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一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法

阅读：448发布：2021-04-04

专利汇可以提供一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法，一种人工器官的仿生构建方法，该人工器官包括人工器官薄壁、仿生血管微流道、细胞组织结构层和仿生细胞外基质，该人工器官的仿生构建方法如下：S1：医院图像扫描；S2：根据获取的扫描信息进行病理分析；S3：对构建参照STL模型和对比STL模型的进行模型分层处理；S4：将离散制成的切片数据输入到3D 生物打印机中；S5：3D打印；S6：器官培养环境建造。本发明还公开了实现该方法的3D打印设备。，下面是一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法，该人工器官包括人工器官薄壁、仿生血管微流道、细胞组织结构层和仿生细胞外基质，其特征在于，该人工器官的仿生构建方法如下：
S1：医院图像扫描，用于采集患者相应器官具体状况的图像信息，使用医院CT、MRI、B超等设备进行断层扫描，获取相应器官的断层信息，并且对扫描信息进行三维立体构建，使用医疗扫描设备，将患者的器官结构扫描出来，然后再根据患者的实际情况构建后期的模型；
S2：根据获取的扫描信息进行病理分析，用于分析病人器官的病理情况，使用MIMICS 软件建立患者器官STL模型即参照STL模型，同时构建正常器官的三维立体模型即对比STL模型；
S3：对构建参照STL模型和对比STL模型的进行模型分层处理，根据细胞本身结构、仿生学特性，利用计算机图像辅助技术对模型进行分层离散，制作成多个切片，并且细致设计叠加方式；
S4：将离散制成的切片数据输入到3D生物打印机中，使用生物活细胞和生物墨水进行打印，选择使用具有良好的生物活性、类似体内细胞的外基质环境，采用同轴打印的方法，把神经干细胞做成像线一样的细胞线，线的中心是神经干细胞，周围包裹着的则是神经的支撑细胞，首先构造仿人工器官薄壁以及生血管微流道，以仿生血管微流道为中心逐层构建细胞组织结构层，叠加粘合人工器官薄壁边缘位置后，添加内部仿生细胞外基质，缝合人工器官制造完毕；
S5：使用3D生物打印机，打印出参照细胞切片，打印过程中使用甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA)进行细胞之间的黏贴，最后黏贴形成完整的实体参照器官，同理打印出对比细胞切片，并且使用GelMA粘合成对比器官模型；
S6：器官培养环境建造，根据病患的实际需求构建生物环境，将对比器官和参照器官放置在培养基中保存培养，观察记录生理变化。
2.根据权利要求1所述的一种人工器官仿生构建方法，其特征在于，所述生物墨水由明胶和海藻酸钠组成，所述活细胞为从患者体内提取干细胞，原始干细胞保存在零下196度的液氮之中，后期使用的活细胞为通过干细胞分化出的活细胞。
3.根据权利要求2所述的一种人工器官仿生构建方法，其特征在于，所述参照器官和对比器官培养并观察1天至1个月不等，记录细胞的成活率、机械稳定性、功能性、仿生特性等生物特征，所述培养环境温度控制在37℃，使用无菌操作箱。
4.一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，其特征在于：所述3D打印设备，包括
3D生物打印机(6)，其特征在于，所述3D生物打印机(6)内安装有溶液箱(13)，所述3D生物打印机(6)内设置有滑动机构，所述滑动机构与3D生物打印机(6)的内壁滑动连接，所述滑动结构上安装有多个气缸(3)，所述气缸(3)的驱动端固定连接有伸缩轴(5)，多个所述伸缩轴(5)远离气缸(3)的一端固定连接有固定架(2)，所述固定架(2)内转动连接有第一滚珠丝杆(12)，所述第一滚珠丝杆(12)上滑动连接有打印驱动机(11)，所述打印驱动机(11)内安装有移动机构，所述打印驱动机(11)内设置有凝胶存储盒(24)、组织细胞存储盒(23)和干细胞存储盒(22)，所述凝胶存储盒(24)、组织细胞存储盒(23)和干细胞存储盒(22)的上端均连接有输入管(25)，所述凝胶存储盒(24)的下方连接有凝胶输出管(8)，所述组织细胞存储盒(23)的下方连接有组织细胞输出管(9)，所述干细胞存储盒(22)的下方连接有干细胞输出管(10)，所述溶液箱(13)内卡接有放置盒(18)，所述溶液箱(13)的两侧对称插设有溶液管(7)，所述溶液箱(13)的内壁上开设有导流槽(14)。
5.根据权利要求4所述的一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，其特征在于，所述滑动机构包括顶板(4)，所述顶板(4)的两侧对称固定连接有支撑轴(1)，所述支撑轴(1)的下端与3D生物打印机(6)底部内壁滑动连接，所述3D生物打印机(6)内对称安装有滑动电机(15)，所述滑动电机(15)的驱动端固定连接有第二滚珠丝杆(19)，两个所述支撑轴(1)的下端内安装有第二螺母(16)，所述第二螺母(16)套接在第二滚珠丝杆(19)上。
6.根据权利要求5所述的一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，其特征在于，所述移动机构包括一对第一螺母(31)，所述打印驱动机(11)内安装有移动电机(27)，所述移动电机(27)的驱动端固定连接有蜗杆(26)，两个所述第一螺母(31)的外侧开设有齿槽(32)，两个所述齿槽(32)啮合连接有齿轮(28)，两个所述齿轮(28)通过联动轴(29)固定连接，所述联动轴(29)上固定套接有蜗轮(30)，所述蜗轮(30)与蜗杆(26)啮合。
7.根据权利要求6所述的一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，其特征在于，所述溶液管(7)靠近溶液箱(13)的一端固定连接有挡板(21)，所述溶液管(7)的下侧开设有开口(20)。
8.根据权利要求7所述的一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，其特征在于，所述放置盒(18)上开设有卡槽(17)，所述放置盒(18)通过卡槽(17)与溶液箱(13)卡接，所述放置盒(18)为蜂窝状镂空结构。

