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1、(10)授权公告号 CN 204072388 U (45)授权公告日 2015.01.07 CN 204072388 U (21)申请号 201420533039.5 (22)申请日 2014.09.16 A61F 2/02(2006.01) A61F 2/04(2013.01) A61L 27/38(2006.01) A61L 27/20(2006.01) A61L 27/22(2006.01) A61L 27/24(2006.01) A61L 27/18(2006.01) A61L 27/54(2006.01) (73)专利权人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084 信。
2、箱 82 分箱清华大学专利办公室 (72)发明人 王小红 周新伟 (74)专利代理机构 北京鸿元知识产权代理有限 公司 11327 代理人 邸更岩 (54) 实用新型名称 一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设 备 (57) 摘要 一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设 备， 包括支撑装置、 多喷头组件、 运动机构以及成 形装置 ； 支撑装置包括支撑腿和底板 ； 运动机构 采用导轨滑块机构， 包括 X 向导轨、 X 向滑块、 Y 向导轨、 两个 Y 向滑块、 Z 向导轨和 Z 向滑块 ； 所 述多喷头组件至少含有六个喷头， 分两组分别安 装在第一 Y 向滑块和第二 Y 向滑块上 ； 成形装置 。
3、包括成形容器、 支架和电机。成形容器安装在底 板上并处于喷头组件的下方， 支架安装在成形容 器内并与电机输出轴相连。本实用新型易于成形 血管和神经系统， 特别适用于成形传统组织工程 难以成形的具有内腔的组织器官， 如心房、 肝脏前 体、 膀胱前体、 肾脏前体或人工乳房等组织器官的 制备。 (51)Int.Cl. (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)授权公告号 CN 204072388 U CN 204072388 U 1/1 页 2。
4、 1. 一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 包括支撑装置、 多喷头组件、 运动机 构以及成形装置 ； 所述支撑装置包括支撑腿和底板 (101) ； 所述运动机构采用导轨 滑块机 构， 包括 X 向导轨 (121)、 X 向滑块 (120)、 Y 向导轨 (107)、 第一 Y 向滑块 (111)、 第二 Y 向 滑块 (112)、 Z 向导轨 (118)、 Z 向滑块 (106) ； 所述 X 向导轨 (121) 设在底板 (101) 上， Z 向 导轨 (118) 固接在 X 向滑块 (120) 上， Y 向导轨 (107) 固接在 Z 向滑块 (106) 上 ； 其特征在 于 ： 。
5、所述多喷头组件至少含有六个喷头， 分两组分别安装在第一 Y 向滑块和第二 Y 向滑块 上 ； 所述成形装置包括成形容器(102)、 支架(103)和电机(119)， 成形容器(102)安装在底 板 (101) 上并处于喷头组件的下方， 支架 (103) 安装在成形容器 (102) 内并与电机 (119) 输出轴相连。 2. 如权利要求 1 所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 其特征在于 ： 所述 第一Y向滑块(111)和第二Y向滑块(112)上分别开有与Y向导轨平行的第一小导轨(110) 和第二小导轨 (117)， 第一小导轨和第二小导轨上分别安装第一小滑块 (109) 和第二小滑 。
