微流控芯片打印喷嘴和生物3D打印系统技术方案

一种微流控芯片喷嘴，包括微流控芯片和双层结构的喷嘴，微流控芯片包括微流控芯片基底层和微流控芯片上层，微流控芯片基底层上形成有多条流道和混流结构流道，混流结构流道连接微流控芯片出口，微流控芯片上层上形成有对应于多条流道的微阀，微阀可受控开通或关闭以控制不同流道的液体进入混流结构流道，双层结构的喷嘴包括内层微针头和外壳，内层微针头与微流控芯片出口相连接，外壳上设置有交联液体输入口和喷嘴出口，从内层微针头输入的混合溶液与从交联液体输入口输入的交联液体在外壳内混合，交联产生凝胶纤维并从喷嘴出口流出。本发明专利技术的微流控芯片喷嘴结构特别适于打印分层结构的梯度组织工程角膜。

Microfluidic Chip Printing Nozzle and Bio-3D Printing System

【技术实现步骤摘要】
微流控芯片打印喷嘴和生物3D打印系统
本专利技术涉及生物3D打印成型技术，尤其是一种微流控芯片打印喷嘴和生物3D打印系统。
技术介绍
3D打印是一种利用计算机控制，在平台上逐层沉积材料来构建三维对象的过程。3D打印技术一词最初用来描述原料粉末在粘合剂的作用下，经由喷墨喷出到平台上层层堆积的过程。近年来，高性价比3D打印机的商业化将这种技术的应用范围扩大到建筑、艺术、汽车、生物医学、教育、时尚、玩具等行业。在生物医学领域，3D打印广泛应用于细胞研究、药物研究、癌症研究、医疗设备开发、和组织工程等方面。生物打印结合了3D打印技术、细胞生物学和材料科学，将打印平台与能够沉积生物墨水的设备(生物材料通常充满了活性分子和细胞)相结合。生物3D打印技术能够制作多种生物材料，例如合成或天然的聚合物作为支架，结合含有蛋白质的血清、细胞外基质(ECM))，进而在体外培养各种细胞，包括干细胞和体细胞等。通过选择适当的生物打印材料和体系结构，可以定制特定的结构、物理和生物特性，以模拟天然组织功能，并提供细胞生长、增殖和受控分化所需的微环境。此外，医学成像、CAD和CAM的并行发展使组织工程师能够使用常见的成像方式和重建技术，以患者所需求器官的特定几何形状生成生物打印组织。微流控技术，通常是指在微米及以下尺度的结构中操控微小体积流体的技术和科学，在微纳级别尺度下流体具有独特的特征、界面效应及热传导性能。微流控制备纤维的杰出性能展示了微尺度分离的巨大潜力,微流控芯片的出现进一步将微纳流控体系推到了一个全新的高度。微流控芯片可以实现各种功能的高度集成,微流控制纤维系统是一个典型的代表,通过适当的芯片设计可以将样品、样品预处理、反应、多组分装载及固化等完整的制备过程集成在一个芯片上,类似这样的集成芯片也被称为“芯片实验室(Labonachip)”。经过二十多年的发展,微流控技术已覆盖化学、物理、生物、医学、材料科学、光学和微机电系统等众多领域,成为一个重要的交叉学科。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种适于打印梯度组织工程角膜的微流控芯片喷嘴及适于构建梯度组织工程角膜的生物3D打印系统。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种微流控芯片喷嘴，其特征在于,包括微流控芯片和双层结构的喷嘴，所述微流控芯片包括微流控芯片基底层和微流控芯片上层，所述微流控芯片基底层上形成有多条流道及其入口和连接所述多条流道的混流结构流道及微流控芯片出口，所述混流结构流道连接所述微流控芯片出口，所述微流控芯片上层上形成有对应于所述多条流道的微阀，所述微阀可受控开通或关闭以控制不同流道的液体进入所述混流结构流道，从而控制从所述微流控芯片出口输出的混合溶液的浓度和成分，所述双层结构的喷嘴包括内层微针头和包围在所述内层微针头的外侧的外壳，所述内层微针头与所述微流控芯片出口相连接，混合溶液通过所述内层微针头输入所述外壳内，所述内层微针头对混合溶液进入喷嘴后的流动状态提供保护，所述外壳上设置有交联液体输入口和喷嘴出口，交联液体在通入外壳后，经过沿着所述内层微针头外壁一段长度的流动，从周向包裹从所述内层微针头流出的混合溶液，与混合液体交联产生凝胶纤维，并利用周向的流体聚焦效应控制交联产生的凝胶纤维的流动方向，从所述喷嘴出口流出。进一步地：所述外壳为倒锥形结构，所述交联液体输入口设置在所述外壳的侧壁的靠近所述微流控芯片出口的上部。所述微流控芯片呈竖直式设置，所述多条流道包括沿竖直方向向下延伸的主流道和与所述主流道相连的至少一条侧流道，所述混流结构流道具有沿竖直方向向下延伸的两条蜿蜒曲折结构，且所述两条蜿蜒曲折结构在延伸途中至少存在两次交汇。