一種三維生物結構打印裝置及方法

一種三維生物結構打印裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種三維生物結構打印裝置，包括：帶有供液系統的執行單元、控制單元；所述供液系統包括：空氣壓縮機；與空氣壓縮機出氣口連通的氣容；儲液罐，該儲液罐出液口與所述噴頭的進液口連通，該儲液罐進液口與所述氣容的出氣口連通；所述儲液罐與氣容之間的管路上設有減壓閥；所述減壓閥的開度大小可調，保證所述噴頭噴嘴處液滴不滴落；所述儲液罐的高度可調，保證所述噴頭噴嘴處液面最低端與所述噴頭噴嘴持平。本發明可以廣泛應用于各種形狀的生物支架的成型，能打印血管結構，具有打印精度高，操作簡單，成本低等優點，由于可更換的夾具，可更換的工作面和可更換的Z型安裝板的設計，可以打印不同尺寸和不同組織材料的生物結構。
【專利說明】一種三維生物結構打印裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物醫學工程和組織工程【技術領域】，尤其是涉及一種三維生物結構打印裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，各種交通事故、自然災害造成人體器官的損傷或先天性的器官損傷導致許多人的生命遇到了威脅，傳統的修復方法是自體組織移植術，這種方法雖然可以獲得滿意效果，但它犧牲了自體健康組織，因此很多人都在醫院排隊等候供體器官，但由于供體器官來源極為有限，需要器官的人數遠遠超出了供體器官數，很多病人還沒有等到供體器官，就已經去世了。
[0003]因此，用于器官移植的供體器官極度緊缺成為了世界各國醫學界面臨的重大難題。研究人員提出了許多方案來解決供體器官緊缺的問題，但都沒有取得預期效果，直到二十世紀八十年代科學家首次提出組織工程技術，它的本質是將活的細胞通過某種方式與基質材料或支架結合起來制造新的組織，組織工程和再生醫學有望徹底解決供體器官緊缺這一難題，修復或替代損傷的器官。
[0004]近年來，三維打印技術在制備組織工程用的生物材料支架方面得到了快速發展和應用，它是一項基于微滴噴射的快速成型技術，它首先借助計算機輔助設計技術制備所要打印物體的電子文檔模型，然后依據“逐層打印，層層疊加”的原理來打印具有特殊外形或復雜內部結構的物體。其成型過程不受任何幾何形狀的限制，打印速度可以隨意控制，不同的材料可以通過不同的噴頭打印，打印的物質可以是溶液、懸浮液或乳液，因此，三維打印可以很容易的控制材料組成、微觀結構和表面特性。當打印的物質是生物墨水時，其就成為了生物打印技術。它將生物墨水按需噴射到接受體形成三維有功能的組織或器官，生物墨水設計為特制的細胞溶液 或有生物活性的營養因子溶液。該技術操作方便，加工過程靈活。
[0005]隨著該技術的研究不斷深入，研究表明生物打印技術適用于打印細胞、生物支架材料和細胞活性因子，而且能夠實現同步打印細胞和生物支架材料，其在器官打印中的應用也日益受到關注。

【發明內容】

[0006]本發明提供了一種三維生物結構打印裝置，通過空氣壓縮機，讓貯液罐中的生物墨水進入噴頭，噴頭在驅動器的作用下，將生物墨水以一滴一滴的按需方式噴射到位于噴頭正下方的工作溶液中，通過噴頭的平面運動和打印工作面的上下運動，實現三維生物結構的打印。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案如下:
[0008]一種三維生物結構打印裝置，包括:
[0009]用于打印生成三維生物結構的執行單元，包括:噴射生物墨水的噴頭、支撐三維生物結構的工作面板、與噴頭相連的供液系統、以及對噴頭或工作面板位置進行三維方向調整以滿足三維生物結構打印要求的調整機構；
[0010]控制單元，用于采集三維生物結構的三維信息，利用三維信息構建三維模型，對三維模型進行分層處理，形成每一層的代碼信息，根據每一層的代碼信息控制執行單元進行逐層打印；
[0011]所述供液系統包括:用于提供壓縮空氣的空氣壓縮機；與空氣壓縮機出氣口連通的氣容；儲液罐，該儲液罐出液口與所述噴頭的進液口連通，該儲液罐進液口與所述氣容的出氣口連通；所述儲液罐與氣容之間的管路上設有減壓閥；