说明书全文

一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及组织器官工程技术领域，尤其涉及一种人造心脏打印用3D打印设备以及人造心脏的仿生构建方法。

背景技术

[0002] 组织器官工程是利用细胞的培养技术在体外人工控制细胞分化、增殖并生长成需要的组织，并使之工程化批量产出，用来修补或修复由于意外损伤等引起的功能丧失的体
内组织，满足临床和康复的需要其中心脏作为人体中重要的器官之一，其一旦发生病变，无法挽回，心脏类的疾病对人们的健康生活是非常大的威胁。

[0003] 现代医学可以使用3D器官打印仪器，通过构建器官的三维计算机模型，利用三维打印技术，通过操纵细胞和生物墨水构造活性结构，组装出活性器官，但是一般的器官构造都只会制作单一的正常生物样本，但是患者本身损伤的器官与正常器官存在不同，直接对
患者进行活体器官移植，无法保证移植安全，没有参照组，实验或者操作结果存在单一性。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：一般的器官构造都只会制作单一的正常生物样本，没有参照组，实验或者操作结果存在单一性，而提出的一种人工器官的仿生构建方法及实现该方法的3D打印设备。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0006] 一种人工器官的仿生构建方法，该人工器官包括人工器官薄壁、仿生血管微流道、细胞组织结构层和仿生细胞外基质，该人工器官的仿生构建方法如下：

[0007] S1：医院图像扫描，用于采集患者相应器官具体状况的图像信息，使用医院CT、MRI、B超等设备进行断层扫描，获取相应器官的断层信息，并且对扫描信息进行三维立体构建，使用医疗扫描设备，将患者的器官结构扫描出来，然后再根据患者的实际情况构建后期的模型；

[0008] S2：根据获取的扫描信息进行病理分析，用于分析病人器官的病理情况，使用MIMICS 软件建立患者器官STL模型即参照STL模型，同时构建正常器官的三维立体模型即对
比STL模型；

[0009] S3：对构建参照STL模型和对比STL模型的进行模型分层处理，根据细胞本身结构、仿生学特性，利用计算机图像辅助技术对模型进行分层离散，制作成多个切片，并且细致设计叠加方式；

[0010] S4：将离散制成的切片数据输入到3D生物打印机中，使用生物活细胞和生物墨水进行打印，选择使用具有良好的生物活性、类似体内细胞的外基质环境，采用同轴打印的方法，把神经干细胞做成像线一样的细胞线，线的中心是神经干细胞，周围包裹着的则是神经的支撑细胞，首先构造仿人工器官薄壁以及生血管微流道，以仿生血管微流道为中心逐层
构建细胞组织结构层，叠加粘合人工器官薄壁边缘位置后，添加内部仿生细胞外基质，缝合人工器官制造完毕；

