[发明专利]一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法

说明书

技术领域

本发明属于组织器官制造技术领域，特别涉及一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法。

背景技术

大块软组织及内脏器官（如心、肝、脾、肺、肾等），是人体的重要组成部分，由于疾病、创伤和老化引起的相关损伤和功能障碍，严重危害人体健康和生命质量。传统的临床方法，目前还存在许多局限性，特别是不能实现体外重建细胞受控分布的结构体。而制造科学和生命科学的交叉融合，催生了细胞受控组装技术，这一技术，为体外直接构建具有新陈代新机能的器官替代物开辟了新途径。

低温沉积制造工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。

低温沉积制造具体的工艺过程为：

①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。

②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。

③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压、喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。

④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。

目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-Ⅱ型生物材料快速成形机。

然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同细胞和细胞外基质材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。原有的单喷头和双喷头无法满足复杂组织器官快速制造的要求；

中国专利文献(申请号201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为两个固定式的电机助推式喷头，成形台设置在三维运动装置上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时三维运动装置使工作喷头与成形台对正。步进电机固定在Z向运动装置支架上，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喷出，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。

此种设计简单可靠，但是，固定式多喷头成形系统有以下不足之处：

①低温沉积制造需要零下40度的低温环境，低温会对细胞的成活率产生不利影响，并且需要添加冻存剂，工艺较为复杂。

②原有系统只有两个喷头，即能使用两种材料，但是复杂组织器官都包含有多种材料和细胞，现有设备不能满足复杂组织器官前体的制造。

③无法对成形体侧表面进行喷涂，电机助推式快速成形喷头需要竖直安装，如果进行水平安装，则浆料从喷嘴挤出后会在自身重力的作用下滴落，无法在成形体侧表面附着。

④成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高。

发明内容

本发明针对已有技术的不足之处，提供一种基于光固化的组织器官前体组装设备及方法，本发明采用气动喷涂、电机助推式挤压和压电挤压等多种喷涂技术相结合，通过光线照射使含光敏材料的高分子溶液使其在常温环境下快速固化，提高了多种细胞、多方位成形时的灵活性和精度。

本发明的技术方案如下：

一种基于光固化的组织器官前体组装设备含有支架、控制单元、旋转成形台、升降台、喷涂装置和灭菌装置以及安装在支架顶部的X向运动机构和Y向运动机构，升降台安装在支架底部，X向运动机构安装在Y向运动机构上，其特征在于：该设备还包括喷阀挂架、喷阀选取装置和偏转台；所述的喷涂装置悬挂在喷阀挂架上，喷涂装置至少采用3套；喷阀挂架固定在支架上，喷阀选取装置固定安装在X向运动机构上，偏转台安装在升降台上；所述的旋转成形台安装在偏转台的顶部；每套喷涂装置包括设置在底板上的喷头、喷涂溶液针筒、连接板、直线轴承和两个波长为300-600nm的点状光源，点状光源布置在喷头两侧，使两束光同时照射在喷头喷出的含有光敏材料的高分子溶液上。