本發明涉及組織工程，尤其涉及一種集成全息光鑷的3d打印平臺和仿生組織構建方法。

背景技術：

1、構建復雜、多樣的組織結構、幾何形態，模擬真實的人體組織(器官)，得到具有完整功能性的仿生組織(器官)，有助于減少排異反應、促進細胞黏附，增強與周圍組織的結合。這對于人造器官模塊在組織工程及再生醫學等領域的研究和應用十分重要，也是當前面臨的挑戰。

2、3d打印通過計算機輔助的逐層沉積方法，將活細胞/細胞球和生物材料定位，堆疊和組裝成特殊的三維結構，以制造用于組織工程、再生醫學、藥代動力學、癌癥研究及其他生物學研究的活體組織和類器官。3d打印能構建較為宏觀(厘米至毫米)的組織(器官)的空間結構(形狀、大小)，支撐細胞的三維生長，維持三維結構，在空間定位和維持結構方面具有優勢。生物制造還涉及微米及以下尺度對象(細胞、細胞球、微載體等)的空間控制，但是目前3d打印技術由于在精度和分辨率上的局限，在微米級尺度的控制略顯不足，難以實現宏觀三維結構內部微小元素的空間定位。因此，需要結合其他技術以輔助進行打印結構內部微觀層面的精確控制，從而實現精準仿生的組織器官構建。

3、光鑷是一種利用激光光束產生的力來操控微粒的工具，可對生物體進行高精度、低損傷、非接觸式的捕獲和操控。光鑷的基本原理是：激光通過聚焦形成三維光阱，對物體產生力的作用，即光輻射壓力，通過光輻射壓力將物體控制在光阱處，利用光束的移動對從微米到納米級尺寸的物體進行操控。光輻射壓力大小一般在fn到pn量級，這個量級的力使得光鑷在生物醫學領域有著應用前景。目前，利用全息光鑷可以進行細胞操縱、轉移以及少量細胞樣品的分選。光鑷技術對生物樣品具有非接觸彈性控制、無機械損傷、可無菌操作等優勢，更重要的是可直接操控微-納米尺寸的物體，如：干細胞(10-30微米)。但是，基于光鑷技術的細胞組裝不能長時間保持穩定，且操控的尺寸局限在較小的水平，不能實現較大尺寸組織(器官)的構建。而且捕獲和操控僅限于平面方向(x、y軸)，z軸方向上難以實現控制。

4、為此，將3d打印和光鑷技術有效結合，取長補短，對于組織工程和器官制造具有重要意義。

技術實現思路

1、(一)要解決的技術問題

2、鑒于現有技術的上述缺點、不足，本發明提供一種集成全息光鑷的3d打印平臺和仿生組織構建方法，其能夠構建出宏觀三維結構，并且宏觀三維結構內部生物體實現有序化和圖案化。

3、(二)技術方案

4、為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

5、第一方面，本發明提供一種集成全息光鑷的3d打印平臺，包括：

6、全息光鑷模組，用于對激光光束進行調制，在全息光鑷模組的物鏡焦區形成光阱陣列；

7、料筒，用于儲存生物材料，能夠在收納位置和工作位置進行移動；

8、打印基座，能夠在加料工位和光鑷操控工位之間進行移動；在加料工位，打印基座位于料筒的下方，在光鑷操控工位，打印基座位于物鏡的下方；

9、載物臺，安裝于打印基座上，能夠在水平方向進行移動，用于輔助光阱的移動；

10、光固化裝置，固定于載物臺上，用于發光以誘導生物材料進行固化；

11、細胞培養板，固定于載物臺上，并疊放于光固化裝置上；細胞培養板具有打印腔室和細胞腔室，打印腔室和細胞腔室之間通過通道連通；

12、打印基座位于加料工位，料筒移動至工作位置，料筒的擠出噴頭伸入細胞培養板的細胞腔室；打印基座位于光鑷操控工位，光阱陣列在細胞腔室中捕獲生物體，載物臺在水平方向移動，使光阱陣列捕獲的生物體通過通道移動至打印腔室。

13、可選地，全息光鑷模組包括激光光源，激光光源為近紅外激光光源，物鏡選用40倍、50倍或100倍近紅外光可透過物鏡。

14、可選地，集成全息光鑷的3d打印平臺還包括第一動力機構和第二動力機構；第一動力機構與打印基座傳動連接，驅使打印基座在加料工位和光鑷操控工位之間進行移動；第二動力機構安裝于打印基座上，并與載物臺傳動連接，驅使載物臺在水平方向上進行移動。

