Устройство для лазерной биопечати

Полезная модель относится к биотехнологиям и биомедицине и может применяться, например, для печати микробиологическими объектами, создания трехмерных биологических структур, выделения микроорганизмов.
Известны устройства для биопечати (биопринтеры), работающие по принципу капельной струйной печати (патент RU 2558290, МПК С12М 3/00, опубл. 27.07.2015). Основным недостатком таких устройств является низкие точность позиционирования, производительность (скорострельность), недостаточный диапазон размеров образующихся микрокапель и наличие эффекта сопла, негативно влияющего на выживаемость живых систем.
Известны биопринтеры в виде разнесенного в пространстве устройства (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.). В этих принтерах перемещение донорной пластинки с биообъектами относительно неподвижного лазерного луча происходит с помощью шаговых моторов. Основным недостатком известного устройства являются то, что оно не представляет из себя единой компактной системы, т.е. не является мобильным. Кроме того, такое устройство обладает низкой точностью позиционирования и недостаточной производительностью, связанными с использованием для перемещения шаговых двигателей.
Указанных недостатков лишено устройство, которое по числу совпадающих существенных признаков выбрано в качестве прототипа (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). Данное устройство, может быть использовано для лазерной биопечати. Оно содержит жесткую раму, импульсный лазер, сканер, фокусирующее устройство, устройство для размещения донорной подложки, устройство для трехмерного позиционирования акцепторной подложки и видеокамеру, В устройстве излучение с импульсного лазера поступает на гальваносканирующую головку и далее на фокусирующее устройство, донорную подложку, а гелиевые капли биоматериала падают на акцепторную подложку, размещенную на устройстве ее трехмерного позиционирования. Контроль за работой осуществляют посредством управляющего компьютера, с которым соединены лазер, гальваносканер и система трехмерного позиционирования.
Известная устройство позволяет осуществлять перенос гелевых капель с живыми микрообъектами и формировать структуры на акцепторной подложке. Благодаря применению гальваносканирующей головки для перемещения лазерного луча по поверхности донорной подложки известное устройство обладает высокой производительностью.
Однако основным недостатком известного устройства является его недостаточная стерильность, отсутствие возможности работы с биообъектами в специальной газовой среде, невозможность точного позиционирования лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке и недостаточная точность позиционирования.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение точного позиционирования лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке и повышение стерильности при реализации возможности работы с биообъектами в специальной газовой среде.
Техническим результатом является создание эффективного устройства для лазерной биопечати, которое может применяться для создания разнообразных трехмерных микробиологических объектов.
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в устройстве для лазерной биопечати, содержащем жесткую раму, стерильный бокс, импульсный лазер, сканер, средства для фокусировки лазерного луча, размещения донорной подложки, и средство для трехмерного позиционирования акцепторной подложки, а также видеокамеру, для изменения положения подложки устройство дополнительно снабжено манипуляторами, которые размещены внутри прозрачного стерильного бокса, снабженного отверстиями для их установки. При этом стерильный бокс может быть заполнен инертным газом.
Существо полезной модели поясняется схемой на фигуре, на которой:
1 - жесткая рама, 2 - импульсный лазер, 3 - гальваносканер, 4 - фокусирующее устройство, 5 - устройство крепления донорной подложки, 6 - устройство трехмерного позиционирования акцепторных подложек, 7 - цифровая видеокамера, 8 - управляющий компьютер, 9 - герметичный прозрачный бокс, 10 - донорная подложка, 11 - перелетающая капля биоматериала, 12 - акцепторная подложка, 13 - отверстия в боксе для манипуляторов или перчаток(не показаны).
