用于3D生物打印機(jī)的打印頭組件的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求于2018年12月6日提交的澳大利亞臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)no.2018904641的優(yōu)先權(quán)，該澳大利亞臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容全文以引用方式并入本文中。
該技術(shù)涉及一種適用于打印細(xì)胞和試劑的3d打印機(jī)的打印頭組件。
背景技術(shù)：
體外細(xì)胞生物學(xué)的主力是其中將原代或永生化細(xì)胞簡(jiǎn)單地鋪板在塑料或玻璃表面上的細(xì)胞培養(yǎng)。諸如細(xì)胞增殖、分化和對(duì)外部刺激的反應(yīng)之類(lèi)的許多細(xì)胞特性對(duì)于體外發(fā)現(xiàn)的2d和3d環(huán)境中的細(xì)胞來(lái)說(shuō)是根本不同的。特別是對(duì)于藥物開(kāi)發(fā)和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)體系(medicineprogram)，更好地反映3d動(dòng)物環(huán)境并因此將限制失敗的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)量的細(xì)胞培養(yǎng)條件將是非常有利的。
例如，在癌細(xì)胞生物學(xué)中，與2d細(xì)胞培養(yǎng)模型相比，3d模型表現(xiàn)得更多體內(nèi)腫瘤樣特征，包括低氧區(qū)、化學(xué)和生物因子的梯度分布以及促血管生成和多藥抗性蛋白的表達(dá)。
正是由于這個(gè)原因，3d多細(xì)胞模型通常被認(rèn)為是比更普及的2d細(xì)胞培養(yǎng)優(yōu)異的體內(nèi)系統(tǒng)模型。另外，多細(xì)胞生物學(xué)中的大多數(shù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)是三維組織的。
存在許多市售的3d生物打印機(jī)，例如：envisiontec的
用于3d生物打印應(yīng)用的器官或組織結(jié)構(gòu)的3d模型的設(shè)計(jì)主要是基于：
a)用于數(shù)據(jù)收集的非侵入性醫(yī)學(xué)成像技術(shù)(例如：電腦斷層掃描(ct)和核磁共振成像(mri))；以及
b)用于實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化、生成3d呈現(xiàn)模型和生成2d截面圖像的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造(cad-cam)工具和數(shù)學(xué)模型。
需要有助于以可縮放、可重復(fù)且成本有益的方式將3d細(xì)胞培養(yǎng)模型應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)、個(gè)性化醫(yī)療和一般細(xì)胞生物學(xué)的工具和技術(shù)。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)開(kāi)發(fā)出適用于打印細(xì)胞和試劑的3d生物打印機(jī)的打印頭組件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在第一方面，提供了一種適用于3d生物打印機(jī)的打印頭組件，所述打印頭組件包括：
貯存器；
與所述貯存器流體連通的樣本裝載系統(tǒng)，所述樣本裝載系統(tǒng)被配置為將流體引導(dǎo)到所述貯存器中；以及
具有分配出口的分配系統(tǒng)，所述分配出口與所述貯存器流體連通并被配置為從所述貯存器分配流體。
在實(shí)施例中，
所述貯存器是多個(gè)貯存器中的一個(gè)；
所述樣本裝載系統(tǒng)與各所述貯存器流體連通，并被配置為將流體引導(dǎo)到所述多個(gè)貯存器中的任一個(gè)中；
所述分配出口是多個(gè)分配出口中的一個(gè)；以及
各所述分配出口與所述多個(gè)貯存器中的一個(gè)流體連通，并被配置為從相應(yīng)的所述貯存器分配流體。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)被配置為從容器中吸入流體，并用所述流體灌注所述多個(gè)貯存器中的任一個(gè)。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)包括與所述多個(gè)貯存器流體連通的歧管，所述歧管被配置為將流體引導(dǎo)到所述多個(gè)貯存器中的任一個(gè)中。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)還包括多個(gè)灌注流體管線，各所述灌注流體管線將一個(gè)貯存器與所述歧管流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，
各所述貯存器具有貯存器和貯存器入口；
各所述分配出口與所述多個(gè)貯存器中的一個(gè)的貯存器出口流體連通；以及
各所述灌注流體管線與所述歧管和所述多個(gè)貯存器中的一個(gè)的所述貯存器入口流體連通。
在實(shí)施例中，各所述分配出口通過(guò)分配流體管線與所述多個(gè)貯存器中的一個(gè)的所述貯存器出口流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，各所述分配流體管線包括顆粒捕集器，所述顆粒捕集器被配置為減少顆粒沉降在相應(yīng)的所述分配出口中。
在實(shí)施例中，所述顆粒捕集器由所述分配管線中的一個(gè)或多個(gè)回路形成。
在實(shí)施例中，各所述灌注流體管線包括閥，所述閥具有：
打開(kāi)構(gòu)造，其使流體能夠從所述歧管流入相應(yīng)的所述貯存器中；以及
關(guān)閉構(gòu)造，其防止流體從所述歧管流入相應(yīng)的所述貯存器中。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)包括泵，所述泵與所述歧管的入口流體連通地聯(lián)接，所述泵被配置為將流體吸入所述樣本裝載系統(tǒng)中并將所述流體從所述樣本裝載系統(tǒng)抽吸出，進(jìn)入所述貯存器中的任一個(gè)。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)包括與所述歧管的入口流體連通的歧管閥，所述歧管閥具有：
打開(kāi)構(gòu)造，其使流體能夠通過(guò)所述歧管的所述入口流入所述歧管中；以及
關(guān)閉構(gòu)造，其防止流體通過(guò)所述歧管的所述入口流入所述歧管中。
在實(shí)施例中，處于關(guān)閉構(gòu)造的所述歧管閥防止流體通過(guò)所述歧管的所述入口流出所述歧管。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)還包括與所述歧管的入口流體連通的針，所述針被配置為被插入容器中，以從所述容器中引入流體。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)還包括致動(dòng)器，所述致動(dòng)器被配置為將所述針插入容器中，以從所述容器中吸入流體并從所述容器中抽出所述針。
在實(shí)施例中，所述歧管具有被配置為檢測(cè)從所述歧管的出口流出的流體的傳感器。
在實(shí)施例中，各所述貯存器被配置為與氣體加壓源流體連通地聯(lián)接，以對(duì)各所述貯存器加壓。
在實(shí)施例中，各所述貯存器被配置為聯(lián)接到壓力調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)相應(yīng)的所述貯存器中的壓力。
在實(shí)施例中，各所述分配出口是噴嘴，所述噴嘴具有：
打開(kāi)構(gòu)造，其使流體能夠從相應(yīng)的所述貯存器分配；以及
關(guān)閉構(gòu)造，其防止流體從相應(yīng)的所述貯存器分配。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括殼體，各所述貯存器、所述樣本裝載系統(tǒng)和所述分配系統(tǒng)被設(shè)置在所述殼體中。
在實(shí)施例中，所述樣本裝載系統(tǒng)被配置為與泵流體連通地聯(lián)接，所述泵被配置為將流體吸入所述樣本裝載系統(tǒng)中并將所述流體從所述樣本裝載系統(tǒng)抽吸出，進(jìn)入所述貯存器中的任一個(gè)。
在實(shí)施例中，所述打印頭組件還包括被配置為控制所述打印頭組件的操作的電子組件。
在第二方面，提供了一種用于打印細(xì)胞的3d生物打印機(jī)，所述生物打印機(jī)包括：
根據(jù)第一方面的打印頭組件；
打印臺(tái)，其用于定位能在其上制造3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的基板；以及
筒容器。
公開(kāi)了一種用于打印細(xì)胞的3d生物打印機(jī)，所述生物打印機(jī)包括：
根據(jù)第一方面的打印頭組件；
打印臺(tái)，其用于定位能在其上制造3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的基板；
筒容器；以及
括泵，其與所述樣本裝載系統(tǒng)流體連通，所述泵被配置為將流體吸入所述樣本裝載系統(tǒng)中并將所述流體從所述樣本裝載系統(tǒng)抽吸出，進(jìn)入所述貯存器中的任一個(gè)。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括殼體，所述打印頭組件、所述打印臺(tái)和所述筒容器被設(shè)置在所述殼體中。
在實(shí)施例中，所述殼體具有入口入口門(mén)，所述入口門(mén)具有許可觸及所述生物打印機(jī)的內(nèi)部的打開(kāi)位置和防止觸及所述生物打印機(jī)的內(nèi)部的關(guān)閉位置。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與各貯存器流體連通地聯(lián)接以調(diào)節(jié)各所述貯存器中的壓力，并且所述壓力調(diào)節(jié)被配置為與用于對(duì)各所述貯存器加壓的加壓氣體的源流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，所述壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括連接器，所述連接器被配置為將所述壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與加壓氣體源流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，所述連接器從所述殼體伸出。
在實(shí)施例中，所述壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括與各所述貯存器流體連通的調(diào)節(jié)器歧管，所述調(diào)節(jié)器歧管被配置為與加壓氣體源流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，各所述貯存器通過(guò)壓力調(diào)節(jié)器與所述調(diào)節(jié)器流體連通地聯(lián)接，各所述壓力調(diào)節(jié)器被配置為調(diào)節(jié)相應(yīng)的所述貯存器中的壓力。
在實(shí)施例中，還包括選擇器閥，所述選擇器閥將所述泵與所述樣本裝載系統(tǒng)流體連通地聯(lián)接并將各所述貯存器與所述壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和所述泵流體連通地聯(lián)接。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括設(shè)置在所述殼體中的氣流系統(tǒng)，所述氣流系統(tǒng)被配置為在所述殼體內(nèi)引起空氣流動(dòng)。
在實(shí)施例中，所述氣流系統(tǒng)被配置成在所述打印臺(tái)和筒容器下方抽吸空氣。
在實(shí)施例中，所述氣流系統(tǒng)包括引起所述殼體內(nèi)的氣流的鼓風(fēng)機(jī)。
在實(shí)施例中，氣流系統(tǒng)包括至少一個(gè)高效顆粒阻止過(guò)濾器。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括保持器，所述筒容器和所述打印臺(tái)定位在所述保持器中。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括具有軌道的第一定位單元，所述第一定位單元聯(lián)接到所述保持器并被配置為將所述保持器沿著所述第一定位單元的軌道定位。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括具有軌道的第二定位單元，所述第二定位單元聯(lián)接到所述打印頭組件并被配置為將所述打印頭組件沿著所述第二定位單元的軌道定位。
在實(shí)施例中，所述第一定位單元的軌道至少基本上垂直于第二定位單元的軌道延伸。
在實(shí)施例中，所述生物打印機(jī)還包括用于控制所述生物打印機(jī)的操作的控制系統(tǒng)。
在實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括讀取器，并且所述控制系統(tǒng)被配置為使用所述讀取器讀取插入到所述筒容器中的筒的標(biāo)識(shí)符，以獲得關(guān)于所述筒的信息。
在實(shí)施例中，關(guān)于所述筒的信息包括關(guān)于所述筒中容納什么流體、特定流體位于哪個(gè)容器中、所述筒是否已被使用和/或所述筒是否未被使用的信息。
在實(shí)施例中，所述讀取器是射頻識(shí)別(rfid)讀取器并且所述標(biāo)識(shí)符是rfid標(biāo)簽或標(biāo)記。
在實(shí)施例中，所述讀取器是讀/寫(xiě)rfid讀取器，所述標(biāo)識(shí)符是可重寫(xiě)rfid標(biāo)簽或標(biāo)記，并且所述控制系統(tǒng)被配置為使用所述讀/寫(xiě)rfid讀取器從所述可重寫(xiě)rfid標(biāo)簽或標(biāo)記獲得信息并在所述可重寫(xiě)rfid標(biāo)簽或標(biāo)記上寫(xiě)入/重寫(xiě)信息。
在實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括用戶(hù)界面，所述用戶(hù)界面被配置為許可用戶(hù)將信息和控制指令輸入到所述控制系統(tǒng)中以進(jìn)行特定打印作業(yè)。