[0012]所述減壓閥的開度大小可調，保證所述噴頭噴嘴處液滴不滴落；所述儲液罐的高度可調，保證所述噴頭噴嘴處液面最低端與所述噴頭噴嘴持平。
[0013]利用上述三維生物結構打印裝置時，控制單元根據采集的三維生物結構的三維信息，得到每一層的代碼信息，更具每一層的代碼信息控制執行單元進行打印操作。在打印工作開始前，為提高打印精度，需要對噴頭噴嘴處液面最低端的高度進行調整，以便于實現噴頭處液滴的噴射。調整時，首先通過調整減壓閥的開度大小，將噴頭噴嘴處液面調整到不下滴為止，停止調整減壓閥，實現對噴頭噴嘴處液面最低端高度的粗調；然后利用調整儲液罐的高度，調整儲液罐內生物墨水液面與噴頭端部的高度差，使得噴頭噴嘴處液面底面與噴頭底端端部平齊，保證生物墨水按需噴射墨滴。后續打印過程中，不再需要進行上述調整。采用本發明的上述供液系統時，調整方便，利用減壓閥的粗調作業和儲液罐高度的細調作業，使得調整結果更為精確，保證了后續打印的質量。
[0014]下面為對上述技術方案的幾種優選方案:
[0015]為便于實現打印作業的順利進行，打印過程中，在控制單元的控制下，需要對噴頭的位置進行適時調整，以滿足單層打印需要。在打印每一層生物體時，為便于實現噴頭在二維方向上移動，作為優選的技術方案:所述調整機構包括:與地面相對固定的第一固定座和第二固定座；與第一固定座滑動配合的 二維運動平臺，該二維運動平臺沿第一固定座頂面進行X軸、Y軸二維方向的移動；其中X軸、Y軸相互垂直；所述噴頭固定在所述二維運動平臺上；二維運動平臺需要與驅動機構相連，該驅動機構受控于所述的控制單元，實現噴頭在x、Y軸二維方向的調整；與第二固定座滑動配合的Z方向運動平臺，該Z方向運動平臺可沿垂直于第一固定座頂面的方向(即Z軸方向)往復移動；所述工作面板固定在所述Z方向運動平臺上。Z方向運動平臺一般也需要與驅動機構相連。二維運動平臺和Z方向運動平臺配合作業，以實現快速多層打印。所述第一固定座和第二固定座隔開設置，防止二維運動平臺工作時產生振動影響Z方向運動平臺，使得工作面板上下振動，影響打印效果。
[0016]為便于噴頭的固定，作為優選:所述噴頭通過噴頭夾具與所述二維運動平臺相互固定，所述噴頭夾具包括:與二維運動平臺相互固定的安裝臂；設置在安裝臂頂部的噴頭限位板，該限位板上設有供噴頭穿過的限位孔；設置在安裝臂底部的夾板，該夾板上設有若干與所述限位孔對正的安裝孔，所述噴頭安裝在所述安裝孔內。夾具的設置，可根據不同需要，對噴頭進行調整，無須更換整個裝置。限位板的設置，有利于保證噴頭始終處于豎直位置，避免因噴頭發生偏斜導致打印質量下降的發生。限位孔和安裝孔設置的數量與噴頭設置的數量有關，噴頭設置的數量需要根據所需要打印的生物體的材質的種類相關，具體需要根據實際需要確定。夾板和限位板可與安裝臂一體設置，也可單獨加工，最后再進行固定。[0017]為便于噴頭的更換和安裝，作為優選:所述夾板包括:與所述安裝臂一體設置的固定板，該固定板上設有固定槽；與所述固定板可拆卸連接的壓板，該壓板上設有卡合槽；所述卡合槽和固定槽構成所述的安裝孔。安裝噴頭時，只需要將待安裝的噴頭置于固定槽內，將壓板固定在固定板上即可。壓板與固定板之間可采用多種可拆卸方式固定，例如可采用螺紋固定、卡合固定、銷固定等。
[0018]為避免安裝過程中對噴頭造成磨損，作為進一步優選，所述安裝孔內設有套設在噴頭外壁的防護套。防護套的設置可大大提高噴頭的使用壽命，同時提高了噴頭安裝的牢固性，避免打印過程中發生噴頭晃動，影響打印質量。防護套一般可采用橡膠等彈性材質。[0019]打印操作前需要調整噴頭與工作容器內液面的相對位置，需要保證噴頭與工作容器內液面之間保持在一定的距離，為便于上述調整作業，作為優選，所述執行單元還包括:與地面相對固定的安裝架；通過升降機構固定在安裝架頂面的工作臺；置于所述工作臺上的工作容器，該工作容器內設有與所述生物墨水配合的反應溶液。通過對上述升降機構的調整，可實現對工作容器高度的調整，進而實現對工作容器內液面的調整。
[0020]上述優選方案中，所述的升降機構可采用現有技術中各種具有高度調整功能的機構，作為進一步優選，所述的升降機構包括:頂端固定在所述工作臺底面的螺桿，該螺桿底端穿過所述安裝架；與所述螺桿螺紋配合的一個或多個螺母，其中至少有一個螺母設于所述安裝架頂面。采用該升降機構，在實現工作容器高度調整的同時，還可以對工作容器內液面的水平程度進行調整。螺桿設置的數量可根據需要調整，一般設置三個以上。
