一种具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统及方法。本系统包括：模具组合和生物材料灌注平台，所使用的模具由3D打印机根据STL文件直接成形；所述的生物材料灌注平台结合模具组合，使用微量泵实现材料的精确灌注过程。本发明专利技术基于3D打印模具，凭借不同模具的依次组合，通过向不同的模具腔室中注入生物材料，实现注入模具的生物材料，细胞，药物或上述材料的任意组合成形具有可控精准内部结构与形态特性的肿瘤体外3D微球模型。

An in vitro 3D tumor microsphere model manufacturing system and method with controllable core shell structure

The invention discloses a manufacturing system and a method for an external 3D tumor microsphere model with a controllable core shell structure. The system includes the mold combination and the biological material filling platform, the used mold is formed by the 3D printer according to the STL file directly; the biological material filling platform is combined with the mold combination, and uses the micro pump to realize the accurate filling process of the material. The invention is based on the 3D printing mold. By means of the combination of different moulds, biological materials, cells, drugs or the above materials are formed by injecting biological materials into different mold chambers to form an in vitro 3D microsphere model with a controllable and precise internal structure and morphological characteristics.

【技术实现步骤摘要】
一种具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统及方法
本专利技术涉及一种体外3D肿瘤微球的高通量、高可重复性制造系统及方法，特别是一种具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统及方法，能够实现微球具备可控的芯壳层结构，而且芯壳层的材料组分可以是生物材料，细胞，药物或上述组分的任意组合，构建的微球可应用于肿瘤的相关病理和药理分析。
技术介绍