Устройство работает следующим образом. Первоначально на устройстве для крепления донорной подложки 5, находящейся в герметичном прозрачном боксе 9, устанавливают донорную подложку 10, с предварительно нанесенным слоем геля, в котором размещаются биологические микрообъекты. Также на устройстве трехмерного позиционирования акцепторных подложек 6 устанавливают акцепторную подложку 12, на которую производится выборочный перенос гелевых микрокапель 11 с биообъектами. По сигналу с управляющего компьютера 8, с использованием предварительно заложенной программы и информации о распределении микрообъектов на донорной подложке 10, поступающей с цифровой видеокамеры 7, гальваносканер 3, используя фокусирующее устройство 4, осуществляет позиционирование фокуса лазерного луча на поверхности донорной подложки 10, а импульсный лазер 2 излучает импульс с заданными параметрами. После того, как лазерный импульс поглощается в локальной области в поглощающем слое донорной подложки 10, из этой области происходит перенос микроскопического количества гидрогеля с биообъектами в виде микрокапли 11 на акцепторную подложку 12. Позиционирование акцепторной подложки 12 осуществляют с помощью управляющего компьютера 8. Таким образом, на акцепторной подложке может быть сформирована необходимая структура из биологического материала, в том числе состоящая из нескольких слоев. При необходимости осуществления работ с биообъектами в специальной газовой среде первоначально герметичный прозрачный бокс 6 с помощью газовых штуцеров соединяют с системой напуска необходимой газовой среды. В этом случае все операции в боксе проводят с использованием манипуляторов или герметично вмонтированных в бокс перчаток.
Достижение заявленного технического результата, а именно, повышение стерильности, реализация возможности работы с биообъектами в специальной газовой среде, обеспечение точного позиционирования лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке, происходит в результате организации стерильного пространства с обеспечением возможности замены и поддержания специальной газовой среды и обеспечения возможности позиционирования лазерного луча с использованием микроскопического изображения поверхности донорной пластинки. Технически это достигается добавлением герметичного прозрачного бокса 9, оборудованного манипуляторами или перчатками. Внутри бокса, снабженного газовыми штуцерами, установлены устройства крепления донорной подложки 5 и трехмерного позиционирования акцепторных подложек 6, При этом цифровая видеокамера 7, соединенная с управляющим компьютером 8, размещена внутри жесткой рамы 1 и вне бокса 9.
В отличие от прототипа, весь процесс переноса биоматериала с донорной пластинки на акцепторную происходит в герметичном прозрачном боксе 9, что позволяет повысить стерильность и обеспечивает возможность работы с биообъектами в специальной газовой среде. А добавление цифровой видеокамеры 7, соединенной с управляющим компьютером 8, позволяет производить точное позиционирование лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке.
Конкретное оформление заявляемого устройства, а именно, жесткий каркас, импульсный лазер, гальваносканер, фокусирующее устройство, устройство крепления донорной подложки, устройство трехмерного позиционирования акцепторных подложек, цифровая видеокамера и управляющий компьютер могут быть стандартными. Герметичный прозрачный бокс может быть изготовлен из прозрачного пластика. Перчатки и газовые штуцера, которыми оборудован бокс, могут быть стандартными. Характеристики импульсного лазера (длина волны, длительность и частота импульсов, энергия в импульсе, параметры лазерного пучка), гальваносканера, фокусирующей системы зависят от поставленной задачи.
Авторами был изготовлен образец устройства для лазерной биопечати. Жесткий каркас был собран из алюминиевого профиля. Источником излучения служил лазер YLPM-1-4x200-20-20 (ООО НТО "ИРЭ-Полюс", Россия) с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса в диапазоне 4-200 не, энергией в импульсе от 2 мкДж до 1 мДж. В качестве гальваносканера использовалась двухзеркальная гальваносканирующая головка LscanH-10-1064 (2) ("АтекоТМ", Россия), в качестве фокусирующей системы - F-theta объектив SL-1064-110-160 ("Ronar-Smith", Сингапур) с фокусным расстоянием 160 мм. Герметичный прозрачный бокс был изготовлен из оргстекла толщиной 10 мм.
Проведенные испытания показали, что созданное устройство позволяет добиться существенно лучшей стерильности, обеспечивает возможность работы с биообъектами в специальной газовой среде и позволяет производить точное позиционирование лазерного луча по заданным микрообъектам, находящимся в слое геля на донорной подложке. Таким образом, заявленный технический результат полностью достигнут, что подтверждает промышленную применимость полезной модели.