李生杰,顏永年,王小紅,張 婷,張人佶,林 峰

(清華大學機械工程系/先進成形制造教育部重點實驗室,北京 100084)

細胞受控組裝技術[1]是制造學的快速成形技術[2]融入醫(yī)學的組織工程[3]中產(chǎn)生的一次重要技術革新,旨在通過特定的工藝和設備,在數(shù)字模型的驅動下,將活的細胞和外基質材料沉積在不同的空間位置,最終構建出形態(tài)結構上接近于真實組織器官的結構體,以用于人體受損組織器官的修復和治療。

近10年誕生了細胞打印[4]、細胞直接三維受控組裝[1]、三維生物組裝[5]、三維光繪圖[6]、立體光刻[7]等諸多工藝,但這些工藝目前只能操作單種成分的細胞和材料,構建較為簡單的結構體;而多數(shù)組織器官是復雜的,含有大量的不同種細胞以及細胞外基質,具有特別空間分布的三維結構。因此,實現(xiàn)不同細胞的空間定位沉積的多種細胞受控組裝[8],是發(fā)展的必然趨勢。

基于多噴頭切換進行細胞受控組裝,是多種細胞受控組裝的重要方法。這一過程,多噴頭之間的切換動作十分頻繁,噴頭的啟停響應對成形質量具有顯著的影響。具體而言,啟動噴頭時,如果不能迅速擠出材料,則發(fā)生響應延遲;關閉噴頭時,如果材料繼續(xù)流出,則發(fā)生流涎。必須對此加以控制,以保證不同細胞組成的精確空間結構。本文通過構建相應的試驗系統(tǒng),對典型的組裝過程進行響應分析和試驗,最終從工藝和控制的角度加以改進,以解決多種細胞受控組裝中的響應控制問題。

1 試驗組裝系統(tǒng)的構建

1.1 試驗系統(tǒng)整體組成

以明膠為代表的天然高分子是細胞受控組裝技術常用的外基質材料,與細胞共混后形成的液態(tài)水溶膠,可經(jīng)過降溫過程轉變?yōu)楣虘B(tài)的水凝膠。這一過程可耦合入離散-堆積的快速成形過程,實現(xiàn)細胞受控組裝。這一原理可應用于多種不同細胞的同時組裝成形,基于此特點,構建了多噴頭細胞組裝成形試驗系統(tǒng)。

成形試驗系統(tǒng)如圖1所示,包括:①成形室單元,內有制冷元件和無菌的成形平臺;②溫控模塊,對成形室的溫度進行監(jiān)測和調控;③三維數(shù)控運動系統(tǒng),包括驅動噴頭的X-Y平面定位和驅動成形平臺的Z軸定位;④多噴頭單元,用于多種細胞的擠出沉積。

圖1 多噴頭細胞受控組裝的成形試驗系統(tǒng)圖

試驗系統(tǒng)的控制軟件將讀入細胞結構體的CLI加工文件,轉換為加工數(shù)據(jù)鏈表,經(jīng)造型編譯,輸出數(shù)控運動系統(tǒng)的命令流,驅動成形系統(tǒng)動作。

1.2 基于擠出成形的并聯(lián)多噴頭單元

由于明膠基天然高分子水溶膠的粘度較高,較適合于擠出成形,所達到的離散精度(即擠出成絲的線寬)可在100～500μm之間。以明膠基天然高分子為基質的細胞擠出采用容積驅動,此方法可保證較低的細胞損傷率。單噴頭單元如圖2a所示,細胞/明膠基天然高分子水溶膠材料置于醫(yī)用一次性注射器內(前端固定有不銹鋼注射針),由步進電機-螺桿-滑塊組成的驅動機構推動活塞擠出。

每一種細胞與天然高分子的混合水溶膠裝入一個單噴頭單元,用于沉積對應的某一層面內的細胞。多個單噴頭單元并列組成并聯(lián)多噴頭單元(圖2b)。當各噴頭間的距離較大而多細胞結構體的平面尺寸較小時,無需復雜的噴頭切換,僅需進行運動系統(tǒng)的坐標平移即可。