[0021]由于噴頭端部只有幾微米大小，使用人眼觀測對噴頭噴嘴處液面進行調整時，費力費時，且精度不高，為解決該技術問題，作為優選，所述的三維生物結構打印裝置還包括液面檢測單元，用于檢測打印操作前所述噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息，并將液滴最低端高度信息輸出。通過液面檢測單元輸出的液滴最低端高度信息，可快速了解液滴的調整情況，大大提高了調整效率和打印效率。
[0022]為便于使用者觀察液滴最低端高度信息，作為進一步優選，所述液面檢測單元包括:高度可調的CCD相機，用于采集所述噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息，并將該高度信息輸出；位置可調的光源，為CCD相機提供照明光源；顯示器，與所述CCD相機輸出口相連，用于顯示所述噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息。CCD相機具有體積小、重量輕、不受磁場影響、具有抗震動和撞擊之特性，保證了檢測精度。為便于對CCD相機高度的調整，作為優選，可選擇將CCD相機與高度調節器相互固定，高度調節器可自行設計，也可選用市售產品，例如可采用螺桿螺母結構的高度調節器等，一般高度調節器僅能實現對CCD相機的粗調，為實現CCD相機的細調，作為進一步優選，所述高度調節器固定在螺旋微調節器，螺旋調節器精度較高，可實現對CCD相機高度的細調。螺旋調節器可單獨固定，也可固定在上書方案中的安裝架上，以提高本發明三維生物結構打印裝置的整體性。光源可采用多種機構固定，例如可首先利用帶有萬向頭結構的固定件與所述安裝架固定，然后再將光源與該固定件滑動連接，即光源可沿固定件上下移動，以保證光源調整到最合適的位置。在光源的作用下，CCD相機能實時觀察噴頭噴嘴處的液面，方便對液面進行調節，在液滴不往下滴的情況下，通過減壓閥和升降臺的調節，使得液面與噴嘴端面基本持平。
[0023]另一種優選的技術方案:所述噴頭與所述儲液罐之間的管路上設有過濾器。所述過濾器對貯液罐中的生物墨水進行過濾，防止在打印過程中，生物墨水中的大顆粒粒子堵塞噴頭的噴嘴，使得打印過程無法進行。
[0024]本發明的噴頭一般可采用壓電式噴頭，此時需要與驅動器相連，以實現噴頭按照要求進行噴射操作。本發明總反應容器中盛放有反應溶液，生物墨汁形成的液滴與反應溶液接觸，就會形成具有一定強度和形狀的半固態液滴，在打印完一層平面圖形后，工作面板下降一定距離，進行第二層的打印。
[0025]本發明中工作面板可以根據打印的三維生物結構的尺寸進行更換，對于不同的生物墨水，工作面與液滴之間的吸附力也是不一樣的，可以在尺寸不變的情況下，對工作面的材料進行更換或在工作面上加一層材料。為滿足不同高度生物體的需要，可選擇利用高度可調或者可拆卸的連接件將工作面板與Z方向運動平臺相互固定，上述連接件的長度決定了工作面板在工作容器中的下降距離，從而決定了打印的生物體的高度，通過高度可調或者可拆卸的連接件將工作面板進行固定，能制造出不同高度的生物體。
[0026]打印操作前需要調整工作面板的高度，使得工作面板的工作面與所述工作容器內液面高度持平，以保證后續打印作業的順利進行，作為優選，所述三維生物結構打印裝置還包括:距離檢測儀，用于檢測工作容器內液面高度，并發送液面高度信號；所述控制單元根據接收的液面高度信號驅動所述調整機構對工作面板的高度進行調整，保證工作面板的工作面與所述工作容器內液面高度持平。所述距離檢測儀可選用多種傳感器，例如作為優選，所述距離檢測儀包括信號發射器和信號接收器，所述距離檢測儀位于工作容器的正上方，信號發射器發射信號，經過工作容器中的液面反射后，信號被信號接收器接收，通過處理，直接得到信號發射器與液面之間的距離。
[0027]本發明的控制單元一般包括三維模型設計部分、分層部分和控制部分，所述控制部分與噴頭的驅動器、以及Z方向運動平臺和二維運動平臺的驅動機構相連，控制噴頭、Z方向運動平臺和二維運動平臺的工作。控制單元一般可為計算機或者其他集成芯片等。