在第三方面，提供了一種通過(guò)從根據(jù)第一方面所述的打印頭的分配系統(tǒng)分配多個(gè)流體液滴來(lái)打印三維(3d)細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的方法。
在第四方面，提供了一種通過(guò)從根據(jù)第二方面的生物打印機(jī)的分配系統(tǒng)分配多個(gè)流體液滴來(lái)制造三維(3d)細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的方法。
本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它使能夠打印細(xì)胞，而在打印或形成3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體之后沒(méi)有引起細(xì)胞活力和活性的問(wèn)題。
定義
在整個(gè)該說(shuō)明書(shū)中，除非上下文另外明確需要，詞語(yǔ)“包括”或諸如“包含”或“含有”之類(lèi)的變型將被理解為暗示包括所述的元件、整體或步驟、或元件、整體或步驟的組，但不排除任何其它元件、整體或步驟、或元件、整體或步驟的組。
在整個(gè)該說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“由...組成”意指僅由其組成。
本說(shuō)明書(shū)中所包括的對(duì)文獻(xiàn)、動(dòng)作、材料、設(shè)備、物品等的任何討論僅僅是出于提供本技術(shù)的上下文的目的。這將不被視為是承認(rèn)這些內(nèi)容中的任何或全部形成了現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)的部分，或者是本技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域中的普通常識(shí)，因?yàn)樗嬖谟谠撜f(shuō)明書(shū)的各權(quán)利要求的優(yōu)先級(jí)日期之前。
除非上下文另外需要或特別相反地說(shuō)明，本文作為單數(shù)整數(shù)、步驟或元件所述的技術(shù)的整數(shù)、步驟或元件明確地涵蓋了所述整數(shù)、步驟或元件的單數(shù)形式和復(fù)數(shù)形式。
在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，術(shù)語(yǔ)“一”和“一個(gè)”用于指代物品的語(yǔ)法對(duì)象中的一個(gè)或不止一個(gè)(即，至少一個(gè))。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)“元件”的引用意指一個(gè)元件或不止一個(gè)元件。
在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，術(shù)語(yǔ)“約”意指對(duì)數(shù)字或值的引用將不被視為絕對(duì)數(shù)字或值，而是包括技術(shù)人員根據(jù)本領(lǐng)域?qū)⒗斫獾母哂诨虻陀谠摂?shù)字或值的變化余量，包括在典型的誤差余量或儀器限制范圍內(nèi)的變化余量。換句話說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“約”的使用被理解為是指在實(shí)現(xiàn)相同功能或結(jié)果的上下文中,本領(lǐng)域的人員或技術(shù)人員將認(rèn)為與所述值等同的范圍或近似值。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本文中描述的技術(shù)是除了具體描述的技術(shù)之外進(jìn)行變化和修改。要理解，該技術(shù)包括所有這樣的變化和修改。為了避免疑問(wèn)，該技術(shù)還包括本說(shuō)明書(shū)中獨(dú)立或共同提及或指示的所有步驟、特征和化合物以及所述步驟、特征和化合物中的任何兩個(gè)或更多個(gè)的任何和所有組合。
附圖說(shuō)明
現(xiàn)在，將只以舉例方式參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中：
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的打印頭組件、能夠與打印頭組件一起使用的生物打印機(jī)的筒、基板和保持器的等軸視圖；
圖2是圖1的打印頭組件的等軸視圖，去除了入口蓋板(accesspanel)；
圖3是圖1的打印頭組件的等軸視圖，省略了打印頭組件的殼體；
圖4是圖1的打印頭組件的前視圖，去除了入口蓋板；
圖5是圖1的打印頭組件的底視圖；
圖6是包括圖1的打印頭組件的生物打印機(jī)的前等軸視圖；
圖7是圖6的生物打印機(jī)的后等軸視圖；
圖8是圖6的生物打印機(jī)的正等軸視圖，其中，生物打印機(jī)的殼體和打印頭組件的殼體僅被以輪廓線圖示出；
圖9是圖1的筒的分解部分視圖；
圖10是圖1的筒、基板和保持器的頂視圖；
圖11是圖示了圖1的打印頭組件以及圖6的生物打印機(jī)的定位單元、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和選擇器閥的前等軸視圖；
圖12是圖6的生物打印機(jī)的后等軸視圖，其中，生物打印機(jī)的殼體僅被以輪廓線圖示出；
圖13是圖示了圖1的打印頭組件以及圖6的生物打印機(jī)的定位單元、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和選擇器閥的后等軸視圖；
圖14是圖6的生物打印機(jī)的泵、選擇器閥、不帶打印頭主體的打印頭以及筒的后等軸視圖；
圖15是圖6的生物打印機(jī)的泵、選擇器閥、不帶打印頭主體的打印頭以及筒的前等軸視圖；
圖16是圖6的生物打印機(jī)的分層氣流系統(tǒng)的后等軸視圖；
圖17是圖6的生物打印機(jī)的分層氣流系統(tǒng)的另一后等軸視圖；
圖18是通過(guò)圖16和圖17的分層氣流系統(tǒng)的空氣流動(dòng)的示意圖；
圖19是圖6的生物打印機(jī)的示意圖；
圖20是圖6的生物打印機(jī)的圖形用戶(hù)界面(gui)的屏幕截圖；
圖21是圖6的生物打印機(jī)的gui的另一屏幕截圖；
圖22是使用圖6的生物打印機(jī)制造三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的流程圖；
圖23是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的打印頭組件的正視圖；
圖24是圖23的打印頭組件的底視圖；
圖25是圖23的打印頭組件的等軸視圖，省略了打印頭組件的殼體；
圖26是圖23的打印頭組件的替代實(shí)施例的示意圖；
圖27是圖23的打印頭組件的另一替代實(shí)施例的示意圖；
圖28a至圖28e圖示了細(xì)胞沉降在圖1和圖23的打印頭組件的分配出口的無(wú)效區(qū)(deadzone)中的問(wèn)題；
圖29a至圖29e圖示了減少了細(xì)胞沉降在圖1和圖23的打印頭組件的分配出口的無(wú)效區(qū)中的根據(jù)實(shí)施例的示例分配管線；
圖30a至圖30c示出了減少了細(xì)胞沉降在圖1和圖23的打印頭組件的分配出口的無(wú)效區(qū)中的根據(jù)另一實(shí)施例的示例分配管線；并且
圖31示出了減少了細(xì)胞沉降在圖1和圖23的打印頭組件的分配出口中的根據(jù)另一實(shí)施例的示例分配管線。
具體實(shí)施方式
打印頭組件的第一示例性實(shí)施例
圖1至圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的打印頭組件100。打印頭組件100具有全都設(shè)置在打印頭殼體104中的第一和第二組貯存器101、樣本裝載系統(tǒng)102和分配系統(tǒng)103。去除打印頭殼體104的入口蓋板105許可觸及第一和第二組貯存器101、樣本裝載系統(tǒng)102和分配系統(tǒng)103。第一和第二組貯存器101二者具有四個(gè)貯存器106，然而，每組貯存器101可以具有多于或少于四個(gè)貯存器106。
參照?qǐng)D3，每個(gè)貯存器106具有基本上垂直延伸的縱向軸線107、位于貯存器106頂部處的蓋108、位于貯存器106的下部區(qū)域處的貯存器出口109以及位于貯存器出口109上方的預(yù)定高度處的貯存器入口110。對(duì)于每個(gè)貯存器106，蓋108、貯存器出口109和貯存器入口110與貯存器106的內(nèi)部流體連通。
參照?qǐng)D3至圖5，樣本裝載系統(tǒng)102具有第一和第二子系統(tǒng)111。每個(gè)子系統(tǒng)111與第一或第二組貯存器101流體連通。樣本裝載系統(tǒng)102的每個(gè)子系統(tǒng)111包括針112、歧管閥113和灌注歧管114。每個(gè)灌注歧管114具有歧管入口115和歧管出口116。對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)111，針112通過(guò)流體管線118與歧管閥113流體連通，并且歧管閥113通過(guò)流體管線119與灌注歧管114的歧管入口115流體連通。因此，對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)111，針112、歧管閥113和灌注歧管114都彼此流體連通。
每個(gè)子系統(tǒng)111的歧管閥113具有打開(kāi)構(gòu)造和關(guān)閉構(gòu)造。在打開(kāi)構(gòu)造中，每個(gè)子系統(tǒng)111的歧管閥113使流體能夠從針112通過(guò)歧管入口115流入灌注歧管114中。在關(guān)閉構(gòu)造中，每個(gè)子系統(tǒng)111的歧管閥113防止流體從針112流向歧管入口115，并防止流體從灌注歧管114出來(lái)通過(guò)歧管入口115朝向針112流動(dòng)。料想到，歧管閥113可以是常閉的電磁閥，然而，應(yīng)該理解，可以使用本領(lǐng)域已知的任何其它合適的閥/噴嘴。
參照?qǐng)D2至圖4，傳感器117設(shè)置在各灌注歧管114的歧管出口116處。對(duì)于每個(gè)灌注歧管114，傳感器117被配置為檢測(cè)通過(guò)歧管出口116從灌注歧管114流出的流體?？商鎿Q地，對(duì)于每個(gè)灌注歧管114，傳感器117可以設(shè)置在歧管入口115處并配置為檢測(cè)通過(guò)歧管入口115流入灌注歧管114中的流體。對(duì)于每個(gè)灌注歧管114，還料想到，傳感器117可以設(shè)置在歧管入口115處，被配置為檢測(cè)通過(guò)歧管入口115流入灌注歧管114中的流體，并且傳感器117可以設(shè)置在歧管出口116處，被配置為檢測(cè)通過(guò)歧管出口116從歧管114流出的流體。傳感器117可以是光學(xué)傳感器，然而，可以使用本領(lǐng)域中已知的任何其它合適的傳感器。
每個(gè)貯存器106的貯存器入口110通過(guò)具有止回閥121的灌注流體管線120與灌注歧管114中的一個(gè)流體連通地聯(lián)接。對(duì)于每條灌注流體管線120，止回閥121具有打開(kāi)位置和關(guān)閉位置。在打開(kāi)位置，止回閥121許可流體從相應(yīng)的灌注歧管114起通過(guò)灌注流體管線120流入相應(yīng)的貯存器106中。在關(guān)閉位置，止回閥121防止流體從灌注管線120流入相應(yīng)的灌注歧管114中，并防止流體從相應(yīng)的灌注歧管114流向相應(yīng)的灌注流體管線120。料想到，可以使用本領(lǐng)域中已知的能夠執(zhí)行與止回閥121相同或類(lèi)似的功能的任何其它合適的閥。例如，可以使用可以經(jīng)由控制系統(tǒng)而打開(kāi)和關(guān)閉的主動(dòng)閥。
應(yīng)該理解，樣本裝載系統(tǒng)102的每個(gè)子系統(tǒng)111與一組貯存器101流體連通，并能夠?qū)⒘黧w從針112引導(dǎo)到相應(yīng)一組的貯存器101中的任一個(gè)貯存器106中。
參照?qǐng)D4和圖5，樣本裝載系統(tǒng)102具有與兩個(gè)針112都聯(lián)接的致動(dòng)器122。致動(dòng)器122被配置為推進(jìn)針112，使得針112的尖端123從打印頭殼體104中的開(kāi)口124突出。致動(dòng)器122還被配置為通過(guò)開(kāi)口124將針112縮回到打印頭殼體104中，使得針112的尖端123位于打印頭殼體104內(nèi)。盡管致動(dòng)器122被描述和圖示為同時(shí)推進(jìn)和縮回針112，但還連續(xù)到，每個(gè)針112可以具有致動(dòng)器122，使得每個(gè)針112可以被獨(dú)立地推進(jìn)和縮回。
參照?qǐng)D3和5，分配系統(tǒng)103包括多個(gè)分配流體管線125，每條分配流體管線125與貯存器106之一的貯存器出口109流體連通地聯(lián)接。與每條分配流體管線125流體連通地聯(lián)接的是具有常閉構(gòu)造和打開(kāi)構(gòu)造的噴嘴形式的分配出口126。對(duì)于每條分配流體管線125，當(dāng)分配出口126處于打開(kāi)構(gòu)造時(shí)，使流體能夠通過(guò)貯存器出口109從相應(yīng)貯存器106流出，流過(guò)分配流體管線125，從分配出口126分配出。對(duì)于每條分配流體管線125，當(dāng)分配出口126處于關(guān)閉構(gòu)造時(shí)，防止流體被從分配出口126分配出。料想到，每個(gè)分配出口126可以是微型電磁閥，然而，也可以使用本領(lǐng)域中已知的任何其它合適的閥。
參照?qǐng)D5，分配出口126與打印頭殼體104中的孔127對(duì)準(zhǔn)，使得每個(gè)分配出口126被配置為通過(guò)孔127將流體從打印頭組件100分配出。
參照?qǐng)D3，對(duì)于每個(gè)貯存器106，分配流體管線125的體積和貯存器106內(nèi)的貯存器入口110與貯存器出口109之間的體積限定了預(yù)定體積。通過(guò)對(duì)于每個(gè)貯存器106，分別增大或減小貯存器出口109與貯存器入口110之間的高度差，可以增大或減小預(yù)定體積。還可以通過(guò)增大或減小分配流體管線125的體積來(lái)增大或減小預(yù)定體積。應(yīng)該理解，增大預(yù)定體積將減少或有可能防止流體從貯存器106內(nèi)流回到相應(yīng)的灌注流體管線120。
打印頭組件100還包括電子組件129，電子組件129電連接到每個(gè)歧管閥113、每個(gè)傳感器117、每個(gè)分配出口126和致動(dòng)器122。電子組件129被配置為使每個(gè)歧管閥113和每個(gè)分配出口126在它們相應(yīng)的打開(kāi)構(gòu)造和關(guān)閉構(gòu)造之間移動(dòng)。電子組件129還被配置為控制致動(dòng)器122將針112的尖端123推進(jìn)出打印頭殼體104，并將針112的尖端123縮回到打印頭殼體104中。