癌症已经成为了出心脑血管疾病外引起人类死亡的第一因素。据世界卫生组织下属的国际癌症研究机构发布的数据显示，全球癌症发病率正以惊人的速度增长，在未来二十年，全球癌症新增病例可能会高达每年2200万，造成的死亡人数也可能达到1300万人。肿瘤在体内以三维立体模式生长，肿瘤细胞不仅相互接触，而且还与其细胞以及细胞外基质接触，其生物学行为受体内多个因素的共同影响。肿瘤细胞的微环境、细胞间及细胞与基质间的相互作用都能够显著地影响细胞分泌、黏附、侵袭和转移等功能，因此如何有效的分析和评价肿瘤细胞在体内的行为规律，对于有效揭示肿瘤的病理过程具有重要意义。另一方面，近些年来很多靶向药物，例如伊马替尼、曲妥珠单抗、克唑替尼、威罗菲尼等，开始在肿瘤治疗方面展示出应用潜力，但由于药物进入体内或到达肿瘤后，往往受到癌细胞内部信号交换、癌细胞与其它类型细胞的相互作用，以及肿瘤微环境对肿瘤细胞的影响，导致对这些药物的作用机理分析存在很大困难，严重限制了新型肿瘤治疗药物的研究与应用。在此背景下，体外构建能有效模拟肿瘤细胞生存微环境，还能够体现多细胞间，以及细胞与基质间相互作用的3D细胞微球模型开始越来越受到关注和重视。目前，3D肿瘤微球的制造方法主要可以包括：悬滴法、微孔板法、微载体法，转瓶法和微流控法。这些方法目前尽管可以获得3D细胞微球，但是还无法有效实现3D微球内部材料在空间上的精确可控分布，且往往每种工艺对材料的适用范围有较大限制。此外，目前很多方法在构建细胞微球时，还不能有效保证制造过程的高可重复性，而3D微球个体的几何形态及尺寸的变化，都会导致其所呈现的细胞间，细胞与基质间，以及细胞生存微环境影响规律的差异，进而导致所构建的微球，作为病理或药理分析样本时，在检测结构可重复性，可靠性方面存在弊端，直接限制了其应用与推广。本专利技术专利针对上述研究现状和存在的问题，提出一种基于模具的微球制造方法，保证了所构建的3D肿瘤微球模型，能够具有可控的芯壳层结构，而且芯壳层的材料组分可以是生物材料，细胞，药物或上述组分的任意组合。由于本专利技术方法构建的细胞微球芯壳层的层厚可控，且材料组分分布可控，构建的微球可以有效的模拟肿瘤细胞在处于不同力学强度环境下，不同生化组分梯度变化环境下的行为规律，同时还具备分析多细胞之间，以及细胞与细胞外基质相互作用的条件，因而时一种极具潜力的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对已有技术的不足，提供一种具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统及方法，主要包括通过3D打印技术制造具有新壳结构的多层微球制造模具；通过向模具中的模腔灌注所需的生物材料，细胞，药物或上述材料的任意组合，并依赖模具腔室的形状结构，实现对于微球芯壳层厚度、形状的精确控制。该方法具有明显的可重复性制造的特性，这为构建大批质量均一的3D肿瘤微球模型奠定了坚实基础。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种具有可控芯壳结构的肿瘤体外3D微球模型制造系统，包括微球模具组合、材料灌注与成形平台，其特征在于：所述的材料灌注与成形平台由微量泵执行机构、灭菌注射器、连接管和微量泵控制器组成；灭菌注射器安装固定在微量泵执行机构上，微量泵执行机构在微量泵控制器控制下，推动灭菌注射器进行材料的精确供给，灭菌注射器出口与连接管相连接，连接管连接微球模具组合，微球模具组合上方安装一个紫外灯。所述微球模具组合为单通量微球模具组合，它包括微球成形左半模、微球成形右半模、微球芯模、入口管和出口管，微球成形左半模上的注入口与入口管连接，微球成形右半模上的排气口与出口管连接。微球成形左半模、微球成形右半模、微球芯模合模，可以用来成形3D微球的带有圆柱形通道的微球壳层。在壳层固化成形之后，取下微球芯模后固化的壳层作为型腔可以成形微球的芯层和剩余待封闭的壳层。