yǎng)芯片，通過模擬完整器官的微結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、生化功能以及生理響應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)特定環(huán)境下生理學(xué)、病理學(xué)和藥物測(cè)試的研究。器官芯片的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要來源于微流控技術(shù)的使用，微流控技術(shù)是指在微流道(1～1000μm)內(nèi)操控微量流體(10^-9～10^-18L)的技術(shù)，流體流動(dòng)在微流道內(nèi)是層流，傳質(zhì)主要通過擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，基本不存在對(duì)流現(xiàn)象。并且粘性力起主導(dǎo)作用，慣性力幾乎可以忽略等。利用微流體技術(shù)的這些特性，可以精確控制在微腔道內(nèi)產(chǎn)生藥物或生長(zhǎng)因子等所需的時(shí)空梯度，并且可以實(shí)現(xiàn)在微觀尺度可控的、動(dòng)態(tài)的傳遞營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)到細(xì)胞或組織所在位置；同時(shí)，微流道的尺度也與人體內(nèi)微血管尺度相近，因此，基于微流控技術(shù)的三維體外生物學(xué)模型(器官芯片)可以更好地模擬體內(nèi)細(xì)胞微環(huán)境，具有更接近人體復(fù)雜器官的響應(yīng)能力。

現(xiàn)階段，研究者主要采用軟光刻技術(shù)制造器官芯片，該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的器官芯片的制造，且該技術(shù)依賴掩膜，掩膜的制造成本高，加工周期長(zhǎng)，進(jìn)而降低了系統(tǒng)柔性。目前無掩膜的器官芯片制造技術(shù)包括立體光刻技術(shù)、DMD(數(shù)字微鏡元件)技術(shù)、Print?and?Peel技術(shù)(打印和剝離技術(shù))等，這些技術(shù)不僅難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的器官芯片制造，而且難以實(shí)現(xiàn)器官芯片內(nèi)細(xì)胞的可控空間分布，且細(xì)胞外基質(zhì)的材料種類單一。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠直接進(jìn)行細(xì)胞打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的器官芯片制造的用于組織/器官芯片集成制造的三維打印方法及裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種用于組織/器官芯片集成制造的三維打印方法，包括以下步驟：1)采用三維制圖軟件設(shè)計(jì)三維芯片的三維結(jié)構(gòu)圖，并采用分層方法將三維芯片的三維結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為可以被三維打印裝置識(shí)別的片層圖形文件；2)首先，開啟三維打印裝置，并將主體材料打印墨水、犧牲材料打印墨水和多種細(xì)胞打印墨水分別吸入主體材料打印噴頭、犧牲材料打印噴頭和多細(xì)胞打印噴頭中；然后，將步驟1)中所得到的片層圖形文件導(dǎo)入三維打印裝置；其中，主體材料打印墨水、犧牲材料打印墨水和多種細(xì)胞打印墨水均為生物材料，犧牲材料打印墨水為溫敏可逆的高分子生物材料；3)三維打印裝置根據(jù)片層圖形文件分別通過主體材料打印噴頭、犧牲材料打印噴頭和多細(xì)胞打印噴頭將主體材料打印墨水、犧牲材料打印墨水和不同的細(xì)胞打印墨水打印到底板系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計(jì)的位置；主體材料打印墨水在底板系統(tǒng)形成凝膠，形成第一層三維芯片主體材料，犧牲材料打印墨水在底板系統(tǒng)形成通道凝膠，進(jìn)而形成第一層的通道犧牲材料，不同的細(xì)胞墨水材料形成第一層多種細(xì)胞材料；4)重復(fù)步驟3)逐層累積完成三維芯片結(jié)構(gòu)打印，直至片層圖形文件打印完成，即三維芯片的整體打印完成；5)加熱或制冷整體打印完成的三維芯片，使通道犧牲材料變?yōu)槿苣z態(tài)；6)將變?yōu)槿苣z態(tài)的通道犧牲材料使用移液槍吸出，去除通道犧牲材料，得到三維芯片內(nèi)的通道，形成完整的三維芯片結(jié)構(gòu)；7)針對(duì)不同的細(xì)胞打印墨水材料采用不同的交聯(lián)方式對(duì)未被融化的細(xì)胞打印墨水材料進(jìn)行交聯(lián)，交聯(lián)完成后在三維芯片通道中灌流培養(yǎng)基，對(duì)三維芯片內(nèi)的細(xì)胞或組織進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。

所述步驟3)結(jié)束后，采用紫外光源發(fā)射紫外光局部照射第一層三維芯片主體材料，使第一層三維芯片主體材料局部交聯(lián)固化形成穩(wěn)定不可逆的凝膠狀態(tài)。

所述步驟4)結(jié)束后，采用紫外光源發(fā)射紫外光照射整體打印結(jié)束后的三維芯片，透明的主體材料受紫外光照射交聯(lián)固化形成穩(wěn)定不可逆的凝膠狀態(tài)。

所述主體材料采用明膠-甲基丙烯酸。