電子組件129具有電氣端口130，電氣端口130被配置為將電子組件129電連接到控制系統(tǒng)272(以下討論)。電子組件129還具有電氣連接器131，電氣連接器131能夠電連接到在打印頭組件100內(nèi)部或外部的其它電設(shè)備。料想到，電子組件129可以包括或可以不包括電氣連接器131。
圖6至圖8示出了用于使用打印頭組件100制造三維(3d)細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的生物打印機(jī)200。生物打印機(jī)200具有用于打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的打印頭組件100、可去除筒232和其上/其中將被打印上3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的可去除基板233。打印頭組件100、筒232和基板233設(shè)置在殼體234內(nèi)。
參照?qǐng)D9和圖10，筒232包括托盤(pán)235、底座236和封蓋237，封蓋237被配置為可去除地接合底座236。
托盤(pán)235具有多個(gè)密封容器238、多個(gè)未密封容器239、清潔容器240和廢料槽241。多個(gè)密封容器238中的每個(gè)可以容納諸如生物墨水或活化劑(以下將更詳細(xì)地描述這二者)之類(lèi)的流體。多個(gè)非密封容器239被配置為接納諸如例如細(xì)胞懸浮液、細(xì)胞培養(yǎng)基、細(xì)胞墨水、細(xì)胞培養(yǎng)液或溶液中的藥物之類(lèi)的供用戶(hù)選擇的流體。清洗容器240容納諸如例如水或乙醇之類(lèi)的清洗流體。
多個(gè)密封容器238和清潔容器240被聯(lián)接到托盤(pán)235的密封件242密封。密封件242可以是熱密封到托盤(pán)235上的膜，然而，也可以使用本領(lǐng)域已知的能夠密封多個(gè)密封容器238和清潔容器240的任何其它合適的密封件。
底座236具有內(nèi)部空間243和與底座236的外表面聯(lián)接的標(biāo)識(shí)符244。標(biāo)識(shí)符244可以包含諸如例如筒232中容納什么流體、特定流體位于多個(gè)密封容器238中的哪一個(gè)中、筒232是否已被使用和/或筒232是否未被使用的關(guān)于筒232的信息。標(biāo)識(shí)符244可以是只讀射頻識(shí)別(rfid)或近場(chǎng)通信(nfc)標(biāo)簽或標(biāo)記或可重寫(xiě)rfid或nfc標(biāo)簽或標(biāo)記。
托盤(pán)235被配置為接納在底座236的內(nèi)部空間243中，并可去除地聯(lián)接到底座236。當(dāng)托盤(pán)235可去除地聯(lián)接到底座236時(shí)，托盤(pán)235的下面和底座236的內(nèi)表面在底座236的內(nèi)部空間243內(nèi)限定與托盤(pán)235的廢料槽241流體連通的廢料體積(未示出)。因此，穿過(guò)廢料槽241的流體將被收集到底座236的廢料體積中。底座236被確定大小，使得廢料體積大于密封容器238、未密封容器239和清潔容器240的組合體積。因此，廢料體積大得足以接納所有密封容器238、非密封容器239和清潔容器240的流體內(nèi)容物。
當(dāng)托盤(pán)235被接納在底座236的內(nèi)部空間243中并且封蓋237可去除地聯(lián)接到底座236時(shí)，托盤(pán)235被關(guān)閉在由底座236和封蓋237限定的腔室中。
參照?qǐng)D1和圖10，打印頭組件100被配置為將3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體打印到基板233上，基板233是具有96個(gè)孔的孔板。然而，也可以使用具有更多或更少孔的多孔板。還料想到，打印頭組件100被配置為將3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體打印到培養(yǎng)皿或其它合適的介質(zhì)上。
參照?qǐng)D8和圖10，殼體234具有保持器245，保持器245具有容納器(receptacle)246和打印臺(tái)247。筒232被可去除地接納在容納器246中，并且基板233被可去除地支撐在打印臺(tái)247上。保持器245具有讀取器(未示出)，讀取器電連接到控制系統(tǒng)272(下面討論)。當(dāng)筒232被接納在容器246中時(shí)，讀取器被配置為讀取筒232的標(biāo)識(shí)符244，以獲得關(guān)于筒232的信息并將該信息傳遞到控制系統(tǒng)272上。
讀取器可以是讀/寫(xiě)rfid或nfc讀取器，其能夠在相應(yīng)的rfid或nfc標(biāo)簽或標(biāo)記上讀取和重寫(xiě)信息。在標(biāo)識(shí)符244是nfc標(biāo)簽或標(biāo)記的只讀rfid的情況下，nfc讀取器的讀/寫(xiě)rfid只能從相應(yīng)的rfid或nfc標(biāo)簽或標(biāo)記獲得信息。在標(biāo)識(shí)符244是nfc標(biāo)簽或標(biāo)記的可重寫(xiě)rfid的情況下，nfc讀取器的讀/寫(xiě)rfid能夠從相應(yīng)的rfid或nfc標(biāo)簽或標(biāo)記的可重寫(xiě)rfid獲得信息或者在其上重寫(xiě)信息。
參照?qǐng)D9和圖10，筒232的底座236具有倒角248，并且容納器246的拐角249具有與倒角248互補(bǔ)的形狀。應(yīng)該理解，倒角248與拐角249相配合，使得筒232只能以某個(gè)定向插入到容納器246中，從而防止密封容器238、未密封容器239、清潔容器240和廢料槽241在容器246中不正確地定向。
參照?qǐng)D8和圖11，殼體234具有聯(lián)接到保持器245的第一定位單元250。第一定位單元250具有軌道251，并被配置為將保持器245沿著軌道251的長(zhǎng)度移動(dòng)/定位到任何地方。因此，應(yīng)該理解，第一定位單元250能夠?qū)⑼?32和基板233沿著軌道251的長(zhǎng)度移動(dòng)/定位到任何地方。
殼體234還具有耦接到打印頭殼體104的第二定位單元252。第二定位單元252具有軌道253，并被配置為將打印頭組件100沿著軌道253的長(zhǎng)度移動(dòng)/定位到任何地方。第二定位單元252的軌道253基本上垂直于第一定位單元250的軌道251延伸。第一定位單元250和第二定位單元252一起使打印頭組件100能夠在筒232和/或基板233上方定位/移動(dòng)。
參照?qǐng)D11至圖13，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254設(shè)置在殼體234中。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254具有調(diào)節(jié)器歧管255，調(diào)節(jié)器歧管255具有多個(gè)壓力調(diào)節(jié)器256。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254還具有從殼體234伸出的連接器257。連接器257與調(diào)節(jié)器歧管255流體連通，并被配置為與加壓氣體源流體連通地聯(lián)接。加壓氣體源可以是例如空氣壓縮機(jī)或泵。
選擇器閥258設(shè)置在殼體234中，并具有多個(gè)輸入連接件259、多個(gè)輸出連接件260和可以供選擇閥258選擇的多個(gè)通道261。
每個(gè)壓力調(diào)節(jié)器256與選擇器閥258的輸入連接件259之一流體連通地聯(lián)接。每個(gè)貯存器106的蓋108與選擇器閥258的輸出連接件260之一流體連通地聯(lián)接。因此，選擇器閥258將每個(gè)貯存器106的內(nèi)部與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254的壓力調(diào)節(jié)器256之一流體連通地聯(lián)接。因此，每個(gè)貯存器106的內(nèi)部能夠被聯(lián)接到連接器257的加壓氣體源加壓。每個(gè)壓力調(diào)節(jié)器256調(diào)節(jié)相應(yīng)的貯存器106中的壓力，并能夠增大和減小相應(yīng)的貯存器106中的壓力。
每個(gè)灌注歧管114的歧管出口116與選擇器閥258的輸出連接件260之一流體連通地聯(lián)接，使得每個(gè)歧管出口116與壓力調(diào)節(jié)器256之一流體連通。因此，樣本裝載系統(tǒng)102的每個(gè)子系統(tǒng)111與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254流體連通。因此，樣本裝載系統(tǒng)102的每個(gè)子系統(tǒng)111能夠從聯(lián)接到連接器257的加壓氣體源接收加壓氣體。
參照?qǐng)D14和圖15，設(shè)置在殼體234中的是與選擇器閥258的通道261之一流體連通地聯(lián)接的打印機(jī)泵262。選擇器閥258能夠?qū)⒙?lián)接到打印機(jī)泵262的通道261選擇性與兩個(gè)灌注歧管114的任一個(gè)歧管出口116流體連通地聯(lián)接。在這種情況下，應(yīng)該理解，打印機(jī)泵262經(jīng)由相應(yīng)的歧管出口116與樣本裝載系統(tǒng)102流體連通。當(dāng)未選擇聯(lián)接到打印機(jī)泵262的灌注歧管通道261時(shí)，打印機(jī)泵262不與兩個(gè)灌注歧管114的任一歧管出口116流體連通，并且歧管出口116與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254流體連通。
選擇器閥258還能夠?qū)⒏髻A存器106的蓋108選擇性與打印機(jī)泵262流體連通地聯(lián)接。當(dāng)打印機(jī)泵262與貯存器106的蓋108流體連通時(shí)，打印機(jī)泵262被配置為向貯存器106的內(nèi)部施加負(fù)壓或正壓。
參照?qǐng)D6，殼體234具有入口門(mén)(accessdoor)263，入口門(mén)263具有打開(kāi)位置和關(guān)閉位置。在打開(kāi)位置，入口門(mén)263許可觸及殼體234內(nèi)的打印區(qū)域276。在關(guān)閉配置，入口門(mén)約束/防止觸及殼體234內(nèi)的打印區(qū)域276。
參照?qǐng)D16至圖18，分層氣流系統(tǒng)264設(shè)置在殼體234中。分層氣流系統(tǒng)264具有在保持器245下方延伸的第一流動(dòng)路徑265、與打印區(qū)域276隔離并在打印區(qū)域276后面延伸的第二流動(dòng)路徑266、用于在殼體234內(nèi)引起空氣流動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)267、位于保持器245(參見(jiàn)圖6)下方的爐條(grate)268、與殼體234的內(nèi)部流體連通的循環(huán)高效顆粒捕集(hepa)過(guò)濾器269以及與周?chē)h(huán)境流體連通的排氣hepa過(guò)濾器270。
參照?qǐng)D18，鼓風(fēng)機(jī)267與第一流動(dòng)路徑265和第二流動(dòng)路徑266流體連通。鼓風(fēng)機(jī)267被配置為通過(guò)將潛在受污染的空氣通過(guò)爐條268吸入第一流動(dòng)路徑265中來(lái)引起保持器245下方的空氣流動(dòng)。鼓風(fēng)機(jī)267被配置為通過(guò)將受污染的空氣抽吸到第二流動(dòng)路徑266中來(lái)迫使氣流通過(guò)第二流動(dòng)路徑266。通過(guò)分別增加或減少鼓風(fēng)機(jī)267的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)，可以增加或減少流過(guò)第一流動(dòng)路徑265和第二路東路徑266的空氣的流速。
如圖18中最佳看到的，吸入殼體234中的外部空氣被吸入第一流動(dòng)路徑265中并在保持器245下方流動(dòng)。這減少了外部空氣的量，因此減少了在基板233上方流動(dòng)的氣載污染物的量，該氣載污染物可能潛在地污染基板233和打印在基板233上的任何3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。
流過(guò)第二流動(dòng)路徑266的空氣要么通過(guò)回收hepa過(guò)濾器269被引導(dǎo)回到殼體234的打印區(qū)域276中，要么通過(guò)排氣hepa過(guò)濾器270被引導(dǎo)到殼體234之外?；厥説epa過(guò)濾器269和排氣hepa過(guò)濾器270從流過(guò)它們的空氣中去除大量的顆粒。因此，通過(guò)回收hepa過(guò)濾器269流回到殼體234的打印區(qū)域276中的空氣是無(wú)菌的，含有非常低濃度的顆粒。從回收hepa過(guò)濾器269流入殼體234的打印區(qū)域276中的空氣是通過(guò)殼體234的打印區(qū)域276的單向向下的氣流。該氣流提供了通過(guò)殼體234的打印區(qū)域276的分層氣流，從而可以降低基板233和打印在基板233上的任何3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體受污染的風(fēng)險(xiǎn)。料想到，通過(guò)打印區(qū)域276和殼體234的單向氣流具有約0.45m/s的速度。
參照?qǐng)D19，生物打印機(jī)200具有設(shè)置在殼體234中的兩個(gè)溫度控制單元271。溫度控制單元271中的一個(gè)靠近打印頭組件100設(shè)置，而另一個(gè)溫度控制單元271靠近保持器245設(shè)置。
溫度控制單元271能夠通過(guò)基于維持生物打印機(jī)200將打印的細(xì)胞的活力所需的條件和/或其最佳生長(zhǎng)條件提供加熱或冷卻來(lái)調(diào)節(jié)生物打印機(jī)200的殼體234內(nèi)的溫度。例如，溫度控制單元271可以將殼體234中的溫度保持在約36至38攝氏度的溫度范圍內(nèi)，以輔助所打印細(xì)胞的細(xì)胞增殖。
靠近打印頭100設(shè)置的溫度控制單元271也能夠?qū)①A存器106中容納的流體的溫度保持在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)。例如，可以這樣做以使貯存器106中容納的流體保持在預(yù)定溫度以上，以促進(jìn)被打印細(xì)胞中的細(xì)胞增殖，并使貯存器106中容納的流體的粘度保持在適于打印的范圍內(nèi)。