[0028]本發明還提供了一種使用上述三維生物結構打印裝置進行三維打印的方法，包括:執行單元根據控制單元得到的每一層的代碼信息，進行三維打印；所述執行單元在進行三維打印前，需要對噴頭噴嘴處液面最低端的高度進行調整，步驟如下:(I)通過調整減壓閥的開度大小，調整噴頭 噴嘴處液滴的壓強大小，保證調整噴頭噴嘴處液滴附著在噴嘴處不滴出，實現對噴頭噴嘴處液面最低端高度的粗調；(2)然后通過調整儲液罐的高度，改變儲液罐內液面與噴頭噴嘴處液面的高度差，保證噴頭噴嘴處液面最低端與噴嘴端部持平。利用上述方法對證噴頭噴嘴處液面高度進行調整時，操作簡單，且由于采用粗調和細調相結合，使得調節精度較高。
[0029]本發明中研究三維運動控制平臺時，考慮到后期會進行生物制造方面的研究工作，需要進行細胞打印，形成帶細胞的三維支架，根據其成形機理，在工藝方面，需要噴射帶細胞的溶液A (即生物墨水)到溶液B (即工作溶液沖，通過溶液A與溶液B的反應，形成半凝固體，固定細胞，從而形成三維立體結構，因此需要溶液B固定不動,至少在X, Y方向上不能運動，不然會使溶液B的液面發生運動，影響成形過程，無法形成設計的三維結構；同時壓電式噴頭中的液體是靠負壓不滴落，只有信號發生器(即噴頭驅動器)驅動噴頭工作時，液滴才能滴下，所以噴頭不能Z方向運動，不然只要一移動噴頭，液滴就會滴下或空氣吸進噴頭，影響整個噴射過程。因此，要想形成三維結構，噴頭需要固定在X，Y方向運動的二維運動平臺上，溶液B放在Z方向運動的Z方向運動平臺上，通過兩者之間的配合，形成三維立體結構。
[0030]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0031](I)本發明方法簡單，易于操作，成本低，將離散的液滴噴射到工作面板上，通過Z方向運動平臺和二維運動平臺的運動生成復雜形狀的三維生物結構。對于不同形狀的三維生物結構，只需改變三維模型，調整打印參數，就能直接制備成具有各種結構(管狀、多孔)和一定力學性能的三維生物支架，用于組織工程和再生醫學。
[0032](2)噴頭夾具的可更換設計，方便安裝不同類型的噴頭，能噴射不同類型的生物墨水，而且，可以同時安裝多個噴頭，噴射多種生物墨水，形成復雜的生物結構。
[0033](3)通過可更換設計的安裝豎板將工作面板與Z方向運動平臺相互固定，方便通過調整不同高度的安裝豎板，打印不同高度的三維生物結構。
[0034](4)工作面板的可更換設計，方便打印不同尺寸的三維生物結構，并且可以根據不同的生物墨水，更換工作面板的材料或在其上安裝不同材料的平板，增加打印效果。
[0035](5)生物墨水供應過程中過濾器的設計，能過濾掉生物墨水中的大顆粒,防止大顆粒堵塞噴頭的噴嘴，使得打印無法進行。
[0036](6) 二維運動平臺與Z方向運動平臺隔開設計，防止二維運動平臺工作時產生振動影響Z方向運動平臺，使得工作面板上下振動，影響打印效果。同時，二維運動平臺安裝在機器的底座(即第一固定座)上，避免工作時產生大的振動，使得噴頭不會產生大的振動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發明一種三維生物結構打印裝置主要結構示意圖。
[0038]圖2是本發明三維生物結構打印裝置的供液裝置的結構示意圖。
[0039]圖3是本發明三維生物結構打印裝置的運動平臺和噴射部分示意圖。
[0040]圖4是本發明三維生物結構打印裝置的測距裝置位置示意圖。
[0041]圖5是本發明三維生物結構打印裝置的單噴頭夾具結構示意圖。
[0042]圖6是本發明三維生物結構打印裝置的三噴頭夾具結構示意圖。
[0043]圖7是本發明三維生物結構打印裝置的安裝板安裝結構示意圖。
[0044]圖8是本發明三維生物結構打印裝置的打印過程示意圖。
[0045]圖中:1為第一固定座,2為二維運動平臺，3為二維運動平臺夾具,4為螺桿,5為工作臺，6為噴頭立柱，7為安裝架，8為垂直支架，9為CXD相機，10為高度調節器，11為螺旋微調節器，12為水平支架，13為噴頭支架，14為噴頭夾具，15為噴頭限位板，15a為限位孔，16為壓板，17為防護套，18為噴頭，19為安裝橫板，20為安裝臂，21為安裝豎板，22為工作面板，23為工作容器，24為夾板，24a為安裝孔，24b為固定板，25為第二固定座，26為光源，27為滑動座，28為可調擺臂，29為過濾器，30為升降臺，31為貯液罐，32為減壓閥，33為氣容，34為空氣壓縮機，35為距離檢測儀，36為Z方向運動平臺。