圖2 基于容積驅動的并聯(lián)多噴頭單元

2 擠出過程的響應分析

上述細胞擠出噴頭中,擠出過程響應延遲和流涎產(chǎn)生的主要原因是擠出單元(噴頭單元、材料)的彈性形變。形變的大小與擠出單元的固有彈性模量和擠出成形的擠出壓力大小有關。因此需對擠出力/流場壓強分布作計算分析,并進行相關試驗。

2.1 流場壓強分布及擠壓力的計算

對擠出成形過程流場壓場分布的分析見圖3。

圖3 擠出成形的流場壓強分布示意

設 μ為粘度,ρ為密度,vm為擠出速度,Le為層流起始段長度,ξE為損失系數(shù),σSF為細胞/明膠基天然高分子水溶膠的表面張力。略去計算過程,分析結果如下:

假定細胞/材料水溶膠為連續(xù)介質的牛頓流體,在每一段內定常流動,從初始到擠出損失的壓強為:考慮起始段由于粘性摩擦、加速時慣性引起的入口壓強損失,以及因斷面變化在各段接口處引起的壓強損失,壓強的總損失為:

材料在從注射針口擠出時,需要克服表面張力。分析可知,啟動擠出時克服最大表面張力作的功,與材料在穩(wěn)定擠出過程中增加的自由表面能相同,二者大小為:

擠壓力F為以上三式的總和。試驗的參數(shù)為2R1=4.5mm,2R2=2.0mm,2R3=0.241mm,L1=50mm,L2=10mm,L3=15mm,取Le-max=40μm,ζE=2.25,ρ=1 ×103kg/m3,σSF-max=72 ×10-3N/m。

當 vm=20mm/s時,計算得各估計值,Δ p=1.653×105μ Pa,Δps-max=1.462×10-8μ+3.702×10-6(Pa),Δ p1+Δ p2=0.0986 Pa,pE-max=1.195×103Pa。

材料粘度 μ一般在0.02～1 Pa?s之間,則由式(1)和式(2)可知,管內定常流的 Δ p是式(2)中各力的萬倍以上;而式(3)計算的出口壓降pE僅由 R3決定,大小為 Δ p的1/10以下且變化不大。因此細胞/材料水溶膠的粘度μ是影響擠壓力F的主要因素。

2.2 擠出過程彈性變形的試驗及分析

在微型材料試驗機Minimat2000上按2mm/min速度擠壓,得到噴頭單元的壓力F與活塞位移Δ x的關系曲線。對曲線進行擬合處理,可得擠壓力F與所引起的流涎長度Δ lS的關系為:

式中:F單位為N,Δ lS單位為mm。

另外,對由材料體積壓縮引起的流涎量進行分析,可知一定擠壓力F下引起流涎長度Δ lP為:

式中:EV為體積彈性模數(shù),L為料腔內材料段長度。

根據(jù)試驗條件,經(jīng)驗擠壓力F=5 N,擠壓單元參數(shù)2R3=0.241mm,2R1=4.5mm,材料段長度L=50mm,EV=2.1×109Pa。計算得 Δ lS=356.39mm,Δ lP=2.61mm 。

有 Δ lS＞Δ lP,即影響流涎的主要因素是擠壓單元中噴頭單元的形變,且流涎量與擠壓力F呈線性關系。而材料自身壓縮所起的作用相對較小。

3 擠出過程的響應控制設計

基于前面的分析和試驗,可知細胞/材料水溶膠的粘度大時,擠壓所需的擠壓力 F增大,擠壓單元的彈性形變增加,響應延遲及流涎現(xiàn)象就嚴重。因此,降低溶膠粘度以減小擠壓力,進而減小擠壓單元的彈性形變,并在啟停時補償或釋放擠壓單元的彈性形變,能有效地實現(xiàn)擠出過程的啟停響應。