所述微球模具组合为高通量微球模具组合，使制造系统扩展为高通量肿瘤体外3D微球模型制造系统，实现肿瘤体外3D微球模型的高通量制造；所述高通量微球模具组合包括微球成形单元左半模、微球成形单元右半模、壳层材料注入单元、排气单元、壳层成形单元、芯层材料注入单元、壳层封闭材料注入单元和分流器，微球成形单元左半模与微球成形单元右半模拼合后构成微球成形单元，微球成形单元之间可以相互拼合，控制一次灌注得到的微球数量；壳层材料注入单元和排气单元中设有流道，方便材料注入和排除，壳层材料注入单元带有定位销，与微球成形单元以及排气单元上的定位孔配合后以保证装配精度；壳层成形单元底面设有圆柱阵列，圆柱底面为半球状，与微球成形单元的球形腔室配合构成壳层模具；芯层材料注入单元和壳层封闭材料注入单元内设有流道，底部为圆柱阵列，合模后对准微球成形单元的球形腔室，圆柱中留有孔道与上部流道相连，单元顶部留有多个材料注入口，保证材料能够均匀地从圆柱阵列孔道内挤出；分流器内设有流道，把输入的一路材料输入分为多路输出；所述材料灌注与成形平台为高通量材料灌注与成形平台，该高通量材料灌注与成形平台包括：微量泵执行机构、灭菌注射器、连接管和微量泵控制器；灭菌注射器安装固定在微量泵执行机构上，微量泵执行机构在微量泵控制器控制下，推动灭菌注射器进行材料精确供给。灭菌注射器出口与连接管相连接。在进行微球壳层成形时，连接管与壳层材料注入单元相连，灭菌注射器中的材料在微量泵执行机构的推动下挤出，通过连接管，由壳层材料注入单元的入口注入；在微球芯层成形时，连接管与分流器的入口相连，而分流器的出口与芯层材料注入单元相连，灭菌注射器中的材料在微量泵执行机构的推动下挤出，通过连接管，进入分流器分流，之后经由多路管道进入芯层材料注入单元，最后对齐微球成形单元进行材料注射；在微球壳层封闭成形中，连接管与分流器的入口相连，而分流器的出口与壳层封闭材料注入单元相连，灭菌注射器中的材料在微量泵执行机构的推动下挤出，通过连接管，进入分流器分流，之后经由多路管道进入壳层封闭材料注入单元，最后对齐微球成形单元进行材料注射。1)通过3D打印技术制造用于构建芯壳层结构微球的制造模具，此处所述的模具利用商用3D打印机直接制作，模具的设计具体包含3个子模具，如附图2所示。微球成形左半模(Ⅰ1)和微球成形右半模(Ⅰ2)合模之后构成顶部带有圆孔的型腔，两侧分别有注入口(装有入口管(Ⅰ4))和排气口(装有出口管(Ⅰ5))，微球芯模(Ⅰ3)底部固定有圆柱形型芯，用来成形微球中间的圆柱形通道，以便在后续工艺中允许芯层材料的注入。2)基于上述模具，成形3D微球的壳层：此处成形建立在利用由微量泵，一次性注射器，连接管和上述模具组成的材料灌注系统基础上，如图1所示。将微球成形左半模(Ⅰ1)、微球成形右半模(Ⅰ2)以及微球芯模(Ⅰ3)合模之后，通过微量泵推动注射器活塞，将所需的生物材料，细胞，药物或上述材料的任意组合，通过入口连接管从微球成形左半模(Ⅰ1)的注入口的入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可控芯壳结构的肿瘤体外3D微球模型制造系统，包括微球模具组合、材料灌注与成形平台，其特征在于：所述的材料灌注与成形平台由微量泵执行机构(Ⅱ1)、灭菌注射器(Ⅱ2)、连接管(Ⅱ3)和微量泵控制器(Ⅱ4)组成；灭菌注射器(Ⅱ2)安装固定在微量泵执行机构(Ⅱ3)上，微量泵执行机构(Ⅱ1)在微量泵控制器(Ⅱ4)控制下，推动灭菌注射器(Ⅱ2)进行材料的精确供给，灭菌注射器(Ⅱ2)出口与连接管(Ⅱ3)相连接，连接管(Ⅱ3)连接微球模具组合(Ⅰ)，微球模具组合（Ⅰ）上方安装一个紫外灯（Ⅱ5）。

【技术特征摘要】
