CN105624038A - 一种生物打印机运动平台和生物打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物打印机技术领域，特别涉及一种生物打印机运动平台和生物打印机。本发明所提供的生物打印机运动平台，包括第一Y轴运动模组、第二Y轴运动模组、X轴运动模组、第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构通过驱动第一Y轴运动模组的第一传动机构运动来驱动X轴运动模组的第一端沿着第一Y轴运动模组的第一导向装置运动，第二驱动机构通过驱动第二Y轴运动模组的第二传动机构运动来驱动X轴运动模组的第二端沿着第二Y轴运动模组的第二导向装置运动。本发明采用Y轴双边驱动方式，一方面能够减小两侧的运动误差，提高生物打印精度；另一方面还能够提高打印效率，使生物墨汁中的细胞保持更好的活性和更优良的生理功能。

Description

一种生物打印机运动平台和生物打印机

技术领域

本发明涉及生物打印机技术领域，特别涉及一种生物打印机运动平台和生物打印机。

背景技术

生物3D打印是指通过3D打印的原理和方法，将生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料或细胞溶液)打印成为设计的三维结构体的技术。与普通的3D打印技术相比，生物3D打印技术的特点在于其所生产的生物组织或器官还具有一定的生物学功能，需为细胞和组织的进一步生长提供条件，而且，由于构建生物组织的细胞，只有在微观上按照生物学规律精确排布才能实现细胞间的信号传递和组织的复杂生物学功能，因此，生物3D打印的过程除了要让细胞存活之外，还需要不断追求实现细胞更为精确的排布。可见，生物3D打印技术在发展中面临着许多不同于普通3D打印技术的特定技术问题。

生物3D打印设备采用喷头将由活体细胞制成的生物墨汁喷出，生物墨汁随着喷头的移动在打印载体上排列成预设结构，最终形成生物组织。目前，如何进一步提高生物打印机的打印精度，使细胞排布更加精确，以及如何提高生物打印机的打印效率，保证打印过程中细胞具有更高的存活率和更好的生理功能，成为制约生物3D打印技术进一步发展的关键技术问题。

现有的生物打印机，其包括喷头和与喷头和/或打印载体连接的生物打印机运动平台等，其中生物打印机运动平台在X、Y、Z三个方向上分别设有直线驱动机构，在直线驱动机构的驱动作用下，生物打印机运动平台能够驱动喷头和打印载体之间沿着X、Y、Z三个方向相对运动，进而调整打印位置，最终打印形成预设结构。

由于相对于用于加工较大量级产品(例如量级为m的大理石和木材等)的机床等普通工业设备，3D打印设备的加工量极小、行程短、驱动力需求也很低，因此，现有的3D打印设备均只采用Y轴单边驱动方式。而生物打印机相对于普通的3D打印设备具有更小的加工量级和更短的行程，例如生物打印机所打印的血管只有cm量级，因此，业内普遍认为，生物打印机运动平台也只需采用Y轴单边驱动方式即可，所以，现有的生物打印机运动平台只包括一个Y轴驱动机构。

然而，发明人经过研究发现，这种Y轴单边驱动的生物打印机运动平台实际上正是导致现有生物打印机的打印精度及打印效率较低的一个重要原因，现具体分析如下：

(1)现有Y轴单边驱动的生物打印机运动平台，其难以满足将喷头精准移动并定位的高精度打印需求。由于在生物打印领域，三维构建体量级小，尤其当喷头以点状喷射的方式喷出生物墨汁时，需要对打印的细胞进行更精确的排布，这就对生物打印机运动平台的定位精度提出了非常高的要求，极小的误差都有可能造成打印产品的不合格，而现有的采用Y轴单边驱动方式的生物打印机运动平台，其主动侧和从动侧容易产生误差，影响运动精度，从而无法达到生物3D打印设备的高量级打印精度要求。尤其当Y轴行程较长时，这种影响更加明显，发明人经过多次试验发现，在Y轴行程长度为300mm时，Y轴单边驱动方式的生物打印机运动平台，从动侧与主动侧在Y轴上的误差可以达到0.05mm，虽然该误差在一般工业领域，甚至普通3D打印领域都属于很小的误差，但是该误差对于生物3D打印领域中几十到几百微米的细胞来说，会严重影响细胞的精确排布。