靠近保持器245設(shè)置的溫度控制單元271能夠?qū)⒃O(shè)置在保持器245的打印臺(tái)247上的基板233的溫度保持在預(yù)定范圍內(nèi)，以促進(jìn)例如被打印細(xì)胞中的細(xì)胞增殖。
應(yīng)該理解，溫度控制單元271可以進(jìn)行協(xié)作，以將生物打印機(jī)200的殼體234內(nèi)的溫度保持在特定溫度范圍內(nèi)，或者它們可以獨(dú)立地操作，以將打印頭100和基板233保持在相應(yīng)的預(yù)定溫度范圍內(nèi)。
仍然參照?qǐng)D19，生物打印機(jī)200受控制系統(tǒng)272控制，控制系統(tǒng)272具有為打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體而開(kāi)發(fā)的定制軟件。控制系統(tǒng)272包括其上存儲(chǔ)有用于操作生物打印機(jī)200的程序和算法的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。料想到，非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)與生物打印機(jī)200分開(kāi)定位并電連接到生物打印機(jī)200。還料想到，非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以與生物打印機(jī)200一起提供。
參照?qǐng)D20和圖21，控制系統(tǒng)272包括圖形用戶(hù)界面(gui)273。通過(guò)gui273，用戶(hù)可以選擇不同的打印例程并改變用于打印特定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的參數(shù)。例如，用戶(hù)可以使用gui273來(lái)改變從打印頭組件100分配的流體液滴的間距和體積。用戶(hù)還可以手動(dòng)控制從打印頭組件100分配的流體液滴的空間位置，并通過(guò)gui273創(chuàng)建將從打印頭組件100分配的流體液滴的定制圖案?？刂葡到y(tǒng)272還包括用于清潔、灌注和清洗第一和第二組貯存器101、樣本裝載系統(tǒng)102和分配系統(tǒng)103的操作指令。
gui273使用戶(hù)能夠向控制系統(tǒng)272輸入指令和信息。例如，用戶(hù)可以輸入各密封容器238中有什么流體以及這些流體位于哪些特定的密封容器238中。用戶(hù)還可以輸入用戶(hù)已經(jīng)在各未密封容器239中添加了什么流體以及這些流體位于哪些特定的未密封容器239中。這使控制系統(tǒng)272能夠知道各流體位于筒232中的什么位置，使得控制系統(tǒng)272可以從打印頭組件100分配正確的流體以制造必需的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。
應(yīng)該理解，生物打印機(jī)逐層地打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體分層背后的意圖是模仿生物學(xué)家如何在顯微鏡中使用z堆疊分層。gui273向用戶(hù)提供設(shè)計(jì)待打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的每一層的方法。例如，gui273為用戶(hù)提供網(wǎng)格，以針對(duì)待打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的每一層繪制圖案。
如上所述，基板233是具有多個(gè)孔的多孔板。參照?qǐng)D20，例如，gui273顯示基板233的孔和可以打印在基板233的各孔中的預(yù)定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的可視化形式。使用gui273，用戶(hù)選擇一個(gè)孔或孔的陣列以及將在該孔或孔的陣列中打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。
gui273使用戶(hù)能夠選擇他們希望在基板233的里面/上面的何處制造3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。gui273具有打印預(yù)覽按鈕274，打印預(yù)覽按鈕274顯示3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的細(xì)胞將在何處被打印以及3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體將看起來(lái)像什么的可視化形式。一旦用戶(hù)對(duì)gui273上的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的可視化形式感到滿意，則用戶(hù)可以確認(rèn)他們希望通過(guò)gui273打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。然后，生物打印機(jī)200將在基板233上打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。當(dāng)制造3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體時(shí)，生物打印機(jī)將打印20至25層，然而，用戶(hù)可以增加或減少通過(guò)gui273打印的層數(shù)。
控制系統(tǒng)272電連接到打印頭組件100中的電子組件129的電氣端口130和各傳感器117?？刂葡到y(tǒng)272還電連接到并被配置為控制兩個(gè)歧管閥113、致動(dòng)器122、每個(gè)分配出口126、第一定位單元250、第二定位單元252、每個(gè)壓力調(diào)節(jié)器256、選擇器閥258、打印機(jī)泵262、鼓風(fēng)機(jī)267和保持器245的讀取器。
電子組件129的電氣連接器131可以電連接到設(shè)置在生物打印機(jī)200的殼體234中的電子組件(未示出)或與控制系統(tǒng)272關(guān)聯(lián)的電子組件(未示出)。
生物打印機(jī)200由可去除地聯(lián)接到生物打印機(jī)200的電力源供電。電力源向電子組件129提供電力，電子組件129將電力分配給歧管閥113、傳感器117、致動(dòng)器122和每個(gè)分配出口128。電力源還向第一定位單元250、第二定位單元252、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254、每個(gè)壓力調(diào)節(jié)器256、選擇器閥258、打印機(jī)泵262、鼓風(fēng)機(jī)267和溫度控制單元271提供電力。電力源可以是例如市電。
現(xiàn)在，將描述生物打印機(jī)200的使用和操作。
為了打印特定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，用戶(hù)選擇具有打印筒232的密封容器238中容納的特定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所需的生物墨水、活化劑和其它流體的特定筒232。在用戶(hù)選擇了適當(dāng)?shù)耐?32之后，用戶(hù)可以通過(guò)從筒232的底座236去除封蓋237，將細(xì)胞墨、細(xì)胞懸浮液、細(xì)胞培養(yǎng)基和/或溶液中的藥物添加到筒232的任何一個(gè)未密封容器239中。用戶(hù)選擇要添加到每個(gè)未密封容器239的流體，這取決于用戶(hù)正試圖用特定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體對(duì)什么進(jìn)行建模。在用戶(hù)將其選擇的流體添加到未密封容器239之后，用戶(hù)將封蓋237聯(lián)接到筒232的底座236，以避免未密封容器239中容納的流體受污染。
打開(kāi)殼體234的入口門(mén)263使用戶(hù)能夠?qū)⑼?32放置到保持器245的容納器246中。當(dāng)入口門(mén)263處于打開(kāi)位置時(shí)，用戶(hù)還可以將所需的基板233放置到保持器245的打印臺(tái)247上。在用戶(hù)已經(jīng)將筒232放入容納器246中并將基板233放到打印臺(tái)247上之后，用戶(hù)取下筒232的封蓋237并關(guān)閉殼體234的入口門(mén)263。
當(dāng)入口門(mén)263處于打開(kāi)位置時(shí)，控制系統(tǒng)272被配置為增加鼓風(fēng)機(jī)267的rpm，從而增加通過(guò)殼體234的空氣的流速。增加鼓風(fēng)機(jī)267的rpm還使通過(guò)打開(kāi)的入口門(mén)263流入殼體234中的空氣通過(guò)爐條248被吸到保持器245下方并進(jìn)入第一流動(dòng)路徑265。這減少了潛在受污染空氣通過(guò)打開(kāi)的入口門(mén)263進(jìn)入并在基板233、未密封容器239中容納的流體和打印在基板233上的任何3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體上方流動(dòng)并污染它們的量。
當(dāng)入口門(mén)263處于關(guān)閉位置時(shí)，控制系統(tǒng)272被配置為與入口門(mén)263處于打開(kāi)位置時(shí)相比使鼓風(fēng)機(jī)267以較低的rpm操作。降低了鼓風(fēng)機(jī)267的rpm使通過(guò)殼體234的空氣的流速減小。通過(guò)殼體234的打印區(qū)域276的較低的空氣流速減弱了脫水對(duì)基板233、筒232中容納的流體以及打印在基板233上的任何打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的影響。
當(dāng)筒232被接納在容納器246中時(shí)，控制系統(tǒng)272被配置為使用保持器245的讀取器來(lái)讀取筒232的標(biāo)識(shí)符244，以獲得關(guān)于筒232的信息。通過(guò)讀取筒232的標(biāo)識(shí)符244，控制系統(tǒng)272可能能夠確定每個(gè)個(gè)體密封的容器238中容納什么流體。用戶(hù)使用gui273向控制系統(tǒng)272輸入什么流體被添加到各未密封容器239中，使得控制系統(tǒng)272知道將這些流體中的每個(gè)定位在什么位置。
在此階段，用戶(hù)可以使用gui273設(shè)計(jì)待打印的特定3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。一旦用戶(hù)對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)出的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體感到滿意，用戶(hù)就使用gui273來(lái)確認(rèn)他們希望生物打印機(jī)200開(kāi)始打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。
筒232的標(biāo)識(shí)符244可以被配置為通知控制系統(tǒng)272筒232是否是新的、被用過(guò)或被用完了。如果筒232是新的，則控制系統(tǒng)272許可用戶(hù)打印所需的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。如果筒232被用過(guò)了，則控制系統(tǒng)272可以被配置為在gui273上顯示提示，通知用戶(hù)筒232中是否有足夠的流體來(lái)完成所需的作業(yè)。如果有足夠的流體，則控制系統(tǒng)272許可用戶(hù)打印所需的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。如果沒(méi)有足夠的流體，則控制系統(tǒng)272可以被配置為通知用戶(hù)更換筒232。如果筒232被用完，則控制系統(tǒng)272在gui273上顯示該信息并通知用戶(hù)更換筒232。
一旦確定了打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，控制系統(tǒng)272就使用壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254的相應(yīng)壓力調(diào)節(jié)器256經(jīng)由蓋108對(duì)每個(gè)貯存器106加壓。對(duì)每個(gè)貯存器106加壓還對(duì)相應(yīng)的灌注流體管線120加壓，這迫使每條灌注流體管線120的止回閥121進(jìn)入關(guān)閉位置，從而防止流體從灌注歧管114流入相應(yīng)的灌注流體管線120中。
以下的描述涉及樣本裝載系統(tǒng)102的每個(gè)子系統(tǒng)111。為了用特定流體灌注貯存器106，控制系統(tǒng)272分別使用第一定位單元250和/或第二定位單元252移動(dòng)保持器245和/或打印頭組件100，使得子系統(tǒng)111的開(kāi)口124和針112定位在容納貯存器106將保持的流體的筒232中的特定容器上方。然后，控制系統(tǒng)272操作致動(dòng)器122將針112的尖端123推進(jìn)通過(guò)開(kāi)口124直至打印頭殼體104之外，使得針112的尖端123被插入到筒232的特定容器中容納的流體中并浸沒(méi)在其中。應(yīng)該理解，如果所需流體被容納在密封容器238或廢料容器240中的一個(gè)中，則當(dāng)針112的尖端123正被插入到相應(yīng)的密封容器238或廢料容器240中時(shí)，針112的尖端123將刺穿密封件242。
在此階段，控制系統(tǒng)272打開(kāi)歧管閥113并控制選擇器閥258來(lái)選擇聯(lián)接到打印機(jī)泵262的通道261，以將打印機(jī)泵262布置成與子系統(tǒng)111的灌注歧管114的歧管出口116流體連通。然后，控制系統(tǒng)272操作打印機(jī)泵262以向灌注歧管114的歧管出口116施加負(fù)壓，這使流體段塞(fluidslug)通過(guò)針112，通過(guò)歧管閥113并通過(guò)歧管入口115被吸入歧管入口114中?？刂葡到y(tǒng)272持續(xù)向灌注歧管114的歧管出口116施加負(fù)壓，直到傳感器117檢測(cè)到流體段塞已經(jīng)開(kāi)始從歧管出口116流出，此時(shí)，控制系統(tǒng)272停止打印機(jī)泵262的操作并關(guān)閉歧管閥113。