3.1 擠出過程的分段溫度控制

由于明膠基天然高分子水溶膠從15℃升高至25℃時,其粘度值會有3個數(shù)量級的顯著降低。因此,適當提高其整體溫度是降低粘度、減小擠壓力和彈性形變的一種有效方法。

但細胞/材料水溶膠擠出噴頭后,即進入成形室,應迅速凝膠化,在擠出前溫度不宜過高。因此,設計了分段溫度控制的擠出噴頭單元(圖4),在儲料腔段,溶膠溫度較高,有利于降低粘度,減小擠壓力;在注射針段,溫度較低,保證水溶膠擠出后能迅速凝膠化、沉積成形。

圖4 分段溫度控制的擠出單元結構示意

分段溫度控制擠出單元中,儲料段的溫度控制采用保溫套筒結構(圖4a),用加熱棒直接加熱,并有溫度傳感器監(jiān)測控制,使此段的溫度保持在較高溫度。而注射針段則采用水套式降溫結構,即在前述保溫套筒的前段設置一水冷套筒。水套內冷卻介質與注射針進行強制換熱,可迅速將溶液溫度降低到工藝要求的擠出出口溫度。

3.2 啟停的彈性形變補償-釋放控制設計

在擠壓啟動時,因彈性形變積累而產(chǎn)生的響應延遲,以及擠壓停止時,因彈性形變恢復產(chǎn)生的流涎,可通過控制在啟停時的擠壓滑塊動作,實現(xiàn)擠壓單元彈性形變的迅速補償或是釋放。

具體的控制過程如圖5所示。P0和P2為造型線段的起點和終點。從 P0開始掃描,在到達終點P2前的 tca時(即 P1點處),擠壓滑塊停止擠壓,并迅速反方向回復 dr距離,使擠壓單元的彈性形變迅速向滑塊方向回復,防止流涎。同時噴頭繼續(xù)掃描,至終點P2。此時噴頭下壓一高度hp,并停留一定時間 ted,目的是增強與下層材料的粘接。然后噴頭迅速抬高至hp+hj,向下一個造型起點P3移動。抬高的目的是避免刮壞已成形的結構面。到達 P3點后,迅速下壓高度hp+hj,增加起點粘接強度,同時擠壓滑塊迅速下壓距離 ds,迅速補償一定擠壓力擠出成形時的擠壓單元彈性形變。噴頭抬高 hp,回到成形平面高度后進行正常造型。

圖5 擠壓單元彈性形變的補償-釋放控制過程

4 成形范例及結論

利用所開發(fā)的多噴頭細胞受控組裝試驗系統(tǒng),采用擠出過程分段溫度控制和啟停的彈性形變補償-釋放控制方法,進行了多細胞結構體的組裝。其中一個噴頭內裝有含肝細胞的明膠基天然高分子水溶膠,另一裝有含脂肪干細胞的明膠基天然高分子水溶膠。

圖6a和圖 6b顯示了流涎控制前后的情況比較。無啟停響應控制時,噴頭停止擠壓后,注射針頭有流涎并黏附在針頭上,嚴重影響后續(xù)成形;而采用啟停響應控制后,針頭處流涎消除。

在解決了擠出過程的啟停響應問題后,成功進行了不同細胞的受控組裝。圖6c為組裝的類肝組織結構體。紅色管道區(qū)域為脂肪干細胞,白色透明區(qū)域為肝細胞。這一含管道的類肝結構體經(jīng)培養(yǎng)訓練后,可表現(xiàn)出類似肝的某些新陳代謝功能,有修復替代損傷肝組織的潛能[8,9]。

圖6 實現(xiàn)啟停響應控制前后成形效果對比

上述分析和試驗研究表明,通過分段溫度控制,降低擠出過程中水溶膠材料的整體粘度,并對啟停過程中的彈性形變進行補償-釋放控制,可有效解決啟停擠出過程中的響應延遲和流涎問題,大大改善多噴頭細胞受控組裝工藝的成形精度,實現(xiàn)多種細胞在同一過程中的受控組裝。

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