1.一种具有可控芯壳结构的肿瘤体外3D微球模型制造系统，包括微球模具组合、材料灌注与成形平台，其特征在于：所述的材料灌注与成形平台由微量泵执行机构(Ⅱ1)、灭菌注射器(Ⅱ2)、连接管(Ⅱ3)和微量泵控制器(Ⅱ4)组成；灭菌注射器(Ⅱ2)安装固定在微量泵执行机构(Ⅱ3)上，微量泵执行机构(Ⅱ1)在微量泵控制器(Ⅱ4)控制下，推动灭菌注射器(Ⅱ2)进行材料的精确供给，灭菌注射器(Ⅱ2)出口与连接管(Ⅱ3)相连接，连接管(Ⅱ3)连接微球模具组合(Ⅰ)，微球模具组合（Ⅰ）上方安装一个紫外灯（Ⅱ5）。2.根据权利要求1所述的具有可控芯壳结构的体外3D肿瘤微球模型制造系统，其特征在于：所述微球模具组合为单通量微球模具组合（Ⅰ），它包括微球成形左半模(Ⅰ1)、微球成形右半模(Ⅰ2)、微球芯模(Ⅰ3)、入口管(Ⅰ4)和出口管(Ⅰ5)，微球成形左半模(Ⅰ1)上的注入口与入口管（Ⅰ4）连接，微球成形右半模(Ⅰ2)上的排气口与出口管（Ⅰ5）连接，微球成形左半模(Ⅰ1)、微球成形右半模(Ⅰ2)、微球芯模(Ⅰ3)合模，可以用来成形3D微球的带有圆柱形通道的微球壳层，在壳层固化成形之后，取下模具3后以后固化的壳层作为型腔可以成形微球的芯层和剩余待封闭的壳层。3.权利要求1所述的具有可控芯壳结构体外3D肿瘤微球模型制造系统，其特征在于：所述微球模具组合为高通量微球模具组合（Ⅲ），使制造系统扩展为高通量肿瘤体外3D微球模型制造系统，实现肿瘤体外3D微球模型的高通量制造；所述高通量微球模具组合（Ⅲ）包括微球成形单元左半模（Ⅲ1）、微球成形单元右半模（Ⅲ2）、壳层材料注入单元（Ⅲ4）、排气单元（Ⅲ5）、壳层成形单元（Ⅲ6）、芯层材料注入单元（Ⅲ7）、壳层封闭材料注入单元（Ⅲ8）和分流器（Ⅲ9），微球成形单元左半模（Ⅲ1）与微球成形单元右半模（Ⅲ2）拼合后构成微球成形单元（Ⅲ3），微球成形单元（Ⅲ3）之间可以相互拼合，控制一次灌注得到的微球数量；壳层材料注入单元（Ⅲ4）和排气单元（Ⅲ5）中设有流道，方便材料注入和排除，壳层材料注入单元（Ⅲ4）带有定位销，与微球成形单元（Ⅲ3）以及排气单元（Ⅲ5）上的定位孔配合后以保证装配精度；壳层成形单元（Ⅲ6）底面设有圆柱阵列，圆柱底面为半球状，与微球成形单元（Ⅲ3）的球形腔室配合构成壳层模具；芯层材料注入单元（Ⅲ7）和壳层封闭材料注入单元（Ⅲ8）内设有流道，底部为圆柱阵列，合模后对准微球成形单元（Ⅲ3）的球形腔室，圆柱中留有孔道与上部流道相连，单元顶部留有多个材料注入口，保证材料能够均匀地从圆柱阵列孔道内挤出；分流器（Ⅲ9）内设有流道，把输入的一路材料输入分为多路输出；所述材料灌注与成形平台为高通量材料灌注与成形平台（Ⅳ），该高通量材料灌注与成形平台（Ⅳ）包括：微量泵执行机构(Ⅱ1)、灭菌注射器(Ⅱ2)、连接管(Ⅱ3)和微量泵控制器(Ⅱ4)；灭菌注射器(Ⅱ2)安装固定在微量泵执行机构(Ⅱ3)上，微量泵执行机构(Ⅱ1)在微量泵控制器(Ⅱ4)控制下，推动灭菌注射器(Ⅱ2)进行材料精确供给，灭菌注射器(Ⅱ2)出口与连接管(Ⅱ3)相连接，在进行微球壳层成形时，连接管(Ⅱ3)与壳层材料注入单元（Ⅲ4）相连，灭菌注射器(Ⅱ2)中的材料在微量泵执行机构(Ⅱ1)的推动下挤出，通过连接管(Ⅱ3)，由壳层材料注入单元（Ⅲ4）的入口注入；在微球芯层成形时，连接管(Ⅱ3)与分流器（Ⅲ9）的入口相连，而分流器（Ⅲ9）的出口与芯层材料注入单元（Ⅲ7）相连，灭菌注射器(Ⅱ2)中的材料在微量泵执行机构(Ⅱ1)的推动下挤出，通过连接管(Ⅱ3)，进入分流器（Ⅲ9）分流，之后经由多路管道进入芯层材料注入单元（Ⅲ7），最后对齐微球成形单元（Ⅲ3）进行材料注射...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘媛媛，张毅，连红军，汪羽，蒲华燕，刘娜，杨扬，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31