(2)而且更为重要的，现有Y轴单边驱动的生物打印机运动平台，其限制了生物打印机打印效率的进一步提高。由于生物3D打印原材料的特性，生物墨汁中细胞的活性和存活率会随打印时间的增加而降低，这就对于生物打印机运动平台的运动速度和打印效率提出了非常严苛的要求，而现有的生物打印机运动平台，其运动和工作所需的力矩均由单侧驱动机构提供，在一定精度要求的前提下，Y轴单边驱动的方式无法提供更高的输出动力，并且受限于生物打印机整体的刚性，现有生物打印机运动平台在Y轴方向上的加速度也受到限制。可见，现有Y轴单边驱动的生物打印机运动平台难以满足生物3D打印的打印速度和打印效率的要求。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：如何进一步提高生物打印的打印精度和打印效率。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种生物打印机运动平台，其包括安装座、第一Y轴运动模组、第二Y轴运动模组和X轴运动模组，第一Y轴运动模组和第二Y轴运动模组分别设置在安装座相对的两侧，第一Y轴运动模组包括第一导向装置和第一传动机构，X轴运动模组的第一端与第一传动机构连接，第二Y轴运动模组包括第二导向装置和第二传动机构，X轴运动模组的第二端与第二传动机构连接，其还包括第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构通过驱动第一传动机构运动来驱动X轴运动模组的第一端沿着第一导向装置运动，第二驱动机构通过驱动第二传动机构运动来驱动X轴运动模组的第二端沿着第二导向装置运动。

可选地，第一驱动机构包括第一伺服电机；和/或，第二驱动机构包括第二伺服电机。

可选地，第一驱动机构包括第一伺服电机，第一伺服电机采用绝对值编码器；和/或，第二驱动机构包括第二伺服电机，第二伺服电机采用绝对值编码器。

可选地，第一传动机构和第二传动机构均为研磨级滚珠丝杠。

可选地，第一导向装置和第二导向装置均包括形位误差小于或等于0.05mm的直线导轨。

可选地，安装座相对的两侧分别设有第一龙门支架和第二龙门支架，第一Y轴运动模组连接在第一龙门支架上，第二Y轴运动模组连接在第二龙门支架上，安装座、第一龙门支架和第二龙门支架的形位误差小于或等于0.02mm。

可选地，X轴运动模组包括X轴导向装置和X轴运动机构，生物打印机运动平台还包括第三驱动机构，第三驱动机构用于驱动X轴运动机构沿着X轴导向装置运动。

可选地，第三驱动机构包括第三伺服电机。

可选地，第三伺服电机采用绝对值编码器。

可选地，X轴导向装置的第一端通过第一移动架与第一传动机构连接，第一移动架能够沿着第一导向装置运动；X轴导向装置的第二端通过第二移动架与第二传动机构连接，第二移动架能够沿着第二导向装置运动。

本发明第二方面还提供了一种生物打印机，其包括以上任一生物打印机运动平台,生物打印机运动平台用于实现喷头与打印载体之间的相对运动。

可选地，生物打印机为生物3D打印机。

可选地，生物打印机运动平台的X轴运功模组与喷头连接。

可选地，喷头为用于实现点状喷射打印的喷头。

本发明打破传统的设计思维，为两侧的Y轴运动模组分别设置一个驱动机构，将生物打印机运动平台由Y轴单边驱动方式改进为Y轴双边驱动方式，一方面能够减小两侧的运动误差，提高喷头移动精度和定位精度，进而提高生物打印精度；另一方面还能够提供更高的输出动力，使得生物打印机运动平台能够以更大的加速度启停，提高打印效率，缩短打印时间，使生物墨汁中的细胞保持更好的活性和更优良的生理功能。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一实施例的生物打印机运动平台的结构示意图。

图中：

1、安装座；21、第一龙门支架；22、第二龙门支架；31、第一Y轴运动模组；32、第二Y轴运动模组；41、第一伺服电机；42、第二伺服电机；5、第三伺服电机；6、X轴运动模组；71、第一移动架；72、第二移动架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1示出了本发明一个实施例的生物打印机运动平台的结构示意图。参照图1，本发明所提供的生物打印机运动平台，包括安装座1、第一Y轴运动模组31、第二Y轴运动模组32和X轴运动模组6，第一Y轴运动模组31和第二Y轴运动模组32分别设置在安装座1相对的两侧，第一Y轴运动模组31包括第一导向装置和第一传动机构，X轴运动模组6的第一端与第一传动机构连接，第二Y轴运动模组32包括第二导向装置和第二传动机构，X轴运动模组6的第二端与第二传动机构连接，该生物打印机运动平台还包括第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构通过驱动第一传动机构运动来驱动X轴运动模组6的第一端沿着第一导向装置运动，第二驱动机构通过驱动第二传动机构运动来驱动X轴运动模组6的第二端沿着第二导向装置运动。