【具體實施方式】
[0046]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種三維生物結構打印裝置，包括:用于打印生成三維生物結構的執行單元、控制執行單元打印操作的控制單元、以及檢測單元。
[0047]其中，執行單元包括噴射生物墨水的噴頭18、支撐三維生物結構的工作面板22、與噴頭18相連的供液系統、以及對噴頭或工作面板位置進行三維方向調整以滿足三維生物結構打印要求的調整機構。
[0048]噴頭18可選擇壓電式噴頭，通過驅動器對噴頭進行擠壓，實現生物墨水的噴射。驅動器一般可選用現有的結構，在此不再詳述。噴頭18固定在噴頭夾具14上，噴頭夾具14包括:安裝臂20、噴頭限位板15和夾板24，安裝臂20、噴頭限位板15和夾板24為一體設置，也可單獨加工，最后相互固定。其中安裝臂20安裝在噴頭支架13上，噴頭支架13安裝在噴頭立柱6上，噴頭立柱6安裝在二維運動平臺夾具3上，二維運動平臺夾具3安裝在X軸、Y軸運動的二維運動平臺2上，并與二維運動平臺2相互固定。噴頭限位板15設置在安裝臂20頂部，該限位板上設有供噴頭18穿過的限位孔15a ;夾板24設置在安裝臂20底部，該夾板24上設有若干與限位孔15a對正的安裝孔24a，噴頭18安裝在安裝孔24a內。夾板24包括:固定板24b和壓板16，固定板24b與安裝臂20 —體設置，該固定板24b上設有固定槽；壓板16與固定板24b為可拆卸連接,該壓板16上設有卡合槽；卡合槽和固定槽構成上述的安裝孔24a。壓板16通過螺母與固定板24b相連。安裝孔24a內設有套設在噴頭18外壁的防護套17，防護套17為橡膠套，也可選用其他彈性材料。噴頭夾具14可以更換，方便安裝不同尺寸的噴頭18，能噴射不同的生物墨水，同時，可以根據不同需要，在噴頭夾具上安裝多個噴頭，進行同時噴射，形成復雜的生物結構，如圖5、圖6所示，圖5中噴頭為一個，可用于具有單一材質的三維生物結構的打印，圖6中噴頭為三個，可用于打印具有三層機構的血管等。防護套17在壓板16和限位板15的擠壓作用下，使噴頭18很好的固定在噴頭夾具上，同時減小噴頭夾具對噴頭的損害。噴頭18噴射的液滴落在噴頭正下方的工作容器中。
[0049]如圖1和圖7所示，工作面板22置于工作容器24內部，工作面板22的工作面浸在工作容器23溶液中，與滴落下來的液滴接觸。工作面板22通過螺栓和螺母結構固定于安裝豎板21底端,安裝豎板21頂端通過螺栓和螺母與安裝橫板19固定,安裝橫板19另一端與Z方向運動平臺36相互固定，Z方 向運動平臺36通過絲杠與第二固定座25滑動配合，第二固定座25底端與第一固定座I相互固定。絲桿運動帶動Z方向運動平臺36沿Z軸方向上下運動，從而帶動工作面板22運動。噴頭18噴射下來的液滴落在工作面板22上，通過Z方向運動平臺36，控制工作面板22與工作容器23中液面距離，在打印完一層平面圖形后，工作面板22下降一定距離，進行第二層的打印。上述工作面板22可以根據打印的三維生物結構的尺寸進行更換，對于不同的生物墨水，工作面板22與液滴之間的吸附力也是不一樣的，可以在尺寸不變的情況下，對工作面板22的材料進行更換或在工作面上加一層材料。上述安裝豎板21的長度決定了工作面板22在工作容器23中的下降距離，從而決定了打印的生物結構的高度，通過安裝豎板21可更換的設計，能制造出不同高度的生物結構，通過工作面板22和安裝豎板21的共同作用，可以制造出在一定范圍內的不同尺寸的三維生物結構。
[0050]工作容器23位于工作臺5上，工作容器23可選用燒杯，工作臺5的橫截面為正方形，工作臺5通過螺桿4與安裝架7相連，安裝架可選用幾型支架，上述螺桿4均勻分布在工作臺5的四周，由于對于不同的生物結構，其工作容器是不一樣的，即工作容器的高度是不一樣的，還有就是工作容器中的溶液高度是不固定的，但為了保證打印效果，通常工作容器23中的液面與噴頭18噴嘴端面之間的距離是固定的，于是可以通過調節螺桿4，調節工作臺5的高度，從而調節工作容器23內液面與噴頭18噴嘴端面之間的距離，一般在調節時，控制工作容器23中的液面與噴頭噴嘴端面之間的距離為I~10mm。工作容器23中有反應溶液，噴頭中生物墨水與反應溶液接觸，就會形成具有一定強度和形狀的半固態液滴。
