一种喷墨打印凝胶微球的装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于凝胶微球打印技术领域，具体涉及一种喷墨打印凝胶微球的装置。


背景技术：

[0002]
凝胶微球是指直径在微米级的球形凝胶体。近些年来，封装了细胞、生长因子、药物的凝胶微球被广泛的用于组织工程、生物传感器、癌症模型和药物控制释放的研究。主要是因为凝胶微球相比于其他相同体积的凝胶结构具有更大的表面积，有利于凝胶微球内部与外界进行物质交换，有利于封装在凝胶微球中的细胞从外部获取生长所需的氧气、营养物质，排泄产生的废物。在载药研究方面，凝胶微球尺寸的大小和尺寸的均匀性严重影响胶囊化合物的给药途径、生物分布和释放速率。在凝胶微球构建三维组织方面，凝胶颗粒的直径对细胞的生长有直接影响，针对多种细胞和细胞外基质组成的异质性复杂组织，要求必须实现具有物质浓度梯度和尺寸梯度的凝胶微球的制造。所以要求凝胶微球的制造装置必须可以精确的控制凝胶微球的尺寸、形状，同时可以实现具有物质浓度梯度和尺寸梯度的凝胶微球的制造。
[0003]
目前的凝胶微球的制造方法主要有机械搅拌法、超声法、膜乳化法和喷射冷凝法。机械搅拌法和超声法处理量小，无法用于大规模生产。膜乳化法对设备要求较高，操作条件不易控制。喷射冷凝法虽然具有一定的制造效率，但是无法实现对凝胶微球形状尺寸的控制。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种喷墨打印凝胶微球的装置，制造效率高、操作简便、能够精确控制凝胶微球成型。
[0005]
为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
[0006]
一种喷墨打印凝胶微球的装置，包括计算机、三维运动系统、第一墨盒、第二墨盒、第一多喷孔压电喷头和第二多喷孔压电喷头；所述第一墨盒和所述第二墨盒设置在加压装置内，所述加压装置用于给所述第一墨盒和所述第二墨盒的提供出液压力；所述第一多喷孔压电喷头与所述第一墨盒的出液口连通，所述第二多喷孔压电喷头与所述第二墨盒的出液口连通，所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头安装在所述三维运动系统上；所述计算机分别与所述三维运动系统、所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头电连接；所述计算机用于控制所述三维运动系统运动，还用于控制所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头喷墨。
[0007]
进一步地，所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头安装在喷头夹具上，所述喷头夹具安装在所述三维运动系统上。
[0008]
进一步地，所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头分别具有100～1000个喷孔，每个喷孔的内径为10μm～500μm。
[0009]
进一步地，所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头的驱动电压频率为100hz～40000hz。
[0010]
进一步地，所述加压装置的压力调节范围为-100kpa～100kpa，调节精度为0.1kpa。
[0011]
进一步地，以空间直角坐标系o-xyz为参考，所述三维运动系统在ox方向、oy方向和oz方向的运动范围均不小于200mm。
[0012]
进一步地，所述三维运动系统在ox方向、oy方向和oz方向的运动分辨率不大于1μm。
[0013]
进一步地，所述计算机用于控制所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动电压频率。
[0014]
进一步地，还包括基板，所述基板位于所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头下方位置，所述基板用于承接凝胶微球。
[0015]
进一步地，所述第一多喷孔压电喷头和所述第二多喷孔压电喷头与所述基板之间的距离为1mm～3mm。
[0016]