[0011] S5：使用3D生物打印机，打印出参照细胞切片，打印过程中使用甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA)进行细胞之间的黏贴，最后黏贴形成完整的实体参照器官，同理打印出对比细胞切片，并且使用GelMA粘合成对比器官模型；

[0012] S6：器官培养环境建造，根据病患的实际需求构建生物环境，将对比器官和参照器官放置在培养基中保存培养，观察记录生理变化。

[0013] 优选的，所述生物墨水由明胶和海藻酸钠组成，所述活细胞为从患者体内提取干细胞，原始干细胞保存在零下196度的液氮之中，后期使用的活细胞为通过干细胞分化出的活细胞。

[0014] 优选的，所述参照器官和对比器官培养并观察1天至1个月不等，记录细胞的成活率、机械稳定性、功能性、仿生特性等生物特征，所述培养环境温度控制在37℃，使用无菌操作箱。

[0015] 一种实现人工器官仿生构建方法的3D打印设备，所述3D打印设备，包括3D生物打印机，其特征在于，所述3D生物打印机内安装有溶液箱，所述3D生物打印机内设置有滑动机构，所述滑动机构与3D生物打印机的内壁滑动连接，所述滑动结构上安装有多个气缸，所述气缸的驱动端固定连接有伸缩轴，多个所述伸缩轴远离气缸的一端固定连接有固定架，所
述固定架内转动连接有第一滚珠丝杆，所述第一滚珠丝杆上滑动连接有打印驱动机，所述
打印驱动机内安装有移动机构，所述打印驱动机内设置有凝胶存储盒、组织细胞存储盒和
干细胞存储盒，所述凝胶存储盒、组织细胞存储盒和干细胞存储盒的上端均连接有输入管，所述凝胶存储盒的下方连接有凝胶输出管，所述组织细胞存储盒的下方连接有组织细胞输
出管，所述干细胞存储盒的下方连接有干细胞输出管，所述溶液箱内卡接有放置盒，所述溶液箱的两侧对称插设有溶液管，所述溶液箱的内壁上开设有导流槽。

[0016] 优选的，所述滑动机构包括顶板，所述顶板的两侧对称固定连接有支撑轴，所述支撑轴的下端与3D生物打印机底部内壁滑动连接，所述3D生物打印机内对称安装有滑动电机，所述滑动电机的驱动端固定连接有第二滚珠丝杆，两个所述支撑轴的下端内安装有第
二螺母，所述第二螺母套接在第二滚珠丝杆上。

[0017] 优选的，所述移动机构包括一对第一螺母，所述打印驱动机内安装有移动电机，所述移动电机的驱动端固定连接有蜗杆，两个所述第一螺母的外侧开设有齿槽，两个所述齿槽啮合连接有齿轮，两个所述齿轮通过联动轴固定连接，所述联动轴上固定套接有蜗轮，所述蜗轮与蜗杆啮合。

[0018] 优选的，所述溶液管靠近溶液箱的一端固定连接有挡板，所述溶液管的下侧开设有开口。

[0019] 优选的，所述放置盒上开设有卡槽，所述放置盒通过卡槽与溶液箱卡接，所述放置盒为蜂窝状镂空结构。

[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用明胶和海藻酸钠组成的生物墨水，可以通过温度控制生物打印的延迟性，便于打印后的细胞进一步发育以建立细胞彼此之间的通信，保证各个细胞相互之间连通；

[0021] 通过设计对照组，在培养的过程中保证进行观察，作为参照实验能够明确观察到病理变化，能够作为后期药物治疗的参照体，可以利用实验样本的多样性，做体外移植预实验，进一步保证实验安全。
附图说明

[0022] 图1为本发明提出的一种人工器官的仿生构建方法的流程图；

[0023] 图2为本发明提出的一种人工器官打印用3D打印设备的结构示意图；

[0024] 图3为本发明提出的一种人工器官打印用3D打印设备中打印驱动机的结构示意图；

[0025] 图4为本发明提出的一种人工器官打印用3D打印设备中移动机构的结构示意图；

[0026] 图5为图2中A处的结构示意图。

[0027] 图中：1支撑轴、2固定架、3气缸、4顶板、5伸缩轴、6 3D生物打印机、7溶液管、8凝胶输出管、9组织细胞输出管、10干细胞输出管、11打印驱动机、12第一滚珠丝杆、13溶液箱、14导流槽、15滑动电机、16第二螺母、17卡槽、18放置盒、19第二滚珠丝杆、20开口、21挡板、22干细胞存储盒、23组织细胞存储盒、24凝胶存储盒、25输入管、26蜗杆、27移动电机、28齿轮、29联动轴、30蜗轮、31第一螺母、32齿槽。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0029] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0030] 实施例1