[0051]調整機構包括:第一固定座1、第二固定座25、二維運動平臺2和Z方向運動平臺36。其中:第一固定座I和第二固定座25固定在地面上或固定在穩定平面上，避免工作時產生大的振動，使得噴頭18不會產生上下振動，保證噴頭18正常噴射，確保打印精度。二維運動平臺2與第一固定座I滑動配合，該二維運動平臺可沿第一固定座I頂面進行X軸、Y軸二維方向的移動，以實現單層打印的順利進行。Z方向運動平臺36與第二固定座25滑動配合，例如可將Z方向運動平臺36與絲桿相連，該Z方向運動平臺沿垂直于第一固定座I頂面的Z軸方向往復移動，以實現逐層打印的順利進行。二維運動平臺2與Z方向運動平臺36隔開設置，防止二維運動平臺2工作時產生振動影響Z方向運動平臺36，使得工作面板22上下振動，影響打印效果。為了保證打印精度，Z方向運動平臺36的移動精度比二維運動平臺2的精度要高，可以采用絲杠傳動，精度在5~20um，精度越高，打印效果越好，本發明的三維生物打印裝置的行程為IOOmmX IOOmmX 100mm。
[0052]供液系統包括空氣壓縮機34，空氣壓縮機34與氣容33相連，氣容33與減壓閥32相連，減壓閥32與貯液罐31相連，貯液罐31與過濾器29相連，過濾器29與噴頭18相連。貯液罐31固定在升降臺30上，用于調節貯液罐31的高度，即調節貯液罐31中液面與噴頭18噴嘴處液面的高度差，通過減壓閥32和升降臺30的共同作用，實現噴頭噴嘴處液面的調節，實現液滴的噴射。過濾 器29對貯液罐31中的生物墨水進行過濾，防止在打印過程中，生物墨水中的大顆粒粒子堵塞噴頭的噴嘴，使得打印過程無法進行。氣容33能減緩裝置中壓縮空氣的變化，保證噴頭18在長時間內能正常工作。
[0053]檢測單元包括液面檢測單元和距離檢測儀35。液面檢測單元，用于檢測打印操作前噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息，并將液滴最低端高度信息輸出。液面檢測單元包括:高度可調的CCD相機9，用于采集噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息，并將該高度信息輸出；位置可調的光源26，為CCD相機9提供照明光源；顯示器，與CCD相機輸出口相連，用于顯示噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息。CCD相機9固定在高度調節器10上，高度調節器10固定在螺旋微調節器11上，螺旋微調節器11固定在水平支架12上，水平支架12固定在垂直支架8上，垂直支架8固定在安裝架7上；光源26固定在可調擺臂28上，可調擺臂28固定在滑動座27上，滑動座27固定在另一側的水平支架12上，水平支架12固定在垂直支架8上，垂直支架8固定在安裝架7上。在安裝好各器件后，先通過調節可調擺臂28，改變光源26的位置，提供適合CCD相機9使用的亮度，接著通過移動螺旋微調節器11調節CCD相機9與噴頭18之間的距離，即調節焦距，產生清晰的噴頭畫面，最后通過調節高度調節器10，使噴頭18的噴嘴端面出現在C⑶相機9的畫面中，這時，光源26，噴頭18和C⑶相機9基本位于同一水平面上，在光源26的作用下，CCD相機9能實時觀察噴頭18噴嘴處的液面，方便對液面進行調節，在液滴不往下滴的情況下，通過減壓閥32和升降臺30的調節，使得液面與噴嘴端面基本持平。一般情況下，調好器件后，后面就不需要再次調節。