6、块 (116)， 第一小滑块和第二小滑块上开有固定喷头的孔。 3. 如权利要求 1 或 2 所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 其特征在于 ： 所述支架为两端呈圆柱状、 中间为棱柱状结构。 4. 如权利要求 1 或 2 所述的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 其特征在于 ： 所述多喷头组件包括至少两个挤压式喷头和四个喷洒式喷头， 挤压式喷头的喷嘴内径分别 为 200m 1mm 和 50m 500m， 喷洒式喷头的喷嘴网孔直径为 50m 100m。 权 利 要 求 书 CN 204072388 U 2 1/4 页 3 一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备 技术领域 0001 。
7、本实用新型涉及利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 属于组织工程制备技 术领域。 背景技术 0002 人体病损组织和器官的修复和替代是本世纪令人瞩目的科学前沿， 也是一项亟 需解决的科学难题。由于活体组织器官移植存在供体短缺以及免疫排斥风险大等固有弊 端， 难以成为解决该问题的有效途径。据此， 以提高此类疾患治疗水平为目的的组织工程 (Tissue Engineering) 应运而生， 组织工程旨在体外构建细胞和材料的三维结构体， 通过 适当的培养和训练后发展成具有和天然组织类似结构和功能的可移植替代物。近年来， 组 织工程一直是国内外研究的热点， 发展迅速并取得了诸多成果， 但就其产品应用。
8、领域而言， 目前主要集中在结构相对简单的骨组织工程和皮肤组织工程等少数几个领域。究其原因， 很重要的一点就是， 现有的组织工程结构体的体外构建方法(如电纺丝、 模铸法等)难以构 建具有天然组织类似的复杂的血管网络结构， 致使结构体内部的细胞存活率低， 因此难以 实现大块组织的构建。 0003 传统的组织工程遵循 “细胞 - 支架复合” 的 “自上而下” 的构建思路， 即先成形支 架， 再把细胞种植到支架上。但是， 当支架尺寸和复杂度提高到一定程度时， 支架成形和细 胞复合的难度将大大增加。细胞三维受控组装技术 (Wang X H,Yan Y N,Zhang R J.Rapid prototyp。
9、ing as a tool for manufacturing bio-artifi cial livers.Trends in Biotech nology,2007,25(11):505-513.)， 即细胞 3D 打印技术， 遵循 “支架 - 细胞” 一体化构建的思 路。在细胞打印过程中， 细胞 ( 或细胞聚集体 ) 与溶胶 ( 水凝胶的前驱体 ) 同时置于或者 含细胞的培养液单独置于打印机的喷头中， 由计算机控制含细胞液滴的沉积位置， 在指定 的位置逐点打印， 在打印完一层的基础上继续打印另一层， 层层叠加形成三维多细胞 凝胶 体系。细胞打印技术的特点是可以保证细胞密度和分布的均匀性，。
10、 并且可以实现多种细胞 的共同组装和定点排布。但是氧气和营养物质的有效输送问题， 即 “血管化问题” 仍然是该 方法构建可移植复杂组织器官的瓶颈问题。 0004 现有的通过细胞 3D 打印成形的组织器官都是按照一层一层的平面堆积而成的， 因其成形的固有特点， 微通道 ( 血管 ) 的成形依赖于成形精度及材料的性质。而且对于具 有内腔结构组织器官的成形， 依靠平面堆积的细胞打印技术在其成形过程中不可避免地需 要增加支架或者转动成形台或喷头方位， 大大增加了设计和成形的难度， 有时甚至还无能 为力。 实用新型内容 0005 本实用新型的目的在于克服传统的组织工程中难以构建具有复杂血管和神经结 构的。
11、空腔类组织器官， 提供一种基于旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 该设备便于制 备具有螺旋网状血管和神经的组织器官， 特别适用于制备具有内腔结构的组织器官。 说 明 书 CN 204072388 U 3 2/4 页 4 0006 本实用新型的技术方案如下 ： 0007 一种利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 包括支撑装置、 多喷头组件、 运动 机构以及成形装置 ； 所述支撑装置包括支撑腿和底板 ； 所述运动机构采用导轨滑块机构， 包括 X 向导轨、 X 向滑块、 Y 向导轨、 第一 Y 向滑块、 第二 Y 向滑块、 Z 向导轨、 Z 向滑块 ； 所 述 X 向导轨设在底板上， Z 向导轨固。