[0031] 人工器官以人造心脏为例，参照图1-5，一种人工器官打印用3D打印设备，包括3D生物打印机6，3D生物打印机6内安装有溶液箱13，3D生物打印机6内设置有滑动机构，滑动机构与3D生物打印机6的内壁滑动连接，滑动结构上安装有多个气缸3，气缸3的驱动端固定连接有伸缩轴5，多个伸缩轴5远离气缸3的一端固定连接有固定架2，固定架2内转动连接有第一滚珠丝杆12，第一滚珠丝杆12上滑动连接有打印驱动机11，打印驱动机11内安装有移
动机构，打印驱动机11内设置有凝胶存储盒24、组织细胞存储盒23和干细胞存储盒22，凝胶存储盒24、组织细胞存储盒23和干细胞存储盒22的上端均连接有输入管25，凝胶存储盒24
的下方连接有凝胶输出管8，组织细胞存储盒23的下方连接有组织细胞输出管9，干细胞存
储盒22的下方连接有干细胞输出管10，溶液箱13内卡接有放置盒18，溶液箱13的两侧对称
插设有溶液管7，溶液箱13的内壁上开设有导流槽14。

[0032] 其中，滑动机构包括顶板4，顶板4的两侧对称固定连接有支撑轴1，支撑轴1的下端与3D生物打印机6底部内壁滑动连接，3D生物打印机6内对称安装有滑动电机15，滑动电机15的驱动端固定连接有第二滚珠丝杆19，两个支撑轴1的下端内安装有第二螺母16，第二螺母16套接在第二滚珠丝杆19上，当两个滑动电机15通过驱动端带动第二滚珠丝杆19转动的
时候，第二滚珠丝杆19的转动会实现第二螺母16相对第二滚珠丝杆19滑动，从而实现支撑
轴1的移动，支撑轴1通过顶板4带动整个打印驱动机11的移动，实现在水平面上一个轴向的移动；

[0033] 其中，移动机构包括一对第一螺母31，打印驱动机11内安装有移动电机27，移动电机27的驱动端固定连接有蜗杆26，两个第一螺母31的外侧开设有齿槽32，两个齿槽32啮合连接有齿轮28，两个齿轮28通过联动轴29固定连接，联动轴29上固定套接有蜗轮30，蜗轮30与蜗杆26啮合，移动电机27通过驱动端带动蜗杆26转动，蜗杆26与联动轴30啮合，联动轴30通过联动轴29带动两个移动电机28同步转动，移动电机28与齿槽32啮合，则移动电机28带
动联动轴31同步转动，联动轴31相对第一滚珠丝杆12转动，将回转运动转化为直线运动，实现打印驱动机11在水平面上另一个轴向的移动，则滑动机构与移动机构配合，可以在平面
上自由移动，实现层层的细胞打印。

[0034] 其中，溶液管7靠近溶液箱13的一端固定连接有挡板21，溶液管7的下侧开设有开口20，当生物墨水通过溶液管7输入到溶液箱13内的时候，由于挡板21的阻挡，使得生物墨水只能通过开口20输出，顺着导流槽14顺流而下，避免生物墨水在逐渐输出过程中的飞溅，影响心脏的打印，放置盒18上开设有卡槽17，放置盒18通过卡槽17与溶液箱13卡接，放置盒
18为蜂窝状镂空结构，卡槽17用以固定放置盒18，放置盒18为依照患者心脏轮廓扫描出来
的机构，为打印出来的心脏提供支撑结构，避免角度位置的倾斜，同时镂空的结构，保证心脏时刻浸泡在生物墨水之中，保证细胞的良好活性。

[0035] 本发明中，输入预设的心脏打印步骤，人工器官是一层层的细胞相互铺垫黏贴，最后通过人工器官薄壁缝合而成，在打印主体的时候，干细胞输出管10首先打印处主干神经，然后以主干神经为轴心使用组织细胞输出管9进行平铺，即在中心打印神经干细胞，在周边打印支撑细胞即组织细胞，首先构造仿人工心脏薄壁以及生血管微流道，以仿生血管微流道为中心逐层构建细胞组织结构层，细胞相互之间通过凝胶输出管8输出的凝胶进行粘合
固定，其中打印材料通过输入管25输入到各个凝胶存储盒24、组织细胞存储盒23和干细胞
存储盒22内，在打印的过程中，溶液管7内将会逐渐输入生物墨水，生物墨水始终浸泡着打印出来的组织，保证细胞的基本活性；

