Устройство трёхмерной биопечати Рулонный Пористый Скаффолд Российский патент 2025 года по МПК B41F17/00 B33Y30/00 

Изобретение относится к тканевой инженерии, биотехнологиям и биомедицине для биопечати микробиологическими объектами, создания трехмерных многослойных биологических тканей и органов с высокой плотностью и точностью. В предлагаемом устройстве послойного изготовления трехмерных биообъекто, ткани и органы для инкубации формируют, согласно трехмерной САПР модели, с помощью системы наполнения различными типами клеток пористой ленты скаффолда через головки струйных принтеров в процессе ее перематывания из рулона в рулон с разделением слоев под контролем систем сматывания, наматывания и наполнения.

Известны биопринтеры, использующие неподвижный лазерный луч и перемещаемую донорную пластинку с биообъектами с помощью шаговых двигателей. (Guillemot F., Souquet A., Catros S., Guillotin В., Lopez J., Faucon M., Pippenger В., Bareille R., M., Bellance S., Chabassier P., Fricain J.C., Amedee J. High-throughput laser printing of cells and biomaterials for tissue engineering // Acta Biomater. Acta Materialia Inc., - 2010. -Vol.6 - №7. - P. 2494-2500). Основными недостатками этого устройства являются низкая точность позиционирования и недостаточная производительность, связанные с использованием для перемещения шаговых двигателей.

Известно устройство для биопечати с высокой производительностью благодаря применению гальваносканирующей головки для перемещения лазерного луча по поверхности донорной подложки и системы трехмерного позиционирования (Юсупов В.И., Жигарьков B.C., Чурбанова Е.С, Чутко Е.А., Евлашин С.А., Горленко М.В., Чепцов B.C. Минаев Н.В., Баграташвили В.Н. "Лазероиндуцированный перенос гелевых микрокапель для клеточной печати" // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. №12. С. 1158-1165). Основным недостатком известного устройства является его недостаточная стерильность, невозможность точного позиционирования лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке.

Известны устройства для биопечати, использующие принцип капельной струйной печати (патент RU 2558290, МПК С12М 3/00, опубл. 27.07.2015). Основным недостатком таких устройств являются низкая точность позиционирования и производительность, недостаточный диапазон размеров микрокапель и наличие эффекта сопла, негативно влияющего на выживаемость живых систем.

Недостатками представленных выше устройств являются большие затраты материала, возможность образования излишков питательной среды на приемной поверхности, что может препятствовать расчетному встраиванию одиночных тканевых сфероидов. Не все типы клеток способны сформировать большой сфероид и с увеличением его размеров вероятность живых клеток в центре уменьшается. Низкая скорость биопечати и точность, разрушения сфероидов при трении, слабые механические свойства получаемых конструкций, искажения из-за реологических особенностей гелевой среды.

Технический результат изобретения в увеличении скорости, множества одновременно используемых типов клеток, точности и прочности формирования тканей и органов при уменьшении стоимости.

Технический результат достигается тем, что объект для инкубации формируют, согласно его трехмерной САПР модели, с помощью системы наполнения различными типами клеток помещаемых в водорастворимую пористую ленту скаффолд, в процессе ее перематывания из рулона в рулон, под контролем систем сматывания, наматывания и удерживаемых разделительной пористой лентой.

Системы сматывания и наматывания пористой ленты скаффолда контролируют ее равномерное натяжение, боковое выравнивание, скорости вращения рулонов при разгоне, намотке и замедлении, исключая скольжение.

Система наполнения пористой ленты скаффолда клетками содержит собственные неподвижные головки струйных принтеров для каждого их вида, установленные по всей ее ширине, механизм контроля точности и корректировки, вакуумное устройство и емкость для удаления избыточной жидкости.

Система контроля наполнения клетками управляет скоростью перематывания поддерживающей пористой ленты скаффолда.

После помещения необходимых клеток соответствующих трехмерной САПР модели формируемой ткани, органа в пористую ленту скаффолд к ним добавляется питательная жидкость и водорастворимый пористый разделительный слой, а фильтрующий слой наматывается в отдельный рулон. Полностью сформированный объект внутри рулона пористой ленты скаффолда готов для инкубации.

Фигура показывает схему устройства изобретения: 1 - незаполненный рулон пористой ленты скаффолда, 2 - заполненный клетками рулон пористой ленты скаффолда, 3-4 направляющие, натяжные, тянущие валики, 5 - система контроля сматывания, наматывания и натяжения, 6 - система наполнения ленты различными типами клеток, 7 - дренажная система, 8 - система учета позиционирования клеток, 9 - рулон водорастворимой разделительной пористой ленты, 10 - рулон фильтрирующего слоя, 11 - система учета совмещения слоев, 12 - емкость питательной жидкости, 13 - устройство создания вакуума, 14 - емкость избыточной воды, 15 - общая синхронизирующая система.