15、可選地，第一動力機構驅使打印基座沿直線在加料工位和光鑷操控工位之間移動，或者，第一動力機構驅使打印基座從加料工位繞軸旋轉至光鑷操控工位。

16、可選地，集成全息光鑷的3d打印平臺還包括料筒移動機構和氣動泵；料筒移動機構和料筒傳動連接，料筒移動機構驅使料筒依次在收納位置、中間位置和工作位置之間移動，料筒移動機構驅使料筒沿水平方向從收納位置移動至中間位置，料筒移動機構驅使料筒沿豎直方向從中間位置移動至工作位置；氣動泵與料筒連通，氣動泵產生的氣壓控制生物材料從料筒的出料針頭擠出；載物臺，還能夠在豎直方向進行移動，用于物鏡的對焦。

17、可選地，光固化裝置的光源為在水平方向上平鋪的半導體發光單元陣列，半導體發光單元的尺寸為1～100μm，每一個半導體發光單元均能夠獨立驅動發光。

18、可選地，細胞培養板中，在豎直方向上，通道高于細胞腔室的底面和打印腔室的底面，細胞腔室的底面通過坡面與通道連接。

19、第二方面，本發明提供一種仿生組織構建方法，采用如上所述的集成全息光鑷的3d打印平臺進行仿生組織構建，包括以下工序：

20、準備工序：將打印所需生物材料裝入料筒中，將細胞培養板固定于載物臺上；

21、加料工序：打印基座移動至加料工位，料筒移動至工作位置，料筒的擠出噴頭伸入細胞培養板的細胞腔室，向細胞腔室內擠出生物材料；加料完成后，料筒先移動至收納位置，打印基座再移動至光鑷操控工位；

22、單層生物體打印工序：打印基座位于光鑷操控工位，全息光鑷模組產生的光阱陣列在細胞腔室中捕獲生物體，載物臺在水平方向移動，使光阱陣列捕獲的生物體通過通道移動至打印腔室進行排布，直至在打印腔室中形成單層有序排列的生物體陣列，光固化裝置對生物體陣列進行光照預交聯，形成單層微米尺度有序化的生物體；

23、重復單層生物體打印工序，在豎直方向上堆疊單層微米尺度有序化的生物體，獲得組織模型，光固化裝置對組織模型進行光照整體交聯，獲得仿生組織。

24、可選地，準備工序還包括：對打印基座、載物臺進行調平，以及對細胞培養板進行定位。

25、可選地，單層生物體打印工序中，在打印腔室中形成生物體陣列后，打印基座移動至加料工位，料筒移動至工作位置，料筒的擠出噴頭伸入打印腔室，向生物體陣列的特定邊緣位置懸浮打印支撐生物材料，形成框架，之后光固化裝置對生物體陣列進行光照預交聯，形成單層生物體；或者，

26、單層生物體打印工序中，在光固化裝置對生物體陣列進行光照預交聯后，打印基座移動至加料工位，料筒移動至工作位置，料筒的擠出噴頭伸入打印腔室，向生物體陣列的特定邊緣位置懸浮打印支撐生物材料，形成框架，獲得單層生物體。

27、(三)有益效果

28、本發明的有益效果是：

29、本發明提供的集成全息光鑷的3d打印平臺和仿生組織構建方法，打印基座移動至加料工位，料筒移動至工作位置，料筒的擠出噴頭伸入細胞培養板的細胞腔室，向細胞腔室內擠出生物材料；打印基座移動至光鑷操控工位，全息光鑷模組產生的光阱陣列在細胞腔室中捕獲生物體，載物臺在水平方向移動，使光阱陣列捕獲的生物體通過通道移動至打印腔室進行排布，直至在打印腔室中形成單層有序排列的生物體陣列，光固化裝置對生物體陣列進行光照預交聯，形成單層生物體，重復上述過程，在豎直方向上堆疊單層生物體，能夠獲得具有宏觀三維結構的仿生組織。可見，本發明提供的集成全息光鑷的3d打印平臺和仿生組織構建方法，結合了3d打印在宏觀(厘米/毫米)尺度構建穩定三維結構和全息光鑷在微觀(微米/納米)尺度組裝細胞的優勢，能夠構建出宏觀穩定三維結構，并且宏觀三維結構內部生物體實現有序化和圖案化，進一步模擬人體組織，以期打印的組織(器官)具有更加完整的器官功能。