所述混流结构流道在首尾两端分别形成一个倒Y形结构流道和一个Y形结构流道，在中间形成至少两个X形结构流道，所述倒Y形结构流道、所述至少两个X形结构流道和所述Y形结构流道依次串联。所述微流控芯片出口设置成圆孔，所述内层微针头的顶部插入所述圆孔并形成液密封连接。所述微流控芯片基底层和所属微流控芯片上层均由混有固化剂的软PDMS制备而成，所述软PDMS的主剂和所述固化剂的比例为10：1。所述微流控芯片基底层和所述微流控芯片上层通过等离子表面处理技术键合在一起。一种生物3D打印系统，具有所述的微流控芯片喷嘴，用于向所述微流控芯片喷嘴输送打印材料的管道，用于控制向所述微流控芯片喷嘴上的各流道输送的溶液流速的泵，以及用于控制所述微流控芯片喷嘴上的各微阀开闭的电路系统。进一步地：所述3D打印系统通过路线规划，在构建梯度组织工程角膜的过程中采用环形路径的打印方式，将从双层结构喷嘴中的凝胶纤维由内向外，一圈一圈地沉积在模具上，直到打印完成第一层；当第一层打印完毕后，喷嘴重新回到模具圆心处，在第一层的基础上按照和前面相同的方式，由内向外将凝胶纤维一圈一圈地沉积在之前一层上，以此类推，一直到整个角膜模型打印完毕，打印的梯度组织工程角膜按照包含的细胞类型分为内中外三大层，其中中间大层使用包含角膜基质细胞的凝胶纤维打印，内外两大层则使用不含细胞的凝胶纤维打印，之后内外两大层分别接种角膜内皮细胞和角膜上皮细胞，打印的组织工程角膜按照是否包含额外的生长因子又在径向方向上分为里中外三大圈，其中在打印中间大圈时，供应液包含高浓度生长因子的流道的微阀打开，从而打印的凝胶纤维含有高浓度的生长因子，最终实现径向上具有不同生长因子浓度梯度，各大层上具有不同细胞成分的梯度组织工程角膜构建。一种使用所述的生物3D打印系统打印梯度组织工程角膜的方法。一种由所述的生物3D打印系统打印的梯度组织工程角膜，打印的梯度组织工程角膜按照包含的细胞类型在空间上分为内中外三大层，按照是否包含额外的生长因子在径向方向上分为里中外三大圈，其中中间大圈使用包含高浓度生长因子的凝胶纤维打印，里外两大圈使用不含高浓度生长因子的凝胶纤维打印,中间大层使用包含角膜基质细胞的凝胶纤维打印，内外两大层使用不含细胞的凝胶纤维打印，之后内外两大层分别接种角膜内皮细胞和角膜上皮细胞，形成在径向上具有不同生长因子浓度梯度，不同大层上具有不同细胞成分的梯度组织工程角膜。本专利技术结合生物3D打印技术和微流控技术，提供一种用于生物三维打印的微流控芯片喷嘴，该微流控芯片喷嘴的结构设计能够提供特别适于打印分层结构的梯度组织工程角膜的流体剪切应力。使用本专利技术的微流控芯片喷嘴能够通过微阀的控制精确地打印出分层结构的梯度组织工程角膜，使打印的角膜具有上皮层，基质层和内皮层三层结构，每层可接种不同的细胞。本专利技术设计的双层结构的喷嘴包括内层微针头和包围在所述内层微针头的外侧的外壳，所述内层微针头与所述微流控芯片出口相连接，对混合溶液进入喷嘴后的流动状态具有保护作用，所述外壳上设置有交联液体输入口和喷嘴出口，从所述内层微针头输入的混合溶液进入外壳内，交联液体在通入外壳后，经过沿着内层微针头一段长度流动的时间，能够完全从周向包裹从内层微针头流出的混合溶液，从而实现效果非常好的交联现象，并利用周向的流体聚焦现象控制通过交联产生凝胶纤维的流动方向，从喷嘴出口流出。本专利技术提供的基于微流控技术的微流控芯片喷嘴还具有以下优点：1)可用于梯度组织工程角膜3D打印，可以通过路径规划，通过一圈一圈从内向外的方式，将凝胶纤维层层堆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控芯片喷嘴，其特征在于,包括微流控芯片和双层结构的喷嘴，所述微流控芯片包括微流控芯片基底层和微流控芯片上层，所述微流控芯片基底层上形成有多条流道及其入口和连接所述多条流道的混流结构流道及微流控芯片出口，所述混流结构流道连接所述微流控芯片出口，所述微流控芯片上层上形成有对应于所述多条流道的微阀，所述微阀可受控开通或关闭以控制不同流道的液体进入所述混流结构流道，从而控制从所述微流控芯片出口输出的混合溶液的浓度和成分，所述双层结构的喷嘴包括内层微针头和包围在所述内层微针头的外侧的外壳，所述内层微针头与所述微流控芯片出口相连接，混合溶液通过所述内层微针头输入所述外壳内，所述内层微针头对混合溶液进入喷嘴后的流动状态提供保护作用，所述外壳上设置有交联液体输入口和喷嘴出口，交联液体在通入外壳后，经过沿着所述内层微针头外壁一段长度的流动，从周向包裹从所述内层微针头流出的混合溶液，与混合液体交联产生凝胶纤维，并利用周向的流体聚焦效应控制交联产生的凝胶纤维的流动方向，从所述喷嘴出口流出。