[0036] 由于是一层层的细胞铺垫而成，故而整个打印驱动机11需要具有三维空间自由活动的能力，则打印驱动机11上下移动依靠气缸3驱动伸缩轴5，实现固定架2以及打印驱动机
11的上下移动，滑动电机15驱动第二滚珠丝杆19转动，第二滚珠丝杆19通过第二螺母16实
现支撑轴1在水平面上一个轴向的移动，即打印驱动机11在水平面上该轴向的移动，移动电机27通过蜗杆26带动联动轴30转动，联动轴30通过联动轴29带动移动电机28转动，移动电
机28与齿槽32啮合，联动轴31的转动将会带动打印驱动机11相对第一滚珠丝杆12的移动，
继而实现打印驱动机11在水平面上另一个轴向的移动。

[0037] 一种人工器官的仿生构建方法，该人工心脏包括人工心脏薄壁、仿生血管微流道、细胞组织结构层和仿生细胞外基质，该人工心脏的仿生构建方法如下：

[0038] S1：医院图像扫描，采集患者相应器官(心脏)具体状况的图像信息，使用医院CT、MRI、B超等设备进行断层扫描，获取相应器官的断层信息，并且对扫描信息进行三维立体构建，使用医疗扫描设备，将患者的器官结构扫描出来，然后再根据患者的实际情况构建后期的模型；

[0039] S2：根据获取的扫描信息进行病理分析，分析病人器官的病理情况，使用MIMICS软件建立患者器官STL模型即参照STL模型，同时构建正常器官的三维立体模型即对比STL模型，虽然人体器官大体一致，但是个人的具体生理状况存在差异，需要根据患者的自身需求构建相应的正常STL模型，同时还需要保留患者现有状态下的STL模型作为对比；

[0040] S3：对构建参照STL模型和对比STL模型的进行模型分层处理，根据细胞本身结构、仿生学特性，利用计算机图像辅助技术对模型进行分层离散，对细胞的种类、细胞组织结构层次、细胞的形状、细胞年龄、细胞的遗传信息等均进行生物分析，制作成多个切片，并且细致设计叠加方式，3D生物打印技术，是通过倒退的拼接方式进行整合，故而首先需要将器官内有组织进行细致的离散以及分析，并且制定细致的叠加粘合方式；

[0041] S4：将离散制成的切片数据输入到3D生物打印机中，使用生物活细胞和生物墨水进行打印，选择使用具有良好的生物活性、类似体内细胞的外基质环境，如明胶和海藻酸钠组成的生物墨水，这种生物墨水具有随温度而变化的特性，可以通过温度控制生物打印的
延迟性，便于打印后的细胞进一步发育，以建立细胞彼此之间的通信，采用同轴打印的方
法，把神经干细胞做成像线一样的细胞线，线的中心是神经干细胞，周围包裹着的则是神经的支撑细胞，使得这些细胞能够不断地产生着营养因子，同轴打印的方式，即在中心打印神经干细胞，在周边打印支撑细胞，首先构造仿人工心脏薄壁以及生血管微流道，以仿生血管微流道为中心逐层构建细胞组织结构层，叠加粘合人工心脏薄壁边缘位置后，添加内部仿
生细胞外基质，缝合人工心脏制造完毕，同轴打印的方式，然后将条索包裹起来，这种状态下纤维束细胞的存活率相当高，而且也在一定程度上释放出了神经生长因子；

[0042] S5：使用3D生物打印机，打印出参照细胞切片，打印过程中使用甲基丙烯酸化水凝胶(GelMA)进行细胞之间的黏贴，细胞在GelMA里可以增殖伸展并迁移，最后黏贴形成完整的实体参照器官，同理打印出对比细胞切片，并且使用GelMA粘合成对比器官模型，3D生物打印机使用活细胞一层层铺垫，一层层的细胞相互之间通过GelMA进行粘合，才能拼接成一个完整的器官结构；

[0043] S6：器官培养环境建造，根据病患的实际需求构建生物环境，将对比器官和参照器官放置在培养基中保存培养，观察记录生理变化。

[0044] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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