傳感器117可以設(shè)置在歧管出口116處，以檢測(cè)流體段塞何時(shí)開(kāi)始從歧管出口116流出?？商鎿Q地，傳感器117可以設(shè)置在歧管入口115處，以檢測(cè)流體段塞何時(shí)開(kāi)始通過(guò)歧管入口115流入歧管114中。如果傳感器117設(shè)置在歧管入口115處，則控制系統(tǒng)272可以被配置為使用傳感器117計(jì)算已經(jīng)流入歧管114中的流體段塞的體積。然后，控制系統(tǒng)272可以被配置為基于歧管114的體積和流體段塞的體積來(lái)估計(jì)流體段塞何時(shí)可開(kāi)始流出歧管出口116。還料想到，可以使用設(shè)置在歧管入口115處的傳感器117與設(shè)置在歧管出口116處的傳感器117的組合。
控制系統(tǒng)272隨后控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256以對(duì)將用流體段塞灌注的貯存器106減壓，并操作打印機(jī)泵262以向灌注歧管114的歧管出口116施加正壓。在貯存器106已經(jīng)減壓之后，由打印機(jī)泵262施加到灌注歧管114的歧管出口116的正壓使相應(yīng)的灌注流體管線120的止回閥121移動(dòng)至打開(kāi)位置，由此，流體段塞通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線120流出灌注歧管114并進(jìn)入減壓后的貯存器106。應(yīng)該理解，打印機(jī)泵262施加到灌注歧管114的歧管出口116的正壓使得已經(jīng)從歧管出口116流出的流體回流到灌注歧管114中以及減壓后的貯存器106中。減壓后的貯存器106中的流體段塞將流入相應(yīng)的分配流體管線125中并通過(guò)其，直到其被分配流體管線125的常閉分配出口126擋住。在此階段，減壓后的貯存器106被灌注有流體段塞，并且控制系統(tǒng)272停止打印機(jī)泵262的操作。
在減壓后的貯存器106被灌注之后，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256來(lái)增加減壓后的貯存器106中的壓力，這使相應(yīng)的止回閥121移動(dòng)到關(guān)閉位置，以防止流體從灌注歧管114流入貯存器106中。
如以上討論的，各貯存器106的預(yù)定體積可以被確定大小，以減少或有可能防止抽吸到相應(yīng)貯存器106中的流體段塞回流到相應(yīng)的灌注流體管線120。
在貯存器106被灌注之后，控制系統(tǒng)272打開(kāi)歧管閥113并操作打印機(jī)泵262或相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256以經(jīng)由歧管出口116向灌注歧管114和針112施加正壓，從而通過(guò)針112將留在子系統(tǒng)111中的任何流體清除出。任何留在子系統(tǒng)111中的流體都可以被清除回到最初從筒232的廢料體積中吸入流體或者將流體從其吸入到廢料體積中的同一容器中。如果流體將被清除到廢料體積中，則控制系統(tǒng)272使用第一定位單元250和/或第二定位單元252在凈化子系統(tǒng)111之前，將子系統(tǒng)111的開(kāi)口124和針112定位在筒232的廢料槽241上方?？刂葡到y(tǒng)272可以被配置為在凈化子系統(tǒng)111之前操作致動(dòng)器122以將針112的尖端123插入到廢料槽241中，以防止/限制任何凈化后的流體污染基板233或容納在未密封容器239中的任何流體。在將流體從子系統(tǒng)111清除到廢料體積中之后，控制系統(tǒng)272操作致動(dòng)器122以將針112的尖端123縮回到打印頭組件100的打印頭殼體104中。
在子系統(tǒng)111已被清除任何流體之后，控制系統(tǒng)272可以在灌注另一貯存器106之前清潔子系統(tǒng)111。為了清潔子系統(tǒng)111，控制系統(tǒng)272定位打印頭組件100，使得針112位于清潔容器240上方，并操作致動(dòng)器122以推進(jìn)針112的尖端123，直到它刺穿密封件242并浸沒(méi)在清潔容器240中容納的清潔流體中?？刂葡到y(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法將清潔流體通過(guò)針112吸入到灌注歧管114中。隨后，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法將清潔流體清除到筒232的廢料體積中。在灌注另一個(gè)貯存器106之前，可以將上述清潔步驟重復(fù)一次或多次。
為了灌注其它貯存器106，控制系統(tǒng)272重復(fù)上述的方法步驟。根據(jù)待打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，控制系統(tǒng)272可以灌注各貯存器106或僅幾個(gè)貯存器106?？刂葡到y(tǒng)272可以被配置為記錄各貯存器106的內(nèi)容物，使得控制系統(tǒng)272知道哪些貯存器106容納哪些流體。
由于每個(gè)子系統(tǒng)111都耦接到一組貯存器101，因此應(yīng)該理解，樣本裝載系統(tǒng)102可以同時(shí)灌注第一組貯存器101中的貯存器106以及第二組貯存器101中的貯存器106。兩個(gè)子系統(tǒng)111的使用使彼此反應(yīng)并固化的流體能夠由單獨(dú)的子系統(tǒng)111處理。例如，生物墨水和活化劑可能一起反應(yīng)并固化，形成水凝膠。如果生物墨水和活化劑由同一子系統(tǒng)111處理，則在子系統(tǒng)111中可能形成水凝膠，因?yàn)樵诨罨瘎┍怀槲ㄟ^(guò)子系統(tǒng)111之前，子系統(tǒng)111可能未被完全清除掉生物墨水。子系統(tǒng)111中水凝膠的形成可以導(dǎo)致子系統(tǒng)111中的阻塞。因此，具有兩個(gè)或更多個(gè)子系統(tǒng)111可以減少發(fā)生這種情況的可能性。
為了使反應(yīng)性流體不由同一子系統(tǒng)111處理，反應(yīng)性流體被容納在筒232中的相鄰容器中，使得當(dāng)操作致動(dòng)器122以推進(jìn)針112時(shí)，一根針112被插入到容納一種反應(yīng)性流體的容器中，而另一根針112被插入到容納另一種反應(yīng)性流體的相鄰容器中。
一旦所需的貯存器106已經(jīng)被制造選定的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所需的流體灌注，控制系統(tǒng)272隨后就可以開(kāi)始在基板233的上面/里面打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體?？刂葡到y(tǒng)272利用打印作業(yè)通過(guò)在特定時(shí)間和位置從分配系統(tǒng)103分配特定流體來(lái)打印3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的每一層。例如，3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體可能需要通過(guò)使保存在不同貯存器106中的多種流體混合/反應(yīng)來(lái)制造特定的材料。這可以通過(guò)從一個(gè)貯存器106分配第一流體液滴并在第一流體液滴上分配來(lái)自第二貯存器106的第二流體液滴來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，水凝膠可以通過(guò)將生物墨水的流體液滴與活化劑的流體液滴混合來(lái)形成。
為了在特定位置處分配來(lái)自打印頭組件100的特定流體，控制系統(tǒng)272使用第一定位單元250和/或第二定位單元252來(lái)定位打印頭組件100，使得保存特定流體的貯存器106的分配出口126定位在基板233上的特定位置上方。然后，控制系統(tǒng)272將相應(yīng)的分配出口126移動(dòng)至打開(kāi)構(gòu)造，并且貯存器106內(nèi)的壓力迫使貯存器106內(nèi)的流體被從分配出口126分配出。一旦從相應(yīng)的分配出口126分配出所需體積的特定流體，控制系統(tǒng)272就將分配出口126移動(dòng)回到關(guān)閉構(gòu)造，以防止有其它流體被從分配出口126分配出。
應(yīng)該理解，從貯存器106分配流體將降低貯存器106中的壓力。因此，在流體已經(jīng)從貯存器106分配出并且相應(yīng)的分配出口126移動(dòng)至關(guān)閉構(gòu)造之后，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256將貯存器106重新加壓到預(yù)定壓力。
增大和減小貯存器106內(nèi)的壓力將分別增大和減小通過(guò)對(duì)應(yīng)分配出口126的流體的流速。增加和減少分配出口126處于打開(kāi)構(gòu)造的時(shí)間段將分別增加和減少?gòu)姆峙涑隹?26分配的流體的體積。因此，應(yīng)該理解，從分配出口126分配的流體液滴可以因相應(yīng)貯存器106內(nèi)的壓力變化以及分配出口126處于打開(kāi)構(gòu)造的時(shí)間段變化而變化?？刂葡到y(tǒng)272可以被配置為根據(jù)貯存器106中容納的流體和待打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體來(lái)控制從特定容器106分配的流體液滴的體積。可替換地，當(dāng)設(shè)計(jì)3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)gui273手動(dòng)地控制從打印頭組件100分配的流體液滴的體積。
重復(fù)進(jìn)行上述分配步驟，直到分配出制造選定的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所需的所有流體液滴。在制造出3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體之后,控制系統(tǒng)272可以被配置為更新關(guān)于筒232的標(biāo)識(shí)符244的信息，以指示筒232被用過(guò)以及筒是否可以用于打印其它的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。如果用戶(hù)試圖再次使用筒232來(lái)打印其它的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體，則該更新后的信息將呈現(xiàn)在gui273上。在此階段，用戶(hù)可以通過(guò)殼體234的入口門(mén)263取出筒232、基板233以及在基板233上制造的任何3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體。
在打印出3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體之后，控制系統(tǒng)272被配置為清除留在貯存器106中的任何流體。為了凈化貯存器106，控制系統(tǒng)272使用第一定位單元250和/或第二定位單元252定位打印頭組件100，使得相應(yīng)的分配出口126位于筒232的廢料槽241上方。然后，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法通過(guò)分配流體將留在貯存器106中的所有流體清除到筒232的廢料體積中。重復(fù)該過(guò)程，直到所有貯存器106都被凈化為止。
然后，控制系統(tǒng)272使用與所描述方法類(lèi)似的方法用清潔容器240中容納的清潔流體灌注每個(gè)貯存器106。然后，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法將留在子系統(tǒng)111中的任何清潔流體通過(guò)針12清除出。在用清潔流體灌注了貯存器106之后，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法將來(lái)自各貯存器106的所有清潔流體通過(guò)相應(yīng)的分配出口126分配到筒232的廢料體積中?？刂葡到y(tǒng)272可以將以上的清潔過(guò)程重復(fù)一次或多次。
控制系統(tǒng)272能夠進(jìn)行攪拌/再懸浮過(guò)程，以對(duì)貯存器106中容納的流體進(jìn)行攪拌/充氣。在貯存器106中容納的流體是懸浮液的情況下，懸浮液中的懸浮顆?？赡艹两担@會(huì)造成隨后打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體有問(wèn)題或者造成生物打印機(jī)200中的堵塞。攪拌/再懸浮過(guò)程使任何已沉降的懸浮顆粒再懸浮。
為了攪拌/再懸浮貯存器106中容納的流體，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256來(lái)降低貯存器106中的壓力?？刂葡到y(tǒng)272還關(guān)閉壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254中的閥275，以將歧管出口116與連接到連接器257的加壓氣體源隔離。然后，控制系統(tǒng)272控制選擇器閥258，以將打印機(jī)泵262布置成與相應(yīng)的貯存器106的蓋108流體連通。然后，控制系統(tǒng)272操作打印機(jī)泵262以向貯存器106施加負(fù)壓，并打開(kāi)相應(yīng)的分配出口126。施加到貯存器106的負(fù)壓使相應(yīng)的分配流體管線125中的流體回流到貯存器106中，并且持續(xù)向貯存器106施加負(fù)壓使空氣通過(guò)相應(yīng)的分配流體管線125被吸入貯存器106中。將歧管出口116與連接到連接器257的加壓氣體源隔離約束/防止空氣在攪拌/再懸浮過(guò)程期間通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線120被吸入貯存器106中(這原本會(huì)降低該過(guò)程的有效性)。
被吸入貯存器106中的空氣在打印機(jī)泵262的作用下通過(guò)相應(yīng)的蓋108從貯存器106吸出之前，通過(guò)貯存器106中容納的流體起泡并攪動(dòng)該流體?？刂葡到y(tǒng)272持續(xù)向貯存器106施加負(fù)壓達(dá)足以攪拌/再懸浮流體的預(yù)定時(shí)間。在流體被充分?jǐn)嚢?再懸浮之后，控制系統(tǒng)272將相應(yīng)的分配出口126移動(dòng)至關(guān)閉構(gòu)造，并停止打印機(jī)泵262的操作。然后，控制系統(tǒng)272打開(kāi)閥275，并控制選擇器閥258以將貯存器106的蓋108設(shè)置回到與其相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256流體連通。隨后，控制系統(tǒng)272控制該壓力調(diào)節(jié)器256以將貯存器106重新加壓到預(yù)定壓力。