Устройство работает следующим образом. Пористая лента скаффолд перематывается из рулона 1 в рулон 2 с помощью направляющих, натяжных, тянущих валиков 3, 4 и системы контроля натяжения и протягивания 5. В процессе перемотки пористая лента скаффолд заполняется с помощью системы наполнения различными типами клеток 6 в соответствии с САПР моделью. Избыточная жидкость удаляется дренажной системой 7 с помощью устройства создания вакуума 13 в емкость 14. Когда поры ленты скаффолда заполнены клетками к ним добавляется питательная жидкость из емкости 12 и водорастворимая разделительная пористая лента из рулона 9. Фильтрирующий слой наматывается в рулон 10. Точность наматывания контролируется системами учета позиционирования клеток 8 и совмещения слоев 11 под управлением общей синхронизирующей системы 15.

Предложенное устройство трехмерной биопечати позволяет создавать устойчивые многослойные биоконструкции согласно САПР модели множеством типов клеток одновременно.

Полезная модель относится к области медицины, в частности к биомедицине, и может быть использована в органной имплантации и тканевой инженерии для реконструкции дефектов мягких тканей. Недостатками известных устройств являются большие затраты материала, возможность образования излишков питательной среды на приемной поверхности, что может препятствовать расчетному встраиванию одиночных тканевых сфероидов. Не все типы клеток способны сформировать большой сфероид и с увеличением его размеров вероятность живых клеток в центре уменьшается. Низкая скорость биопечати и точность разрушения сфероидов при трении, слабые механические свойства получаемых конструкций, искажения из-за реологических особенностей гелевой среды. Технический результат - в увеличении скорости, множества одновременно используемых типов клеток, точности и прочности формирования тканей и органов при уменьшении стоимости. Полезная модель устройства послойного изготовления трехмерных биообъектов, в котором ткани и органы для инкубации формируют, согласно трехмерной САПР модели, с помощью головок струйных принтеров, дополнительно содержит пористую ленту скаффолд для формирования трехмерного биообъекта из слоев заполненных клетками, размещенную с возможностью ее перемотки из рулона в рулон при помощи протягивающих валиков, систему контроля сматывания, наматывания и натяжения, выполненную с возможностью намотки водорастворимой разделительной пористой ленты и фильтрирующего слоя, систему наполнения ленты различными типами клеток, дренажную систему, систему учета позиционирования клеток, систему учета совмещения слоев, емкость питательной жидкости, устройство создания вакуума, емкость избыточной воды, общую синхронизирующую систему. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для трехмерной биопечати, снабженное головками струйных принтеров, отличающееся тем, что дополнительно содержит пористую ленту скаффолд для формирования трехмерного биообъекта из слоев заполненных клетками, размещенную с возможностью ее перемотки из рулона (1) в рулон (2) при помощи протягивающих валиков (3) и (4), систему контроля сматывания, наматывания и натяжения (5), выполненную с возможностью намотки водорастворимой разделительной пористой ленты (9) и фильтрирующего слоя (10), систему наполнения ленты различными типами клеток (6), дренажную систему (7), систему учета позиционирования клеток (8), систему учета совмещения слоев (11), емкость питательной жидкости (12), устройство создания вакуума (13), емкость избыточной воды (14), общую синхронизирующую систему (15).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что синхронизирующая система (15) выполнена с возможностью управления системой контроля сматывания, наматывания, и натяжения (5), и наполнения ленты различными типами клеток (6) с помощью систем учета позиционирования (8) и системы учета совмещения слоев (11).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система контроля сматывания, наматывания и натяжения (5) пористой ленты скаффолда, водорастворимой разделительной пористой ленты (9), фильтрирующего слоя (10) выполнена с возможностью их равномерного натяжения, бокового выравнивания, контролирования скорости вращения рулонов (1) и (2) при разгоне, намотке с постоянной скоростью и замедлении, исключая скольжение.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система наполнения ленты различными типами клеток (6) содержит механизм поддержки их температур, неподвижные головки струйных принтеров для каждого вида клеток, установленные по всей ширине перематываемой пористой ленты скаффолда, емкость питательной жидкости (12).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дренажная система (7) выполнена с использованием устройства создания вакуума (13) и емкости для избыточной воды (14).

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система учета позиционирования клеток (8) выполнена с возможностью контроля и корректировки размещения клеток в поддерживающей пористой ленте скаффолде.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система учета совмещения слоев (11) выполнена с возможностью контроля продолжительности требуемых температур, давления необходимых газов в наматываемом рулоне (2) и толщины наматываемого на него слоя.