[0054]距離檢測儀35，用于檢測工作容器23內液面高度，并發送液面高度信號；控制單元根據接收的液面高度信號驅動調整機構對工作面板22的高度進行調整，保證工作面板22的工作面與工作容器23內液面高度持平。距離檢測儀包括信號發射器和信號接收器，距離檢測儀固定在工作容器23的正上方，信號發射器發射信號，經過工作容器中的液面反射后，信號被信號接收器接收，通過處理，直接得到信號發射器與液面之間的距離。具體的，可以采用激光測距儀，將距離檢測儀35通過支架固定在工作容器23的正上方，由于距離檢測儀35與噴頭18之間的相對距離事先知道，只要通過距離檢測儀35獲得測距離檢測儀35與工作容器23中的液面之間的距離，就可以知道液面與噴頭18噴嘴端面之間的距離，然后調節螺桿4，獲得想要的液面與噴頭噴嘴端面之間的距離。在打印開始前，需要控制工作面板22的位置，同樣距離檢測儀35與工作面板22上表面的距離事先知道，通過距離檢測儀35獲得距離檢測儀35與工作容器23中的液面之間的距離后，控制Z方向運動平臺36運動，使兩者距離相同，即工作面板22的上表面與液面相平，然后在控制Z方向運動平臺36下降一定高度，開始打印。
[0055]控制單元包括三維模型設計部分、分層部分和控制部分，控制部分與驅動器、以及二維運動平臺2和Z方向運動平臺36的驅動機構相連，控制噴頭、二維運動平臺2和Z方向運動平臺36的工作。打印開始前，先在三維模型設計部分中設計要打印的三維生物結構的三維模型，通過分層部分對三維模型進行分層處理，形成每一層的代碼信息，然后把相應的代碼信息傳給控制部分，最后控制部分控制驅動器、二維運動平臺2和Z方向運動平臺36的驅動機構進行工作，實現三維模型的打印。
[0056]本發明的生物材料的制備過程:要形成三維生物結構，可選擇的材料有很多種，以海藻酸鈉與氯化鈣三維結構為例，將海藻酸鈉溶液作為生物墨水，氯化鈣溶液作為反應溶液，分別配置500ml0.8%的海藻酸鈉溶液和10%的氯化鈣溶液。
[0057]如圖8所示，本發明的打印操作前的裝置調節過程:將配置好的海藻酸鈉溶液倒入貯液罐31，氯化鈣溶液倒入工作容器23，將工作容器23放到安裝架7上，打開空氣壓縮機34，由空氣壓縮機34產生的壓縮空氣經氣容33通向減壓閥32，調節減壓閥32，把減壓后的空氣通入貯液罐31，貯液罐31中的生物墨水在壓縮空氣的作用下，通過管道流向過濾器29，經過過濾器29的過濾后，生物墨水進入噴頭18，最后經噴嘴噴出，慢慢調節減壓閥32，降低壓縮空氣的壓力，通過觀察裝置，使液滴最后剛好不從噴嘴處滴下，此時如果噴嘴處的液面低于噴嘴端面， 需要進一步調節升降臺30，即依據檢測單元的檢測結果，調節貯液罐31中的液面與噴嘴端面之間的高度差，使噴嘴處的液面基本與噴嘴端面持平，為液滴的順利噴射提供條件。通過距離檢測儀，調整螺桿4使工作容器23中的液面與噴頭18噴嘴端面之間的距離控制在給定值，同時工作面到達預定位置。
[0058]如圖8所示，本發明的生物結構的打印過程:在做好準備過程后，通過控制單元，驅動噴頭、二維運動平臺2和Z方向運動平臺36運動，首先二維運動平臺2工作，按照每層的形狀信息驅動噴頭18進行打印，形成三維生物結構的二維平面，打印完一層后，Z方向運動平臺36驅動工作面下降一定高度，重新打印另一層，如此反復，逐層堆積成型，直到所打印的三維生物結構成型完成。
[0059]如果需要打印血管，如圖6所示，需要采用三個噴頭的噴頭夾具，分別配置混有內表皮細胞的海藻酸鈉溶液，中間物質的海藻酸鈉溶液和外表皮細胞的海藻酸鈉溶液，分別倒入對應的貯液罐31中，反應溶液仍然是氯化鈣溶液，然后按照上述過程進行打印。
【權利要求】
1.一種三維生物結構打印裝置，包括: 用于打印生成三維生物結構的執行單元，包括:噴射生物墨水的噴頭(18)、支撐三維生物結構的工作面板(22)、與噴頭(18)相連的供液系統、以及對噴頭或工作面板位置進行三維方向調整以滿足三維生物結構打印要求的調整機構； 控制單元，用于采集三維生物結構的三維信息，利用三維信息構建三維模型，對三維模型進行分層處理，形成每一層的代碼信息，根據每一層的代碼信息控制執行單元進行逐層打印； 其特征在于，所述供液系統包括: 空氣壓縮機(34)； 與空氣壓縮機(34)出氣口連通的氣容(33)； 儲液罐(31 )，該儲液罐出液口與所述噴頭(18)的進液口連通，該儲液罐進液口與所述氣容(33)的出氣口連通；所述儲液罐(31)與氣容(33)之間的管路上設有減壓閥(32)；所述減壓閥(32)的開度大小可調，保證所述噴頭噴嘴處液滴不滴落；所述儲液罐(31)的高度可調，保證所述噴頭噴嘴處液面最低端與所述噴頭噴嘴持平。