本发明打破传统的设计思维，将生物打印机运动平台设计为采用Y轴双边驱动方式，一方面能够减小因现有Y轴单边驱动所产生的主动侧和从动侧的误差，提高喷头移动精度和定位精度，进而提高生物打印精度；另一方面还能够提供更高的输出动力，使得生物打印机运动平台能够以更大的加速度启停，提高打印效率，缩短打印时间，使生物墨汁中的细胞保持更好的活性和更优良的生理功能。此外，采用Y轴双边驱动方式还可以提高生物打印机运动平台的工作可靠性，即使第一驱动机构和第二驱动机构中的一个发生故障，第一驱动机构和第二驱动机构中的另一个仍然能够正常工作，从而第一驱动机构和第二驱动机构能够形成互相保护的安全工作模式，可以有效提高生物打印机运动平台的可靠性。

在现有技术中，生物打印机运动平台的驱动机构通常采用步进电机，但其存在控制精度低、易丢步、响应慢、过载能力低和运行不平稳等缺点，因此，为了进一步提高打印精度，本发明的生物打印机运动平台的驱动机构可以采用伺服电机，而且为了避免断电后再通电时的回参考点操作，可以采用设有绝对值编码器的伺服电机。

下面结合图1所示的实施例来对本发明进行进一步地说明。

如图1所示，在该实施例中，生物打印机运动平台包括安装座1、第一Y轴运动模组31、作为第一驱动机构的第一伺服电机41、第二Y轴运动模组32、作为第二驱动机构的第二伺服电机42、X轴运动模组6以及作为第三驱动机构的第三伺服电机5。

其中，第一Y轴运动模组31和第二Y轴运动模32组用于实现生物打印机的喷头和打印平台之间在Y轴方向上的相对位移，X轴运动模组6用于实现喷头和打印载体之间在X轴方向上的相对位移，Z轴运动模组用于实现喷头和打印载体之间在Z轴方向上的相对位移。X轴方向、Y轴方向和Z轴方向彼此垂直。

第一Y轴运动模组31包括作为第一导向装置的第一导轨和作为第一传动机构的第一滚珠丝杠(图中未示出)，第二Y轴运动模组32包括作为第二导向装置的第二导轨和作为第二传动机构的第二滚珠丝杠(图中未示出)，X轴运动模组6包括X轴导向装置和X轴运动机构。

第一伺服电机41设置在第一Y轴运动模组31的下方，用于驱动第一滚珠丝杠运动；第二伺服电机42设置在第二Y轴驱动模组32的下方，用于驱动第二滚珠丝杠运动。第三伺服电机5设置在X轴运动模组6的上方，用于驱动X轴运动机构沿着X轴导向装置运动。

X轴运动模组6的第一端和第二端分别连接在第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠上，这样第一伺服电机41通过驱动第一滚珠丝杠运动即能够驱动X轴运动模组6的第一端沿着第一导轨运动，第二伺服电机42通过驱动第二滚珠丝杠运动即能够驱动X轴运动模组6的第二端沿着第二导轨运动。如图1所示，在该实施例中，X轴运动模组6的第一端和第二端分别通过第一移动架71和第二移动架72连接在第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠上，这样当第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠运动时，第一移动架71和第二移动架72沿着Y轴方向运动，从而X轴运动模组6的第一端和第二端产生在Y轴方向上的位移。由图1可知，在该实施例中，第一移动架71和第二移动架72均呈L型，L型的两部分分别连接在X轴运动模组6的底部和侧部，这样设置的好处在于，其不仅能够带动X轴运动模组6的两端运动，还能够使X轴运动模组的运动更加稳定。