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型提供的一种喷墨打印凝胶微球的装置，在具体操作时，通过两个多喷孔压电喷头的两排喷嘴喷射两种交联的溶液制造凝胶微球，两排喷嘴每秒最多可以制造4000万个凝胶微球，相比以往的凝胶微球制造方式，效率显著提高。通过两种材料在基板上交联制造凝胶微球，由于两个喷头喷射的两种相互交联的溶液液滴形状和体积具有较高的稳定性，成型的凝胶微球均为形状规则的球形，且凝胶微球尺寸均匀。也就是说，通过两个多喷孔压电喷头分别喷射相互交联的两种材料溶液，两种溶液液滴在基板上反应形成凝胶微球，多喷孔压电喷头有成百上千个喷孔，喷孔通过最高40000hz的频率打印时，每秒最多可以制造数千万个凝胶微球，并且微球的制造效率可以通过控制使用的喷孔数和打印的频率实现无极调节。另外，凝胶微球的形状和尺寸完全可以通过控制打印电压的波形、幅值和频率进行控制，在打印参数固定的情况下可以实现形状、尺寸均匀的凝胶微球打印，控制打印参数变化可以实现浓度梯度和尺寸梯度的凝胶微球的制造。本实用新型可以高效、高精度的制造形状均一或梯度变化的凝胶微球，且操作简单，节约材料。
[0017]
进一步地，将第一多喷孔压电喷头和第二多喷孔压电喷头安装在喷头夹具上，再将喷头夹具安装在三维运动系统上，安装方便，便于操作。
[0018]
进一步地，加压装置的压力调节范围为-100kpa～100kpa，调节精度为0.1kpa。加压装置压力调节范围广，可以为不同流变特性的墨水提供所需的供墨压力，同时通过精准的调节供墨的正负压，为墨水的打印提供合适的压力，压力的精准、稳定控制对成型凝胶微球形状、尺寸的稳定性至关重要。
[0019]
进一步地，三维运动系统在ox方向、oy方向和oz方向的运动范围均不小于200mm，三维运动系统在ox方向、oy方向和oz方向的运动分辨率不大于1μm，较大的打印范围可以保证一次可以打印较多的凝胶微球，运动分辨率不大于1μm才可能保证两个墨滴能精准喷射到同一位置。
[0020]
进一步地，第一多喷孔压电喷头和第二多喷孔压电喷头与基板之间的距离为1mm～3mm，喷头与基板的间距控制在1mm～3mm，一方面可以避免喷头与基板接触影响凝胶微球
的成形，另一方面可以减小墨滴喷射过程中空气扰动对凝胶成型的不利影响。
[0021]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1为本实用新型一种喷墨打印凝胶微球的装置的结构示意图；
[0024]
图2为图1中a处的局部放大图；
[0025]
图3本实用新型实例一中凝胶微球的倒置显微镜明场图片；
[0026]
图4本实用新型实例二中凝胶微球的倒置显微镜明场图片。
[0027]
1-计算机；2-三维运动系统；3-第一墨盒；4-第二墨盒；5-第一多喷孔压电喷头；6-第二多喷孔压电喷头；7-加压装置；8-喷头夹具；9-基板；10-凝胶微球。
具体实施方式
[0028]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0029]
作为本实用新型的某一具体实施方式，如图1所示，一种喷墨打印凝胶微球的装置，包括计算机1、三维运动系统2、第一墨盒3、第二墨盒4、第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6。第一墨盒3和第二墨盒4设置在加压装置7内，加压装置7用于给第一墨盒3和第二墨盒4的提供出液压力，加压装置7的压力调节范围为-100kpa～100kpa，调节精度0.1kpa。
[0030]
第一多喷孔压电喷头5与第一墨盒3的出液口连通，第二多喷孔压电喷头6与第二墨盒4的出液口连通，第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6安装在喷头夹具8上，喷头夹具8安装在三维运动系统2上。第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6不必为相同型号的喷头，第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6分别具有100～1000个喷孔，每个喷孔的内径为10μm～500μm，第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的驱动电压频率为100hz～40000hz。
[0031]
优选的，在第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的下方位置设置有基板9，第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6与基板9之间的距离为1mm～3mm，基板9用于承接凝胶微球。
[0032]
以空间直角坐标系o-xyz为参考，三维运动系统2在ox方向、oy方向和oz方向的运动范围均不小于200mm，三维运动系统2在ox方向、oy方向和oz方向的运动分辨率不大于1μm。也就是说，三维运动系统2的运动范围不小于200mm
×
200mm
×
200mm，在每个坐标方向的运动分辨率不大于1μm。
[0033]