應(yīng)該理解，貯存器106起到脫氣室的作用。例如，當(dāng)貯存器106被灌注流體段塞時(shí)，貯存器106的構(gòu)造將通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線120引入貯存器106中的任何空氣與流體段塞分開(kāi)。這是因?yàn)?，較稠密的流體段塞將流向貯存器106中的最低點(diǎn)，并置換引入貯存器106中的任何空氣。
由于樣本裝載系統(tǒng)102以及第一和第二組貯存器101的構(gòu)造，應(yīng)該理解，各貯存器106可以被重新填充流體，而不影響貯存器106中已經(jīng)容納的任何流體。
由于分層氣流系統(tǒng)262限制/防止外部受污染空氣在基板233和筒232上方流動(dòng)，因此應(yīng)該理解，生物打印機(jī)200不需要在生物安全柜或潔凈室設(shè)施中操作。因此，與操作生物打印機(jī)200關(guān)聯(lián)的成本可以降低，因?yàn)樯锎蛴C(jī)200可以在標(biāo)準(zhǔn)房間中操作。分層氣流系統(tǒng)262還可以向打印頭組件100及其部件提供強(qiáng)制對(duì)流冷卻，從而可以減少并有可能防止打印頭組件100中的部件過(guò)熱和失效。
打印頭組件的第二示例性實(shí)施例
圖23至圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的打印頭組件300。打印頭組件300與打印頭組件100類(lèi)似，不同之處在于，打印頭組件300具有打印頭泵377而非打印頭組件100的歧管閥113，并且灌注歧管314的歧管出口316被密封在打印頭組件300中。
為打印頭組件300的與打印頭組件100的特征相同或等同的特征提供與打印頭組件100的參考標(biāo)號(hào)等同的參考標(biāo)號(hào)，但加上了200。對(duì)于在打印頭組件100與打印頭組件300之間相同的特征，應(yīng)該理解，針對(duì)打印頭組件100的這些特征的以上描述也適用于在打印頭組件300中發(fā)現(xiàn)的對(duì)應(yīng)的相同/等同特征。因此，以下將不再針對(duì)打印頭組件300描述打印頭組件100與打印頭組件300之間相同的特征，因?yàn)榇蛴☆^組件300的這些特征已經(jīng)在以上相對(duì)于打印頭組件100進(jìn)行了描述。
對(duì)于打印頭組件300的每個(gè)子系統(tǒng)311，針312與打印頭泵377流體連通地聯(lián)接，打印頭泵377與灌注歧管314的歧管入口315流體連通地聯(lián)接。打印頭泵377可以是諸如蠕動(dòng)泵或隔膜泵之類(lèi)的體積泵，然而，可以使用本領(lǐng)域中已知的任何其它合適的泵。
打印頭組件300可以與生物打印機(jī)200一起使用。然而，使用打印頭組件300的生物打印機(jī)200與使用打印頭組件100的生物打印機(jī)200相比有一些結(jié)構(gòu)差異。下文討論這些結(jié)構(gòu)差異。為了便于參考，使用打印頭組件100的生物打印機(jī)200將在下面被稱(chēng)為“生物打印機(jī)200”，并且使用打印頭組件300的生物打印機(jī)200將在下面被稱(chēng)為“生物打印機(jī)200a”。
對(duì)于生物過(guò)濾器200a，每個(gè)貯存器306的蓋308經(jīng)由選擇器閥258與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254的壓力調(diào)節(jié)器256之一流體連通地聯(lián)接。打印機(jī)泵262還與選擇器閥258流體連通地聯(lián)接。在生物打印機(jī)200a正常操作期間，蓋308中的每個(gè)與它們相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256流體連通。然而，控制系統(tǒng)272可以控制選擇器閥258，以將蓋308中的任一個(gè)與打印機(jī)泵262流體連通。如果蓋308中的一個(gè)與打印機(jī)泵262流體連通，則該蓋308不與其相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器流體連通，反之亦然。
由于兩個(gè)灌注歧管314的歧管出口316被密封，并且生物打印機(jī)200a不需要選擇器閥258，因此灌注歧管314的歧管出口316沒(méi)有與壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)254流體連通地聯(lián)接。另外，當(dāng)兩個(gè)歧管314的歧管出口316被密封時(shí)，傳感器317設(shè)置在兩個(gè)歧管314的歧管入口315處，以檢測(cè)通過(guò)相應(yīng)的歧管入口315流入灌注歧管314中的流體。
生物打印機(jī)200a的操作和功能與生物打印機(jī)200的操作和功能類(lèi)似，不同之處在于對(duì)貯存器306進(jìn)行灌注的方式、對(duì)子系統(tǒng)311進(jìn)行凈化的方式以及攪拌/再懸浮過(guò)程。以下，說(shuō)明對(duì)貯存器306進(jìn)行灌注的方式以及對(duì)子系統(tǒng)311進(jìn)行凈化的方式。以下的描述涉及樣本裝載系統(tǒng)302的每個(gè)子系統(tǒng)311。
為了用特定流體灌注貯存器306，控制系統(tǒng)272分別使用第一定位單元250和/或第二定位單元252移動(dòng)保持器245和/或打印頭組件300，使得子系統(tǒng)311的開(kāi)口324和針312定位在容納貯存器306將保存流體的筒232中的特定容器上方。然后，控制系統(tǒng)272操作致動(dòng)器322將針312的尖端323推進(jìn)通過(guò)開(kāi)口324直至打印頭殼體304之外，使得針312的尖端323被插入到筒232的特定容器中容納的流體中并浸沒(méi)在其中。應(yīng)該理解，如果所需流體被容納在密封容器238中的一個(gè)中，則當(dāng)針312的尖端323正被插入到相應(yīng)的密封容器238中時(shí)，針112的尖端323將刺穿密封件242。
在此階段，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256，以對(duì)將用所期望流體灌注的貯存器306減壓?？刂葡到y(tǒng)272隨后控制打印頭泵377以通過(guò)針312和打印頭泵377吸入流體段塞，并將流體段塞通過(guò)歧管入口315抽吸到灌注歧管314中。因?yàn)閷⒈还嘧⒌馁A存器306已經(jīng)減壓，由打印頭泵377施加到歧管314的正壓使相應(yīng)的灌注流體管線320的止回閥321移動(dòng)至打開(kāi)位置，由此，使流體段塞通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線320流出灌注歧管314并進(jìn)入減壓后的貯存器306。減壓后的貯存器306中的流體段塞將流入相應(yīng)的分配流體管線325中并通過(guò)其，直到其被分配流體管線325的常閉分配出口326擋住。在此階段，減壓后的貯存器306被灌注有流體段塞，并且控制系統(tǒng)272停止打印頭泵377的操作。
控制系統(tǒng)272可以被配置為利用傳感器317來(lái)確定流體何時(shí)開(kāi)始通過(guò)歧管入口315流入灌注歧管314中，并計(jì)算已經(jīng)流入歧管314中的流體的體積?？刂葡到y(tǒng)272還可以被配置為利用傳感器317來(lái)計(jì)算已經(jīng)流入減壓后的貯存器306的流體的體積。
在減壓后的貯存器306被灌注之后，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256來(lái)增加減壓后的貯存器306中的壓力，這使相應(yīng)的止回閥321移動(dòng)到關(guān)閉位置，以防止流體從灌注歧管314流入貯存器306中。
在貯存器306被灌注之后，控制系統(tǒng)272可以被配置為在灌注另一貯存器306之前清潔子系統(tǒng)311和相應(yīng)的歧管314。為了清潔子系統(tǒng)311和相應(yīng)的歧管314，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法用清潔流體有效地灌注空的貯存器306。然后，控制系統(tǒng)272使用與以上相對(duì)于打印頭組件100描述的方法類(lèi)似的方法從相應(yīng)的貯存器306分配清潔流體。在用制造選定的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所必需的流體灌注另一貯存器306之前，可以將該清潔步驟一次或多次。
為了灌注其它貯存器306，控制系統(tǒng)272重復(fù)上述的方法步驟。應(yīng)該理解，由于打印頭泵377設(shè)置在打印頭組件300中，導(dǎo)致打印頭組件300中的貯存器306的灌注與打印頭組件100中的貯存器106的灌注相比可以更快速。
與生物打印機(jī)200類(lèi)似，生物打印機(jī)200a也被配置為執(zhí)行攪拌/再懸浮過(guò)程。為了攪拌/再懸浮貯存器306之一中容納的流體，控制系統(tǒng)272控制選擇器閥258，以將打印機(jī)泵262布置成與相應(yīng)的貯存器306的蓋308流體連通。然后，控制系統(tǒng)272操作打印機(jī)泵262以向貯存器306施加負(fù)壓，并打開(kāi)相應(yīng)的分配出口326。施加到貯存器306的負(fù)壓使相應(yīng)的分配流體管線325中的流體回流到貯存器306中，并且持續(xù)向貯存器306施加負(fù)壓使空氣通過(guò)相應(yīng)的分配流體管線325被吸入貯存器306中。
被吸入貯存器306中的空氣在打印機(jī)泵262的作用下通過(guò)相應(yīng)的蓋308從貯存器306吸出之前，通過(guò)貯存器306中容納的流體起泡并攪動(dòng)該流體。控制系統(tǒng)272持續(xù)向貯存器306施加負(fù)壓達(dá)足以攪拌/再懸浮貯存器306中的流體的預(yù)定時(shí)間。在流體被充分?jǐn)嚢?再懸浮之后，控制系統(tǒng)272將相應(yīng)的分配出口326移動(dòng)至關(guān)閉構(gòu)造，并停止打印機(jī)泵262的操作。然后，控制系統(tǒng)272控制選擇器閥258，以將貯存器306的蓋308設(shè)置回到與其相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256流體連通。隨后，控制系統(tǒng)272控制該壓力調(diào)節(jié)器256以將貯存器306重新加壓到預(yù)定壓力。
應(yīng)該理解，使用打印頭組件100、300的生物打印機(jī)200、200a的以上描述是為了提供打印頭組件100、300可以如何實(shí)現(xiàn)和操作的一個(gè)示例。還應(yīng)該理解，打印頭組件100、300不限于與生物打印機(jī)200、200a一起使用，并且可以用于其它生物打印機(jī)類(lèi)型或示例。
盡管打印頭組件100、300被描述和圖示為具有兩個(gè)子系統(tǒng)111、311和聯(lián)接到各子系統(tǒng)111、311的一組貯存器101、301，但應(yīng)該理解，打印頭組件100、300可以具有樣本裝載系統(tǒng)102、302，樣本裝載系統(tǒng)102、302具有聯(lián)接到單組貯存器101、301的單個(gè)子系統(tǒng)111、311或不止兩個(gè)的各自聯(lián)接到相應(yīng)組的貯存器101、301的子系統(tǒng)111、311。
還應(yīng)該理解，在其最簡(jiǎn)單的形式中，打印頭組件100、300具有至少一個(gè)與具有單個(gè)子系統(tǒng)111、311的樣本裝載系統(tǒng)102、302流體連通的貯存器106、306。
打印頭組件的第三示例性實(shí)施例
圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的打印頭組件400的示意圖。打印頭組件400與打印頭組件300類(lèi)似，不同之處在于，打印頭組件400還包括3/2閥480。
為打印頭組件400的與打印頭組件300的特征相同或等同的特征提供與打印頭組件300的參考標(biāo)號(hào)等同的參考標(biāo)號(hào)，但加上了100。對(duì)于在打印頭組件400與打印頭組件400之間相同的特征，應(yīng)該理解，針對(duì)打印頭組件300的這些特征的以上描述也適用于在打印頭組件400中發(fā)現(xiàn)的對(duì)應(yīng)的相同/等同特征。因此，以下將不再針對(duì)打印頭組件400描述打印頭組件300與打印頭組件400之間相同的特征，因?yàn)榇蛴☆^組件400的這些特征已經(jīng)在以上相對(duì)于打印頭組件300進(jìn)行了描述。
樣本裝載系統(tǒng)402的每個(gè)子系統(tǒng)411具有3/2閥480。每個(gè)子系統(tǒng)411的3/2閥480具有通過(guò)流體管線418聯(lián)接到針412的第一端口481、通過(guò)流體管線419聯(lián)接到相應(yīng)的灌注歧管414的歧管入口415的第二端口482以及通過(guò)流體管線484聯(lián)接到打印頭泵477的第三端口483。
打印頭組件400可以按與上述相同的方式在生物打印機(jī)200a中使用。為了便于參考，使用打印頭組件400的生物打印機(jī)200a將在以下被稱(chēng)為“生物打印機(jī)200b”。
生物打印機(jī)200b的操作與生物打印機(jī)200的操作類(lèi)似，不同之處在于對(duì)貯存器406進(jìn)行灌注的方式以及對(duì)子系統(tǒng)411進(jìn)行凈化的方式。以下的描述描述了這些差異并涉及樣本裝載系統(tǒng)402的每個(gè)子系統(tǒng)411。