12、接在 X 向滑块上， Y 向导轨固接在 Z 向滑块上 ； 其特征 在于 ： 所述多喷头组件至少含有六个喷头， 分两组分别安装在第一Y向滑块和第二Y向滑块 上 ； 所述成形装置包括成形容器、 支架和电机， 成形容器安装在底板上并处于喷头组件的下 方， 支架安装在成形容器内并与电机输出轴相连。 0008 上述技术方案中， 所述第一 Y 向滑块和第二 Y 向滑块上分别开有与 Y 向导轨平行 的第一小导轨和第二小导轨， 第一小导轨和第二小导轨上分别安装第一小滑块和第二小滑 块， 第一小滑块和第二小滑块上开有固定喷头的孔。 0009 所述支架为两端呈圆柱状、 中间为棱柱状结构。所述多喷头组件包括至少两个。
13、 挤压式喷头和四个喷洒式喷头， 挤压式喷头的喷嘴内径分别为 200m 1mm 和 50m 500m， 喷洒式喷头的喷嘴网孔直径为 50m 100m。 0010 本实用新型与现有技术相比， 具有以下优点及有益效果 ： 0011 本实用新型将溶芯法和 3D 打印方法结合起来， 能成形传统 3D 打印方法难以成 形的具有内腔的组织器官。多喷头的使用可实现多种细胞非均质成形以及表面复合处 理， 满足天然组织器官对多种细胞的要求 ； 成形容器既能为细胞提供营养物质又可以洗 涤凝胶表面的交联剂 / 聚合液及合成高分子中的有机溶剂， 减小其对细胞的损伤。该设 备特别适用于成形传统组织工程难以成形的具有内腔的。
14、组织器官， 如心房、 肝脏前体、 膀胱 前体、 肾脏前体或人工乳房等组织器官的制备。 附图说明 0012 图 1 为本实用新型的专用设备三维结构简图。 0013 图 2 为第一 Y 向滑块的三维结构简图。 0014 图 3 为本实用新型的组织器官成形过程示意图。 0015 图 4 为本实用新型的组织器官的结构示意图。 0016 图中 ： 101底板 ； 102成形容器 ； 103支架 ； 104第一喷洒式喷头 ； 105第二喷 洒式喷头 ； 106Z 向滑块 ； 107Y 向导轨 ； 108第三喷洒式喷头 ； 109第一小滑块 ； 110 第一小导轨 ； 111第一 Y 向滑块 ； 112第二。
15、 Y 向滑块 ； 113第一挤压式喷头 ； 114第二 挤压式喷头 ； 115第四喷洒式喷头 ； 116第二小滑块 ； 117第二小导轨 ； 118Z 向导轨 ； 119旋转电机 ； 120X 向滑块 ； 121X 向导轨 ； 401内芯 ； 402喷头组件 ； 403材料 ； 404水凝胶丝 ； 405培养液 ； 601主体部分 ； 602血管 ( 神经 ) ； 603内腔。 具体实施方式 0017 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 0018 图 1 是本实用新型提供的利用旋转堆积法制备组织器官的专用设备， 该设备包括 多喷头组件、 运动机构以及成形装置。所述运动机构由滑块导轨 。
16、( 槽 ) 实现， 包括 X 向导 轨 121 和 X 向滑块 120、 Y 向导轨 107 和第一 Y 向滑块 111、 第二 Y 向滑块 112、 Z 向导轨 118 说 明 书 CN 204072388 U 4 3/4 页 5 和 Z 向滑块 106 以及第一小滑块 109、 第二小滑块 116 和第一小导轨 110、 第二小导轨 117 ； 所述 X 向导轨 121 设在底板 101 上 ； 所述 Z 向导轨 118 固接在 X 向滑块 120 上 ； 所述 Y 向 导轨 107 固接在 Z 向滑块 106 上 ； 所述第一小导轨 110 和第二小导轨 117 分别安装在第一 Y 向滑。
17、块 111 和第二 Y 向滑块 112 上 ； 所述多喷头组件至少含有六个喷头， 包括至少两个挤 压式喷头和四个喷洒式喷头， 分两组分别固定在两个平行的 Y 向滑块上， 第一喷洒式喷头 104、 第二喷洒式喷头 105 和第三喷洒式喷头 108 安装在第一 Y 向滑块 111 上， 其中第一喷 洒式喷头 104 和第二喷洒式喷头 105 安装在第一 Y 向滑块 111 上的喷头固定槽中， 第三喷 洒式喷头 108 安装在第一小滑块 109 的喷头固定槽上 ； 第四喷洒式喷头 115 和至少两个挤 压式喷头， 第一挤压式喷头 113 和第二挤压式喷头 114， 安装在第二 Y 向滑块 112 上。