2.根據權利要求1所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述調整機構包括: 與地面相對固定的第一固定座(I)和第二固定座(25)； 與第一固定座(I)滑動配 合的二維運動平臺(2)，該二維運動平臺沿第一固定座(I)頂面進行X軸、Y軸二維方向的移動；所述噴頭(18)固定在所述二維運動平臺(2)上； 與第二固定座(25)滑動配合的Z方向運動平臺(36)，該Z方向運動平臺沿垂直于第一固定座(I)頂面的Z軸方向往復移動；所述工作面板(22)固定在所述Z方向運動平臺(36)上。
3.根據權利要求2所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述噴頭(18)通過噴頭夾具(14)與所述二維運動平臺(2)相互固定，所述噴頭夾具(14)包括: 與二維運動平臺(2)相互固定的安裝臂(20)； 設置在安裝臂(20)頂部的噴頭限位板(15)，該限位板上設有供噴頭穿過的限位孔(15a)； 設置在安裝臂(20)底部的夾板(24)，該夾板(24)上設有若干與所述限位孔(15a)對正的安裝孔(24a)，所述噴頭(18)安裝在所述安裝孔(24a)內。
4.根據權利要求3所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述夾板(24)包括: 與所述安裝臂(20 ) —體設置的固定板(24b )，該固定板(24b )上設有固定槽； 與所述固定板(24b )可拆卸連接的壓板(16 )，該壓板上設有卡合槽； 所述卡合槽和固定槽構成所述的安裝孔(24a)。
5.根據權利要求1所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述執行單元還包括: 與地面相對固定的安裝架(7)； 通過升降機構固定在安裝架(7 )頂面的工作臺(5 ); 置于所述工作臺(5)上的工作容器(23)，該工作容器內設有與所述生物墨水配合的反應溶液。
6.根據權利要求5所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述的升降機構包括: 頂端固定在所述工作臺(5)底面的螺桿(4)，該螺桿(4)底端穿過所述安裝架(7);與所述螺桿(4)螺紋配合的一個或多個螺母，其中至少有一個螺母設于所述安裝架(7)頂面。
7.根據權利要求1所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，還包括液面檢測單元，用于檢測打印操作前所述噴頭噴嘴處液面最低端的高度信息，并將液滴最低端高度信息輸出。
8.根據權利要求7所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，所述液面檢測單元包括: 高度可調的CCD相機(9)，用于采集所述噴頭(18)噴嘴處液面最低端的高度信息，并將該高度信息輸出； 位置可調的光源(26)，為CXD相機(9)提供照明光源； 顯示器，與所述CCD相機(9)輸出口相連，用于顯示所述噴頭(18)噴嘴處液面最低端的高度信息。
9.根據權利要求1所述的三維生物結構打印裝置，其特征在于，還包括:距離檢測儀，用于檢測工作容器(23)內液面高度，并發送液面高度信號；所述控制單元根據接收的液面高度信號驅動所述調整機構對工作面板(22)的高度進行調整，保證工作面板(22)的工作面與所述工作容器(23)內液面高度持平。
10.一種使用權利要求1~9任一權利要求所述三維生物結構打印裝置進行三維打印的方法，包括:執行單元 根據控制單元得到的每一層的代碼信息，進行三維打印；特征在于:所述執行單元在進行三維打印前，需要對噴頭噴嘴處液面最低端的高度進行調整，步驟如下: (1)通過調整減壓閥的開度大小，調整噴頭噴嘴處液滴的壓強大小，保證調整噴頭噴嘴處液滴附著在噴嘴處不滴出，實現對噴頭噴嘴處液面最低端高度的粗調； (2)然后通過調整儲液罐的高度，改變儲液罐內液面與噴頭噴嘴處液面的高度差，保證噴頭噴嘴處液面最低端與噴嘴端部持平。
【文檔編號】A61F2/06GK103462725SQ201310339824
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月6日 優先權日:2013年8月6日
【發明者】傅建中, 邵惠鋒, 賀永, 高慶 申請人:浙江大學