為了灌注貯存器406，生物打印機(jī)200b的控制系統(tǒng)272使用與以上相對(duì)于生物打印機(jī)200a描述的相同的方法對(duì)待灌注的貯存器406進(jìn)行減壓。然后，控制系統(tǒng)272控制3/2閥480，以將針412布置成與打印頭泵477流體連通。然后，控制系統(tǒng)272控制打印頭泵477以將流體段塞吸引通過(guò)針412，通過(guò)流體管線418進(jìn)入流體管線484中。隨后，控制系統(tǒng)272控制3/2閥480，以將打印頭泵477布置成與相應(yīng)的灌注歧管414的歧管入口415流體連通。然后，控制系統(tǒng)272控制打印頭泵477以將流體段塞抽吸到流體管線484之外，通過(guò)流體管線419，并通過(guò)歧管入口415進(jìn)入相應(yīng)的灌注歧管414中。因?yàn)閷⒈还嘧⒌馁A存器406已經(jīng)減壓，由打印頭泵477施加到歧管414的正壓使相應(yīng)的灌注流體管線420的止回閥421移動(dòng)至打開(kāi)位置，由此，使流體段塞通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線420流出灌注歧管414并進(jìn)入減壓后的貯存器406。減壓后的貯存器406中的流體段塞將流入相應(yīng)的分配流體管線425中并通過(guò)其，直到其被分配流體管線425的常閉分配出口426擋住。在此階段，減壓后的貯存器406被灌注有流體段塞，并且控制系統(tǒng)272停止打印頭泵477的操作。
在減壓后的貯存器406被灌注之后，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256來(lái)增加減壓后的貯存器406中的壓力，這使相應(yīng)的止回閥421移動(dòng)到關(guān)閉位置，以防止流體從灌注歧管414流入貯存器406中。
在貯存器406被灌注之后，控制系統(tǒng)272可以被配置為在灌注另一貯存器406之前清潔子系統(tǒng)411和相應(yīng)的歧管414。為了清潔子系統(tǒng)411和相應(yīng)的歧管414，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法用清潔流體有效地灌注空的貯存器406。然后，控制系統(tǒng)272使用與以上相對(duì)于打印頭組件100描述的方法類(lèi)似的方法從相應(yīng)的貯存器406分配清潔流體。在用制造選定的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所必需的流體灌注另一貯存器406之前，可以將該清潔步驟一次或多次。
為了灌注其它貯存器306，控制系統(tǒng)272重復(fù)上述的方法步驟。
打印頭組件的第四示例性實(shí)施例
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的打印頭組件500的示意圖。打印頭組件500與打印頭組件300類(lèi)似，不同之處在于，打印頭組件500具有3/2閥580而非打印頭組件300的打印頭泵377。
為打印頭組件500的與打印頭組件300的特征相同或等同的特征提供與打印頭組件300的參考標(biāo)號(hào)等同的參考標(biāo)號(hào)，但加上了200。對(duì)于在打印頭組件300與打印頭組件500之間相同的特征，應(yīng)該理解，針對(duì)打印頭組件300的這些特征的以上描述也適用于在打印頭組件500中發(fā)現(xiàn)的對(duì)應(yīng)的相同/等同特征。因此，以下將不再針對(duì)打印頭組件500描述打印頭組件300與打印頭組件500之間相同的特征，因?yàn)榇蛴☆^組件500的這些特征已經(jīng)在以上相對(duì)于打印頭組件300進(jìn)行了描述。
對(duì)于打印頭組件500，樣本裝載系統(tǒng)502的每個(gè)子系統(tǒng)511具有3/2閥580。對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)511，3/2閥具有通過(guò)流體管線518聯(lián)接到針512的第一端口581、通過(guò)流體管線519聯(lián)接到相應(yīng)的灌注歧管514的歧管入口515的第二端口582以及第三端口583。
打印頭組件500可以按與上述相同的方式在生物打印機(jī)200a中使用，不同之處在于下述的一個(gè)結(jié)構(gòu)差異。為了便于參考，使用打印頭組件500的生物打印機(jī)200a將在以下被稱(chēng)為“生物打印機(jī)200c”。
對(duì)于生物打印機(jī)200c的每個(gè)子系統(tǒng)511，3/2閥580的第三端口583通過(guò)流體管線584聯(lián)接到選擇器閥258。對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)511，生物打印機(jī)200c的控制系統(tǒng)272被配置為控制選擇器閥258以選擇性將3/2閥580的第三端口583布置成與生物打印機(jī)200c的打印機(jī)泵262流體連通。
生物打印機(jī)200c的操作與生物打印機(jī)200的操作類(lèi)似，不同之處在于對(duì)貯存器506進(jìn)行灌注的方式以及對(duì)子系統(tǒng)511進(jìn)行凈化的方式。以下的描述描述了這些差異并涉及樣本裝載系統(tǒng)502的每個(gè)子系統(tǒng)511。
為了灌注貯存器506，生物打印機(jī)200c的控制系統(tǒng)272使用與以上相對(duì)于生物打印機(jī)200a描述的相同的方法對(duì)待灌注的貯存器506進(jìn)行減壓。然后，控制系統(tǒng)272控制選擇器閥258，以將泵262布置成與3/2閥580的第三端口583流體連通?？刂葡到y(tǒng)272還控制3/2閥580，以將第三端口583布置成與針512流體連通。然后，控制系統(tǒng)272控制打印機(jī)泵262以將流體段塞吸引通過(guò)針512，通過(guò)流體管線518進(jìn)入流體管線584中。隨后，控制系統(tǒng)272控制3/2閥580，以將第三端口583布置成與相應(yīng)的灌注歧管514的歧管入口515流體連通。然后，控制系統(tǒng)272控制打印機(jī)泵262以將流體段塞抽吸到流體管線584之外，通過(guò)流體管線519，并通過(guò)歧管入口515進(jìn)入相應(yīng)的灌注歧管514中。因?yàn)閷⒈还嘧⒌馁A存器506已經(jīng)減壓，由打印機(jī)泵262施加到歧管514的正壓使相應(yīng)的灌注流體管線520的止回閥521移動(dòng)至打開(kāi)位置，由此，使流體段塞通過(guò)相應(yīng)的灌注流體管線520流出灌注歧管514并進(jìn)入減壓后的貯存器506。減壓后的貯存器506中的流體段塞將流入相應(yīng)的分配流體管線525中并通過(guò)其，直到其被分配流體管線525的常閉分配出口4526擋住。在此階段，減壓后的貯存器506被灌注有流體段塞，并且控制系統(tǒng)272停止打印機(jī)泵262的操作。
在減壓后的貯存器506被灌注之后，控制系統(tǒng)272控制相應(yīng)的壓力調(diào)節(jié)器256來(lái)增加減壓后的貯存器506中的壓力，這使相應(yīng)的止回閥521移動(dòng)到關(guān)閉位置，以防止流體從灌注歧管514流入貯存器506中。
在貯存器506被灌注之后，控制系統(tǒng)272可以被配置為在灌注另一貯存器506之前清潔子系統(tǒng)511和相應(yīng)的歧管514。為了清潔子系統(tǒng)511和相應(yīng)的歧管514，控制系統(tǒng)272使用與上述方法類(lèi)似的方法用清潔流體有效地灌注空的貯存器506。然后，控制系統(tǒng)272使用與以上相對(duì)于打印頭組件100描述的方法類(lèi)似的方法從相應(yīng)的貯存器506分配清潔流體。在用制造選定的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體所必需的流體灌注另一貯存器506之前，可以將該清潔步驟一次或多次。
為了灌注其它貯存器506，控制系統(tǒng)272重復(fù)上述的方法步驟。
細(xì)胞移動(dòng)和攪拌/再懸浮過(guò)程
圖26a示出了打印頭組件100的單個(gè)未灌注(即，空的)貯存器106、灌注流體管線120和分配流體管線125。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一些細(xì)胞打印情形下，噴嘴形式的分配出口126可以具有無(wú)效區(qū)178。無(wú)效區(qū)178是分配出口126內(nèi)的幾乎沒(méi)有出現(xiàn)流體流動(dòng)的區(qū)域。
圖26b示出了灌注有具有細(xì)胞12的細(xì)胞懸浮液10的單個(gè)貯存器106、灌注流體管線120和分配流體管線125。如可以看出的，細(xì)胞懸浮液10是均質(zhì)的。參照?qǐng)D26c，在一段時(shí)間之后，細(xì)胞懸浮液10內(nèi)的細(xì)胞12開(kāi)始沉降，并且由于流體管線126基本上是筆直的，因此細(xì)胞12沉降在分配出口126的無(wú)效區(qū)178中。
圖26d示出了應(yīng)用于貯存器106和分配流體管線125的以上討論的攪拌/再懸浮過(guò)程。如可以看出的，空氣14通過(guò)分配流體管線125和貯存器106起泡。然而，由于在無(wú)效區(qū)178中幾乎沒(méi)有流體流動(dòng)，因此沉降在非工作178中的細(xì)胞12中很少(如果有的話)再懸浮在細(xì)胞懸浮液10中，如圖26e中可以看出的。由于幾乎沒(méi)有能力使沉降在無(wú)效區(qū)178中的細(xì)胞12再懸浮，因此使用打印頭組件100打印的任何3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體可能包含濃度比預(yù)期低的細(xì)胞12，從而會(huì)對(duì)從3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體獲得的結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。
圖27a示出了打印頭組件100的單個(gè)未灌注(即，空的)貯存器106、灌注流體管線120。在圖27中，分配流體管線125被替換為分配流體管線625。分配流體管線625與分配流體管線125類(lèi)似，不同之處在于，分配流體管線625具有顆粒捕集器679。在一個(gè)實(shí)施例中，顆粒捕集器679包括一系列彎折。
為分配流體管線625的與分配流體管線125的特征相同或等同的特征提供與分配流體管線125的參考標(biāo)號(hào)等同的參考標(biāo)號(hào)，但加上了500。對(duì)于在分配流體管線125與分配流體管線625之間相同的特征，應(yīng)該理解，針對(duì)分配流體管線125的這些特征的以上描述也適用于在分配流體管線625中發(fā)現(xiàn)的對(duì)應(yīng)的相同/等同特征。因此，以下將不再針對(duì)分配流體管線625描述分配流體管線125與分配流體管線625之間相同的特征，因?yàn)榉峙淞黧w管線625的這些特征已經(jīng)在以上相對(duì)于分配流體管線125進(jìn)行了描述。
圖27b示出了灌注有具有細(xì)胞12的細(xì)胞懸浮液10的單個(gè)貯存器106、灌注流體管線120和分配流體管線625。如可以看出的，細(xì)胞懸浮液10是均質(zhì)的。參照?qǐng)D27c，在一段時(shí)間之后，細(xì)胞懸浮液10內(nèi)的細(xì)胞12開(kāi)始沉降在顆粒捕集器679中。因此，顆粒捕集器679約束/防止細(xì)胞12沉降在分配出口626的無(wú)效區(qū)678中。
圖27d示出了應(yīng)用于貯存器106和分配流體管線625的以上討論的攪拌/再懸浮過(guò)程。如可以看出的，空氣14通過(guò)分配流體管線625和貯存器106起泡。當(dāng)大多數(shù)細(xì)胞12被捕集在顆粒捕集器679中時(shí)，通過(guò)分配流體管線625起泡的空氣14將細(xì)胞12轉(zhuǎn)移回到貯存器106中并使細(xì)胞12再懸浮。
參照?qǐng)D26e，在攪拌/再懸浮過(guò)程完成之后，貯存器106內(nèi)的細(xì)胞懸浮液10是均質(zhì)的。貯存器106內(nèi)的均質(zhì)的細(xì)胞懸浮液10可以使待打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體具有所期望的細(xì)胞12的濃度，從而可以使從打印的3d細(xì)胞結(jié)構(gòu)體能夠獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。
圖28a至圖28c示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有顆粒捕集器679的分配流體管線625a-c。如在這些圖中可以看到的，顆粒捕集器679是通過(guò)在分配流體管線625內(nèi)形成一個(gè)或多個(gè)基本上垂直的回路而形成的。
圖29示出了根據(jù)另一實(shí)施例的具有顆粒捕集器679的分配流體管線625d。如在該圖中可以看出的，顆粒捕集器679是通過(guò)在分配流體管線625中創(chuàng)建多個(gè)水平回路而形成的。還料想到，單個(gè)水平環(huán)路就將足夠了。
盡管參考打印頭組件100描述和圖示了分配流體管線625，但應(yīng)該理解，分配流體管線625也可以與上述打印頭組件300、400、500一起使用。盡管顆粒捕集器679被描述為用于捕集細(xì)胞，但應(yīng)該理解，顆粒捕集器679可以用于捕集懸浮在流體懸浮液中的其它顆粒。
生物墨水
在本說(shuō)明書(shū)中，生物墨水被定義為細(xì)胞可以懸浮或容納在其中的一種或多種類(lèi)型的大分子的水溶液。在活化或交聯(lián)時(shí)，它產(chǎn)生水凝膠結(jié)構(gòu)，該水凝膠結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)性質(zhì)由生物墨水的化學(xué)和物理組成來(lái)限定。大分子被定義為合成聚合物和天然聚合物二者、蛋白質(zhì)和肽的陣列。大分子可以是它們的天然狀態(tài)，或者是用胺或硫醇反應(yīng)性官能團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾的。
合成大分子可以包括：
·多糖，諸如，含有果糖、蔗糖或葡萄糖官能團(tuán)的聚合物；
·非離子聚合物，諸如，聚乙二醇(peg)、聚甲基丙烯酸羥乙酯(phema)、聚己內(nèi)酯(pcl)、聚乙烯醇(pva)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚nipaam和聚富馬酸丙二烯酯(ppf)及其衍生物；
·聚電解質(zhì)-攜帶正電荷或負(fù)電荷的聚合物、兩性的和兩性離子的聚合物；
·多肽-由許多氨基酸(最少有2個(gè)氨基酸)的單條線性鏈，通過(guò)酰胺鍵保持在一起；以及
·含有合成聚合物的核堿基--具有核堿基(腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥(niǎo)嘌呤或胞嘧啶)重復(fù)單元的聚合物。
天然大分子可以包括：
·多糖，諸如，海藻酸鹽、殼聚糖、結(jié)冷膠、透明質(zhì)酸、瓊脂糖、糖胺聚糖；
·蛋白質(zhì)，諸如，明膠、纖維蛋白和膠原蛋白；
·dna和寡核苷酸，諸如，單鏈dna(ssdna)、雙鏈dna(dsdna)dna酶和適體酶；以及