计算机1分别与三维运动系统2、第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6电连接。通过安装在计算机上的打印控制软件控制三维运动系统2运动，以及控制第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6喷墨，通过打印的方式将凝胶微球打印到基板9上。具体的说，计算机1上的打印控制软件可以分别调节第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动电压频率。优选的，打印控制软件还可以调节第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6之间的喷射误差补偿距离。
[0034]
采用本实用新型的喷墨打印凝胶微球的装置进行凝胶微球的打印，打印方法如下：
[0035]
步骤1：根据要打印的凝胶微球，制备相互交联的两种溶液，即第一溶液和第二溶液，两种相互交联的溶液混合在一起可以快速发生交联反应形成水凝胶，细胞或药物被加入到至少一种溶液中。第一溶液和第二溶液的流变特性需要满足喷墨打印的要求，即z值介于1和10之间，z值为γρα/η，其中ρ、γ、η分别为溶液的密度、表面张力和粘度，其中α为喷孔的直径。测量第一溶液和第二溶液的密度、粘度和表面张力，计算墨水z值，z值满足要求方可进行凝胶微球打印。优选的，第一溶液和第二溶液的粘度均为1mpa
·
s～20mpa
·
s，表面张力均为20mn/m～65mn/m，第一溶液和第二溶液中的颗粒物直径小于1/10喷孔内径，溶液须经过无菌化处理，且在无菌环境贮存，溶液制备完成到使用间隔小于24小时。
[0036]
步骤2：将整个打印装置紫外辐照30分钟以上，管路和喷头灌入70％酒精，静置5分钟以上，之后将酒精冲洗干净，并使用无菌去离子水冲刷管路。将第一溶液加入第一墨盒3中，将第二溶液加入第二墨盒4中，通过控制加压装置7调节供液压力，将第一溶液和第二溶液分别压至第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的喷孔处。优选的，当溶液可以从第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的每一个喷孔流出，且管路中没有气泡时调节供墨压力到平衡值，即保证第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的喷孔处溶液不会汇聚成滴也不会倒吸，保证最佳的溶液喷射弯液面。
[0037]
需要注意的是，上述所有操作需在百级洁净空间内进行，操作人员需佩戴无菌手套、口罩。
[0038]
步骤3：设定打印参数：喷头基板间距、电压幅值、打印频率。凝胶微球打印的所有参数通过计算机1上的打印控制软件进行调节。根据打印的效率需求设置工作喷孔数和打印频率，根据需要打印的凝胶微球的直径(直径值在打印范围内)设置打印的电压幅值、波形。设置喷头运动速度，避免相邻的凝胶微球粘结在一起影响凝胶微球的成形精度。之后在打印控制软件输入凝胶微球的分布图，点击打印后，凝胶微球10可以自动打印到基板9上，如图2所示。优选的，打印参数中喷头与基板间距范围为1mm～3mm，打印频率设定范围为200hz～5000hz，且打印频率须小于打印速度与凝胶微球直径的比值，打印电压幅值设定范围为80v～120v。
[0039]
对于打印具有直径梯度的凝胶微球，可以通过计算机1上的打印控制软件调节电压的幅值和波形，打印到基板9上的凝胶微球直径就会发生梯度变化。对于打印具有材料浓度梯度的凝胶微球，可以通过计算机1上的打印控制软件调节第一多喷孔压电喷头5和第二多喷孔压电喷头6的喷射频率处于不同的比值，凝胶微球中的材料浓度就会呈现梯度变化。
[0040]
打印凝胶微球到无菌培养皿中，在显微镜观察凝胶微球成型效果。
[0041]
本实用新型通过两个多喷孔压电喷头打印相互交联的两种溶液，制造凝胶微球，
并且通过调节打印工艺参数实现对凝胶微球成型的控制。
[0042]
本实用新型提供的凝胶微球打印方法无需复杂的操作，只需要配置好合适的双组分溶液，设置好打印参数，点击打印后凝胶微球就会自动制造出来，本实用新型提供的方法操作简单、自动化程度高，适合凝胶微球的产业化应用。本实用新型提供的凝胶微球制造方法，两种溶液在基板上会充分发生反应，配置的溶液得到充分的利用，避免了打印过程中材料的浪费，本实用新型的凝胶微球制造方法更加经济。相比以往的凝胶微球制造方式，该方法制造步骤更加简单，效率显著提高，打印的材料得到充分的利用，且自动化的打印更有利于进一步推广应用。
[0043]
下面结合具体的实施例，对本实用新型做更加详细的解释说明。
[0044]
实施例一
[0045]