18、， 其中 第一挤压式喷头 113 和第二挤压式喷头 114 固定在第二 Y 向滑块 112 的喷头固定槽上， 第 四喷洒式喷头 115 安装在第二小滑块 116 的喷头固定槽上， 第一挤压式喷头 113 和第二挤 压式喷头 114 的喷嘴内径分别为 200m 1mm 和 50m 500m， 四个喷洒式喷头喷嘴的网 孔直径为 50m100m ； 所述成形装置包括成形容器 102、 支架 103 以及电机 119， 成形容 器 102 安装在底板 101 上喷头组件的正下方， 可拆卸的支架 103 安装在成形容器 102 内并 与电机119的输出轴相连， 所述支架103为具有一定力学强度的对细胞无。
19、毒性的固体材料， 如不锈钢或者钛合金。 0019 图 2 为第一 Y 向滑块的三维结构简图， 所述第一 Y 向滑块上开有两个用来固定喷 头的孔和一个能让喷头运动的大孔， 大孔两边设有第一小导轨 110， 第一小滑块 109 可沿小 导轨运动， 带动其上的第三喷洒式喷头108轮流为第一喷洒式喷头104第二喷洒式喷头105 工作， 第二 Y 向滑块结构与第一 Y 向滑块类似。 0020 图 3 为本实用新型的旋转堆积成形过程示意图， 将含种子细胞的水凝胶和不含细 胞的水凝胶分别装入设备中第一挤压式喷头 113 和第二挤压式喷头 114 中， 交联剂 / 聚合 液、 神经细胞悬液和内皮细胞悬液分别装。
20、入第四喷洒式喷头 115、 第二喷洒式喷头 105 和第 一喷洒式喷头 104 中， 合成高分子溶液装入第三喷洒式喷头喷头 108 中， 将支架 103 安装在 成形容器 102 中并在成形容器 102 内装入细胞培养液 405 ； 启动成形设备， 开始堆积成形， 在成形过程中， 支架 103 绕 Y 负向做旋转运动， 喷头做平移运动， 当成形组织器官主体部分 时， 第一挤压式喷头 113 运动到指定位置挤出含种子细胞的水凝胶缠绕在内芯上， 同时装 有交联剂 / 聚合液的第四喷洒式喷头 115 运动到第一挤压式喷头 113 的正后方喷洒出交联 剂/聚合液对其进行交联/聚合 ； 当成形血管时， 。
21、第二挤压式喷头114运动到指定位置挤出 不含细胞的水凝胶缠绕在内芯上， 同时第四喷洒式喷头 115 运动到第二挤压式喷头 114 正 后方， 第一喷洒式喷头 104 和第三喷洒式喷头 108 分别运动到第二挤压式喷头 114 正前方， 在旋转的内芯带动下， 新缠绕的水凝胶依次运动至第四喷洒式喷头115下进行交联/聚合， 经过培养液进行洗涤， 经过第一喷洒式喷头 104、 第三喷洒式喷头 108 下进行喷洒内皮细胞 和复合合成高分子 ； 当成形神经纤维束时， 第二挤压式喷头 114 运动到指定位置挤出不含 细胞的水凝胶缠绕在内芯上， 同时第四喷洒式喷头115运动到第一挤压式喷头113正后方， 第。
22、二喷洒式喷头 105 和第三喷洒式喷头 108 分别运动到第二挤压式喷头 114 正前方， 在旋 转的内芯带动下， 新缠绕的水凝胶依次运动至第四喷洒式喷头115下进行交联/聚合， 经过 培养液进行洗涤， 经过第二喷洒式喷头 105、 第三喷洒式喷头 108 下进行喷洒神经细胞和复 合合成高分子， 如此反复缠绕堆积， 直至成形所需的组织器官。 说 明 书 CN 204072388 U 5 4/4 页 6 0021 图 4 为本实用新型制备的组织器官的实施例的结构示意图， 所述组织器官为回转 体或近回转体， 由内腔 603 和外围实体组成 ； 所述内腔 603 为圆柱状、 球状或者由其它曲面 围成的闭合曲面形状 ； 所述外围实体由含或者不含细胞的水凝胶丝缠绕堆积而成 ； 含有种 子细胞的水凝胶丝 602 缠绕形成主体结构， 不含细胞的水凝胶丝 603 表面涂覆内皮细胞和 合成高分子溶液形成血管系统， 不含细胞的水凝胶表面涂覆神经细胞和合成高分子溶液形 成神经系统。 利用该设备， 可以实现如心房、 肝脏、 膀胱、 肾脏或人工乳房等组织器官前体的 制备。 说 明 书 CN 204072388 U 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 204072388 U 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 204072388 U 8 。