·基底膜提取物。
胺反應(yīng)性官能團(tuán)可以包括：醛、環(huán)氧、n-羥基琥珀酰亞胺(nhs)和2-乙烯基-4，4-二甲基拉茲內(nèi)酯(vdm)。
硫醇反應(yīng)性官能團(tuán)可以包括：烯烴、炔烴、疊氮化物、鹵素和氰酸酯。
所使用的并發(fā)現(xiàn)合適的生物墨水是溶于其中添加了10v/v％fcs、l-谷氨酰胺和丙酮酸鈉的無(wú)鈣dmem中的海藻酸鹽(2w/v％)。
具有分散的sk-n-be(2)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的生物墨水被稱(chēng)為含細(xì)胞的生物墨水。
活化劑
在本說(shuō)明書(shū)中，活化劑是包括與生物墨水相互作用以形成水凝膠結(jié)構(gòu)的小分子或大分子的水溶液?？梢愿淖兓罨瘎┑慕M成，以控制所得水凝膠的物理性質(zhì)。所使用的活化劑的類(lèi)型高度取決于所使用的大分子以及預(yù)期的交聯(lián)過(guò)程。
活化劑可以選自于：
·無(wú)機(jī)鹽，諸如，碳酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、硫酸鎂、氫氧化鈉和氯化鋇；
·光引發(fā)劑，諸如，2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(dmpa)和irgacure；
·聚電解質(zhì)-攜帶與生物墨水中的大分子相反的電荷的聚合物。它可以是陽(yáng)離子、陰離子、兩性的和兩性離子的；
·多肽-由許多氨基酸(最少有2個(gè)氨基酸)的單條線性鏈，通過(guò)酰胺鍵保持在一起；
·dna連接體--攜帶核苷酸或dna序列的大分子，這些核苷酸或dna序列與生物墨水的大分子上存在的核苷酸或dna序列互補(bǔ)；以及
·攜帶胺或硫醇基團(tuán)的天然的或合成的大分子，要么是天然的要么是通過(guò)化學(xué)修飾的。
海藻酸鹽生物墨水所使用的活化劑是溶于milliq水中的4w/v％的氯化鈣。
交聯(lián)或凝膠化
這是通過(guò)用活化劑將個(gè)體大分子鏈連接在一起以形成水凝膠的過(guò)程。交聯(lián)過(guò)程可以分為化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)。物理交聯(lián)或非共價(jià)交聯(lián)可以包括：
·離子交聯(lián)-通過(guò)大分子和活化劑中存在的相反電荷的相互作用進(jìn)行交聯(lián)?；罨瘎┛梢园◣щ姾傻牡途畚铩㈦x子鹽和離子分子；
·氫鍵-經(jīng)由極性分子的靜電吸引進(jìn)行交聯(lián)。在這種情況下，大分子和活化劑攜帶極性官能團(tuán)；
·溫度交聯(lián)-經(jīng)由作為對(duì)溫度變化(加熱或冷卻)的響應(yīng)的大分子鏈重排進(jìn)行交聯(lián)；以及
·疏水相互作用或范德華力(vanderwaalsforce)。
化學(xué)或共價(jià)交聯(lián)涉及大分子與活化劑之間的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)類(lèi)型可以包括：
·光交聯(lián)，由此通過(guò)uv或光照射促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)；
·水介質(zhì)中硫醇與攜帶乙烯的大分子的michael型加成反應(yīng)；
·氨基與醛基間的席夫堿反應(yīng)(schiffbasereaction)；
·diels-alder反應(yīng)；
·點(diǎn)擊化學(xué)；
·用于生成活性酯基的氨基分解反應(yīng)；以及
·酶交聯(lián)。
下表中列出了其它生物墨水與活化劑組合的示例：
細(xì)胞墨
在本說(shuō)明書(shū)中，細(xì)胞墨是一種或多種類(lèi)型的分子或大分子的水溶液，在整個(gè)3d生物打印過(guò)程中，細(xì)胞將懸浮在其中并保持均勻地懸浮在其中。細(xì)胞墨的濃度被優(yōu)化以防止細(xì)胞沉降，但仍然保持高的細(xì)胞活力。
細(xì)胞墨可以選自：
·小分子，諸如，甘油
·大分子，諸如，ficolltm、葡聚糖、海藻酸鹽、結(jié)冷膠、甲基纖維素；以及聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。
ficolltm是一種中性、高度支化、高質(zhì)量、親水性多糖，易溶于水溶液。ficolltm半徑范圍為2-7nm，由多糖與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)來(lái)制備。ficolltm是gehealthcare公司擁有的注冊(cè)商標(biāo)。
所使用的細(xì)胞墨是溶解在pbs中的ficolltm400(10w/v％)。
具有分散的sk-n-be(2)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的細(xì)胞墨被稱(chēng)為含細(xì)胞的細(xì)胞墨。
結(jié)冷膠是一種用伊樂(lè)氏鞘氨醇單胞菌(原伊樂(lè)氏假單胞菌)制作的水溶性陰離子多糖。
細(xì)胞培養(yǎng)液
在本說(shuō)明書(shū)中，細(xì)胞培養(yǎng)液是與被培養(yǎng)的細(xì)胞接觸的液體，并適用于各種細(xì)胞相關(guān)的工作。制備過(guò)程包括仔細(xì)分析鹽和ph平衡，只加入了生物相容分子和滅菌。
細(xì)胞培養(yǎng)液中的一些包括：
·細(xì)胞培養(yǎng)基，諸如，dulbecco改良eagle培養(yǎng)基(dmem)、最小必需培養(yǎng)基(mem)、iscove改良dulbecco培養(yǎng)基(imdm)、培養(yǎng)基199、ham'sf10、ham'sf12、mccoy's5a和roswellparkmemorialinstitute(rpmi)培養(yǎng)基；
·生長(zhǎng)補(bǔ)充劑，諸如，胎牛血清(fcs)、表皮生長(zhǎng)因子(egf)、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bfbf)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fbf)、內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(ecgf)、胰島素樣生長(zhǎng)因子1(igf-1)和血小板衍生生長(zhǎng)因子(pdgf)；
·生物緩沖劑，諸如，pbs、hepes和ches；
·螯合和穩(wěn)定液；以及
·滅菌milliq水。
細(xì)胞培養(yǎng)條件
可以使用標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)來(lái)孵育、培養(yǎng)和維持細(xì)胞和3d組織結(jié)構(gòu)體模型。可以在允許或維持細(xì)胞生長(zhǎng)或球體形成的條件下孵育包含包封在水凝膠模具中的細(xì)胞的3d組織培養(yǎng)模型。對(duì)于大多數(shù)動(dòng)物和人細(xì)胞系，孵育通常在約37℃下在co2水平為5％時(shí)進(jìn)行至少24小時(shí)。應(yīng)該理解，孵育可以在允許水凝膠模具中的該類(lèi)型的一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞的生長(zhǎng)、維持或球體形成的任何合適的條件、溫度和持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行。
效用溶液(utilitysolution)
效用溶液被定義為不與細(xì)胞接觸但用于清潔和消毒暴露于細(xì)胞的生物打印機(jī)200的所有表面的溶液。換句話說(shuō)，效用溶液是可以被容納在筒232的清潔容器240中的清潔流體。這些溶液可以包括：
·正確濃度的乙醇；
·滅菌milliq水；
·細(xì)胞培養(yǎng)基；
·洗滌劑；以及
·過(guò)氧化氫溶液(2w/v％最大濃度)。
生物墨水的制備
最初，生物墨水是通過(guò)在適當(dāng)?shù)募?xì)胞培養(yǎng)液中混合適當(dāng)類(lèi)型和數(shù)量的大分子來(lái)制備的。在達(dá)到均質(zhì)后，經(jīng)由紫外線照射和過(guò)濾(0.22μm過(guò)濾器)對(duì)空白生物墨水進(jìn)行滅菌。然后，將生物墨水保持在4℃下，直到進(jìn)一步使用。
細(xì)胞的制備
通過(guò)用pbs洗滌來(lái)收集細(xì)胞。抽吸pbs。加入胰蛋白酶并在37℃下孵育，以使細(xì)胞從燒瓶表面分離出來(lái)。加入組織培養(yǎng)液，以將分離的細(xì)胞收集到試管中。對(duì)細(xì)胞進(jìn)行離心，抽吸上清液，將團(tuán)塊(pellet)再懸浮于新鮮培養(yǎng)基中。通過(guò)將等體積的細(xì)胞懸浮液與臺(tái)盼藍(lán)染色劑混合來(lái)執(zhí)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。執(zhí)行計(jì)算，以確定細(xì)胞濃度。然后，可以將所期望數(shù)量的細(xì)胞添加到生物墨水、細(xì)胞墨水或者添加到細(xì)胞培養(yǎng)液中。
活化劑的制備
將正確類(lèi)型和數(shù)量的分子溶解在適當(dāng)?shù)募?xì)胞培養(yǎng)液中。所得溶液在使用前經(jīng)由uv照射和過(guò)濾進(jìn)行滅菌。
細(xì)胞墨水的制備
將正確類(lèi)型和數(shù)量的分子溶解在適當(dāng)?shù)募?xì)胞培養(yǎng)液中。在達(dá)到均質(zhì)后，所得溶液在使用前經(jīng)由uv照射和過(guò)濾進(jìn)行滅菌。然后，將細(xì)胞墨水保持在室溫下，直到進(jìn)一步使用。
細(xì)胞收集
通過(guò)遵循已經(jīng)建立的協(xié)議，在一定匯合處收集被培養(yǎng)的所關(guān)注細(xì)胞。為了組成含有細(xì)胞的生物墨水或細(xì)胞墨水，將收集到的細(xì)胞以正確的細(xì)胞濃度再懸浮，以在200μl的生物墨水或細(xì)胞墨水中得到2.52億個(gè)細(xì)胞/毫升的濃度。然后，將所得的細(xì)胞團(tuán)塊重新分散在正確體積的生物墨水或細(xì)胞墨水中。然后，含有細(xì)胞的生物墨水或細(xì)胞墨水被準(zhǔn)備好，以供在3d生物打印機(jī)中使用。
水凝膠模具的打印
可以使用滴對(duì)滴工藝(drop-on-dropprocess)打印水凝膠模具，通過(guò)該工藝，生物墨水的液滴和活化劑的液滴被沉積在彼此的頂部上，以制作水凝膠?？梢灾貜?fù)該過(guò)程，并通過(guò)建立多層水凝膠來(lái)形成3d水凝膠結(jié)構(gòu)。
細(xì)胞類(lèi)型
諸如球體之類(lèi)的3d組織培養(yǎng)模型可以由包括以下的任何合適的細(xì)胞類(lèi)型制備：貼壁細(xì)胞如哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞，胃腸細(xì)胞、胰腺細(xì)胞、腎細(xì)胞、肺細(xì)胞、氣管細(xì)胞、血管細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、心臟細(xì)胞、皮膚細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、結(jié)締組織細(xì)胞、角膜細(xì)胞、泌尿生殖細(xì)胞、乳腺細(xì)胞、生殖細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、雪旺細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、骨細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、周細(xì)胞、間皮細(xì)胞、源自?xún)?nèi)分泌組織的細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、干細(xì)胞、祖細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、血細(xì)胞、內(nèi)胚層來(lái)源的細(xì)胞、外胚層來(lái)源的細(xì)胞、中胚層來(lái)源的細(xì)胞或其組合。
另外的細(xì)胞類(lèi)型可以包括其它真核細(xì)胞(例如，中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢)、細(xì)菌(例如，幽門(mén)螺桿菌)、真菌(例如，產(chǎn)黃青霉)和酵母(例如，釀酒酵母)。
細(xì)胞系sk-n-be(2)(神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞)已被成功地用于在一系列條件下制作3d組織培養(yǎng)模型的過(guò)程中。應(yīng)該理解，在通過(guò)所開(kāi)發(fā)的工藝制作的3d組織模型中，將預(yù)期其它細(xì)胞系將按需要工作。所使用的其它細(xì)胞系包括daoy(人髓母細(xì)胞瘤癌細(xì)胞)、h460(人非小肺癌)和p53r127h(人胰腺癌細(xì)胞)。其它可能合適的細(xì)胞系列在088和089上。
3d生物打印技術(shù)是經(jīng)由按需滴注技術(shù)開(kāi)發(fā)的，用于制作封裝在水凝膠模具中的高密度的3d組織培養(yǎng)模型。具體地，3d打印技術(shù)被用于使用生物墨水和活化劑打印生物相容的水凝膠模具，生物墨水和活化劑被以逐層的方式構(gòu)造，以制造各種3d結(jié)構(gòu)。在制造水凝膠模具期間，可以將高細(xì)胞密度的液滴包括在水凝膠模具中。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離如廣泛描述的本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對(duì)具體實(shí)施例中表示的本發(fā)明進(jìn)行眾多變化和/或修改。本發(fā)明實(shí)施例因此在所有方面都是作為例示性而非限制性考慮的。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明可以以許多其它形式來(lái)實(shí)施。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離廣義描述的技術(shù)的精神或范圍的情況下，可以對(duì)具體實(shí)施方式中示出的技術(shù)進(jìn)行眾多變化和/或修改。本發(fā)明實(shí)施例因此在所有方面都是作為例示性而非限制性考慮的。
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