双组分溶液分别为4％(w/v)海藻酸钠dpbs水溶液和4％(w/v)氯化钙去离子水溶液，两种溶液的制备方法为：
[0046]
室温下，将16g海藻酸钠a0682粉末溶于400ml dpbs水溶液中，以400r/min转速磁力搅拌12h，制备浓度为4％(w/v)的海藻酸钠dpbs水溶液。将配置好的海藻酸钠溶液放入立式压力蒸汽灭菌器中加热到125℃，维持25min。待溶液冷却至室温后使用孔径为1μm的滤膜对进行抽滤。
[0047]
室温下，将16g氯化钙粉末溶于400ml去离子水中，以200r/min速度磁力搅拌30min。随后在氯化钙水溶液中加入0.01％(v/v)含氟非离子表面活性剂fc～4430，以200r/min速度磁力搅拌30min。最后采用1μm的滤膜对溶液进行抽滤。
[0048]
随后测量海藻酸钠溶液和氯化钙溶液的粘度和表面张力，根据溶液粘度、溶液表面张力、溶液密度、喷嘴直径计算溶液的奥内佐格数。当溶液的粘度在1mpa
·
s～20mpa
·
s范围内，表面张力在20mn/m～65mn/m范围内，奥内佐格数在0.1～1范围(z值为奥内左格数的倒数，即z值介于1和10之间)内方可进行打印。两种溶液须经过0.22μm无菌滤嘴过滤，之后在无菌环境贮存，溶液制备完成到使用间隔小于24小时。
[0049]
使用紫外辐照打印装置的管路和喷头30分钟，管路和喷头灌入70％酒精，静置5分钟，之后将酒精冲洗干净，并使用无菌去离子水冲刷管路。将4％(w/v)海藻酸钠dpbs水溶液和4％(w/v)氯化钙去离子水溶液分别加入到供液模块的墨盒a和墨盒b中，调节供液压力，使两种溶液分别从压电喷头a和压电喷头b流出，用两个无菌眼镜布分别擦拭掉两排喷嘴出多余的溶液，调节供液压力，并保证最佳的溶液喷射弯液面，即溶液不在喷嘴汇聚成滴也不倒吸；所有操作需在百级洁净空间内进行，操作人员需佩戴无菌手套、口罩。
[0050]
控制喷头运动，调节喷头基板间距为2mm，在计算机上的打印控制软件界面上设定打印频率为500hz，打印电压幅值为80v。
[0051]
在打印基板上，喷头正下方放置一个无菌培养皿中，点击打印控制软件开始打印，将打印好的凝胶微球在倒置荧光显微镜下观察，凝胶微球成型效果凝胶微球的倒置显微镜明场图片如图3所示，打印的凝胶微球形状规则，尺寸均匀。
[0052]
实施例二
[0053]
双组分溶液分别为3％(w/v)海藻酸钠dpbs水溶液和2％(w/v)氯化钙去离子水溶液，两种溶液的制备方法为：
[0054]
室温下，将12g海藻酸钠a0682粉末溶于400ml dpbs水溶液中，以400r/min转速磁
力搅拌8h，制备浓度为3％(w/v)的海藻酸钠dpbs水溶液。将配置好的海藻酸钠溶液放入立式压力蒸汽灭菌器中加热到125℃，维持25min。待溶液冷却至室温后使用孔径为1μm的滤膜对进行抽滤。
[0055]
室温下，将8g氯化钙粉末溶于400ml去离子水中，以200r/min速度磁力搅拌30min。随后在氯化钙水溶液中加入0.01％(v/v)含氟非离子表面活性剂fc～4430，以200r/min速度磁力搅拌30min。最后采用1μm的滤膜对溶液进行抽滤。
[0056]
随后测量海藻酸钠溶液和氯化钙溶液的粘度和表面张力，根据溶液粘度、溶液表面张力、溶液密度、喷嘴直径计算的奥内佐格数。当溶液的粘度在1mpa
·
s～20mpa
·
s范围内，表面张力在20mn/m～65mn/m范围内，奥内佐格数在0.1～1范围内方可进行打印。两种溶液须经过0.22μm无菌滤嘴过滤，之后在无菌环境贮存，溶液制备完成到使用间隔小于24小时。
[0057]
使用紫外辐照打印装置的管路和喷头30分钟，管路和喷头灌入70％酒精，静置5分钟，之后将酒精冲洗干净，并使用无菌去离子水冲刷管路。将3％(w/v)海藻酸钠dpbs水溶液和2％(w/v)氯化钙去离子水溶液分别加入到供液模块的墨盒a和墨盒b中，调节供液压力，使两种溶液分别从压电喷头a和压电喷头b流出，用两个无菌眼镜布分别擦拭掉两排喷嘴出多余的溶液，调节供液压力，并保证最佳的溶液喷射弯液面，即溶液不在喷嘴汇聚成滴也不倒吸；所有操作需在百级洁净空间内进行，操作人员需佩戴无菌手套、口罩。
[0058]
控制喷头运动，调节喷头基板间距为2mm，在计算机上的打印控制软件界面上设定打印频率为1000hz，打印电压幅值为100v。
[0059]
在打印基板上，喷头正下方放置一个无菌培养皿中，点击打印控制软件开始打印，将打印好的凝胶微球在倒置荧光显微镜下观察，凝胶微球成型效果凝胶微球的倒置显微镜明场图片如图4所示，打印的凝胶微球形状规则，尺寸均匀。
[0060]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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