在该实施例中，第一伺服电机41和第二伺服电机42均采用绝对值编码器，这样可以免去断电后再通电时的回参考点操作。

由图1可知，在该实施例中，安装座1的左右两侧分别设有第一龙门支架21和第二龙门支架22，第一Y轴运动模组31连接在第一龙门支架21上，第二Y轴运动模组32连接在第二龙门支架22上，这样第一Y轴运动模组31和第二Y轴运动模组32分别设置于安装座1的左右两侧。为了进一步提高打印精度，在该实施例中，安装座1、第一龙门支架21和第二龙门支架22的高度和平面度等的形位误差小于或等于0.02mm，例如可以采用6061-T5铝型材整体数控加工制成。

该实施例的生物打印机运动平台，其采用Y轴双边驱动方式驱动X轴运动模组6左右两端的运动，第一伺服电机41和第二伺服电机42在上位控制系统的控制下进行协调动作，使得X轴运动模组6左右两端在Y方向上的同步性更好，即使在龙门支架长度较长时，也不易产生运动误差，从而能够提高打印精度；而且，由于两个Y轴驱动机构相对于现有的一个Y轴驱动机构能够提供更高的动力，因此，该实施例的X轴运动模组6在Y方向上可以得到更快的速度、更大的加速度以及更强的运动学刚性，另一方面这也能够降低对单侧驱动机构的功率要求，从而达到节约成本的目的；此外，由于两个Y轴驱动机构均采用伺服电机，这不仅使得该实施例的生物打印机运动平台能够实现对运动速度和运动位置更准确的控制，减少振动，使运动更加平稳，而且第一伺服电机41和第二伺服电机42能够将信号实时反馈至控制系统，从而控制系统可以实时检测X轴运动模组6的扭转，将X轴运动模组6两端的运动误差控制在能够满足生物打印精度的误差范围之内，保证X轴运动模组6两端运动的实时同步。该实施例的生物打印机运动平台可以将X轴运动模组6两端的运动误差控制在0.01mm以下。

为了进一步提高打印精度，在该实施例中，第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠可以均采用研磨级滚珠丝杠，以保证更高的定位精度，而第一导向装置和第二导向装置可以均采用高精度直线导轨，例如可以采用高度、直线度和平行度等形位误差小于或等于0.05mm的直线导轨，这样研磨级滚珠丝杠、高精度直线导轨可以与第一伺服电机41和第二伺服电机42配合，使生物打印机运动平台在Y轴方向上获得更高的运动精度，更加精确地排布生物砖，进而按照事先确定的程序(例如对三维模型进行切片处理所得的G-CODE程序)打印出更加优质的具有生物活性的组织。

此外，在该实施例中，第三驱动机构也采用伺服电机，第三伺服电机5、第一伺服电机41以及第二伺服电机42等一起配合，可以使得该实施例的生物打印机运动平台全行程误差小于0.01mm，从而能够提高XY平面上的打印精度，为精确排布生物材料、细胞、生物砖提供条件。

此外，本发明还提供了一种生物打印机，其包括喷头和本发明的生物打印机运动平台，该生物打印机运动平台用于实现喷头和打印载体之间的相对运动。

本发明的生物打印机，其包括本发明的生物打印机运动平台，由于本发明的生物打印机运动平台具有较高的运动精度、较高的控制精度和较高的工作可靠性，且能够提供更大的驱动动力，因此，本发明的生物打印机能够实现更高的打印精度，且具有更高的打印效率，从而能够生产更优质的生物组织产品。

本发明的生物打印机，其运动平台可以与打印载体连接，也可以与喷头连接，只要其能够使打印载体和喷头之间产生相对运动即可。优选地，生物打印机运动平台的X轴运功模组6与喷头连接，使得喷头随着生物打印机运功平台的X轴运功模组6往复运动，而生物墨汁附着的打印载体则保持静止。这样设置的好处在于，由于生物墨汁附着的打印载体无需来回往复运动启停，因此，打印形成预设结构的过程更加稳定，更有利于生物组织的生长和成型，而且，可以避免生物墨汁中的细胞在晃动或挤压时发生破损，降低打印载体往复运动对细胞活性的负面影响。