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片喷嘴，其特征在于,包括微流控芯片和双层结构的喷嘴，所述微流控芯片包括微流控芯片基底层和微流控芯片上层，所述微流控芯片基底层上形成有多条流道及其入口和连接所述多条流道的混流结构流道及微流控芯片出口，所述混流结构流道连接所述微流控芯片出口，所述微流控芯片上层上形成有对应于所述多条流道的微阀，所述微阀可受控开通或关闭以控制不同流道的液体进入所述混流结构流道，从而控制从所述微流控芯片出口输出的混合溶液的浓度和成分，所述双层结构的喷嘴包括内层微针头和包围在所述内层微针头的外侧的外壳，所述内层微针头与所述微流控芯片出口相连接，混合溶液通过所述内层微针头输入所述外壳内，所述内层微针头对混合溶液进入喷嘴后的流动状态提供保护作用，所述外壳上设置有交联液体输入口和喷嘴出口，交联液体在通入外壳后，经过沿着所述内层微针头外壁一段长度的流动，从周向包裹从所述内层微针头流出的混合溶液，与混合液体交联产生凝胶纤维，并利用周向的流体聚焦效应控制交联产生的凝胶纤维的流动方向，从所述喷嘴出口流出。2.如权利要求1所述的微流控芯片喷嘴，其特征在于,所述外壳为倒锥形结构，所述交联液体输入口设置在所述外壳的侧壁的靠近所述微流控芯片出口的上部。3.如权利要求1或2所述的微流控芯片喷嘴，其特征在于,所述微流控芯片呈竖直式设置，所述多条流道包括沿竖直方向向下延伸的主流道和与所述主流道相连的至少一条侧流道，所述混流结构流道具有沿竖直方向向下延伸的两条蜿蜒曲折结构，且所述两条蜿蜒曲折结构在延伸途中至少存在两次交汇。4.如权利要求3所述的微流控芯片喷嘴，其特征在于,所述混流结构流道在首尾两端分别形成一个倒Y形结构流道和一个Y形结构流道，在中间形成至少两个X形结构流道，所述倒Y形结构流道、所述至少两个X形结构流道和所述Y形结构流道依次串联。5.如权利要求1至4任一项所述的微流控芯片喷嘴，其特征在于,所述微流控芯片出口设置成圆孔，所述内层微针头的顶部插入所述圆孔并形成液密封连接。6.如权利要求1至5任一项所述的微流控芯片喷嘴，其特征在于,所述微流控芯片基底层和所属微流控芯片上层均由...

【专利技术属性】
技术研发人员：弥胜利，孙伟，可鑫，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44