本发明的生物打印机可以为生物3D打印机，其也可以为生物2D打印机。此外，本发明的生物打印机既可以为对打印精度要求相对较低的生物打印机，例如条状挤出式生物打印机等，也可以为对打印精度要求相对较高的生物打印机，例如点状喷射式生物打印机等。其中，条状挤出式生物打印机是指，将很多细胞和生物相容性物质一起做成混合物，然后通过喷嘴成连续条状挤出的生物打印机，其挤出的生物墨汁直径越粗，对于打印的精度要求也就越低。而点状喷射式生物打印机是指，采用用于实现点状喷射打印的喷头对生物墨汁进行点状喷射，将每个结构单元打印在指定的位置的生物打印机。需要说明的是，无论生物墨汁是否为独立单元，都可以进行点状喷射打印。与条状挤出式生物打印机相比，点状喷射式打印设备打印的结构单元更小，因此，点状喷射式打印设备对打印精度和打印速度有更高的要求。

实际上，生物打印机对打印精度的要求越高，本发明的生物打印机运动平台的优势就越明显。因此，作为本发明的生物打印机的一种优选实施方式，生物打印机为点状喷射式生物打印机，其包括用于实现点状喷射打印的喷头和本发明的生物打印机运动平台，其中生物打印机运动平台用于实现点状打印喷头与打印载体之间的相对运动，这样Y轴双边驱动的生物打印机运动平台和用于实现点状喷射打印的喷头相互配合，能够实现更高的打印精度和更高的打印效率。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种生物打印机运动平台，包括安装座(1)、第一Y轴运动模组(31)、第二Y轴运动模组(32)和X轴运动模组(6)，所述第一Y轴运动模组(31)和所述第二Y轴运动模组(32)分别设置在所述安装座(1)相对的两侧，所述第一Y轴运动模组(31)包括第一导向装置和第一传动机构，所述X轴运动模组(6)的第一端与所述第一传动机构连接，其特征在于，所述第二Y轴运动模组(32)包括第二导向装置和第二传动机构，所述X轴运动模组(6)的第二端与所述第二传动机构连接，所述生物打印机运动平台还包括第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构通过驱动所述第一传动机构运动来驱动所述X轴运动模组(6)的第一端沿着所述第一导向装置运动，所述第二驱动机构通过驱动所述第二传动机构运动来驱动所述X轴运动模组(6)的第二端沿着所述第二导向装置运动。

2.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一伺服电机(41)；和/或，所述第二驱动机构包括第二伺服电机(42)。

3.根据权利要求2所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一伺服电机(41)，所述第一伺服电机(41)采用绝对值编码器；和/或，所述第二驱动机构包括第二伺服电机(42)，所述第二伺服电机(42)采用绝对值编码器。

4.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第一传动机构和所述第二传动机构均为研磨级滚珠丝杠。

5.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第一导向装置和所述第二导向装置均包括形位误差小于或等于0.05mm的直线导轨。

6.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述安装座(1)相对的两侧分别设有第一龙门支架(21)和第二龙门支架(22)，所述第一Y轴运动模组(31)连接在所述第一龙门支架(21)上，所述第二Y轴运动模组(32)连接在所述第二龙门支架(22)上，所述安装座(1)、所述第一龙门支架(21)和所述第二龙门支架(22)的形位误差小于或等于0.02mm。

7.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述X轴运动模组(6)包括X轴导向装置和X轴运动机构，所述生物打印机运动平台还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构用于驱动所述X轴运动机构沿着所述X轴导向装置运动。

8.根据权利要求7所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第三驱动机构包括第三伺服电机(5)。

9.根据权利要求8所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述第三伺服电机(5)采用绝对值编码器。

10.根据权利要求1所述的生物打印机运动平台，其特征在于，所述X轴导向装置的第一端通过第一移动架(71)与所述第一传动机构连接，所述第一移动架(71)能够沿着所述第一导向装置运动；所述X轴导向装置的第二端通过第二移动架(72)与所述第二传动机构连接，所述第二移动架(72)能够沿着所述第二导向装置运动。

11.一种生物打印机，包括喷头和生物打印机运动平台，其特征在于，所述生物打印机运动平台为权利要求1所述的生物打印机运动平台，所述生物打印机运动平台用于实现所述喷头与打印载体之间的相对运动。

12.根据权利要求11所述的生物打印机，其特征在于，所述生物打印机为生物3D打印机。

13.根据权利要求11所述的生物打印机，其特征在于，所述生物打印机运动平台的X轴运功模组(6)与所述喷头连接。

14.根据权利要求11所述的生物打印机，其特征在于，所述喷头为用于实现点状喷射打印的喷头。