CN105662648B - 生物打印机及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物打印技术领域，特别涉及一种生物打印机及其校准方法。本发明所提供的生物打印机，包括控制装置、第一检测装置和第二检测装置，其中，第一检测装置能够在喷射装置沿着Z轴方向运动至第一位置时向控制装置发出第一信号使控制装置校准喷射装置的长度的预设值，第二检测装置能够在其沿着Z轴方向运动至第二位置时向控制装置发出第二信号使控制装置校准打印材料初始附着面的高度的预设值。本发明能够实现对喷射装置的长度的预设值以及打印材料初始附着面的高度的预设值的自动校准，不仅可以简化操作，减轻操作人员的劳动强度，而且能够有效提高测量精度，保证多次测量之间的精度一致性，提高工作可靠性。

Description

生物打印机及其校准方法

技术领域

本发明涉及生物打印技术领域，特别涉及一种生物打印机及其校准方法。

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，因此，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。

生物打印机是实施生物3D打印技术的设备，其将活体细胞用作生物墨汁，通过喷头的移动将生物墨汁喷出，并最终排列成预设结构的生物组织。为了在打印过程中不断调整喷头的打印位置，最终按照预定的设计方案和预设路径完成3D打印，喷头通常连接于三维运动平台上，而从喷头喷出的生物墨汁则按需附着于打印载体上，此处的打印载体包括打印平台、旋转打印装置中的旋转杆或者附着于打印平台上的培养皿等载体。

目前，生物打印机的打印程序中通常预设有喷头的长度的值、打印载体上打印材料初始附着面的高度值以及在起始位置处喷头底端与打印材料初始附着面的高度距离，在每次打印时，首先控制喷头按照打印程序中预设的喷头底端与打印材料初始附着面的高度距离运动至适合打印的位置，然后再开始按照预定路径进行打印。然而，由于生物墨汁所附着的打印载体经常会发生变化，也即打印材料初始附着面的高度经常发生变化，并且在使用过程中也会经常更换不同长度的喷头，这些都将导致喷头底端与打印材料初始附着面之间的实际高度距离与打印程序中预设的高度距离存在误差，对于这样的高度距离误差，现有的解决方案是每次打印前对打印材料初始附着面的实际高度及喷头的实际长度进行人工手动测量，并手动输入打印程序中以调整和修正打印程序中的相应参数的预设值，不仅操作繁琐，而且精度易受人员操作水平影响，容易产生误测量及误输入，精度一致性差。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题为：现有的生物打印机，生物墨汁附着部位的高度变化以及喷头的长度变化只能通过人工手动测量和输入，不仅操作繁琐，而且精度较低，可靠性较差。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物打印机，其包括沿生物打印机的Z轴方向运动的Z轴运动组件、喷射装置、平台、控制装置、第一检测装置和第二检测装置，平台上设有打印材料初始附着面，在Z轴运动组件的驱动下，喷射装置靠近或远离第一检测装置且第二检测装置靠近或远离打印材料初始附着面，其中，第一检测装置能够在喷射装置沿着Z轴方向运动至第一位置时向控制装置发出第一信号使控制装置校准喷射装置的长度的预设值，第二检测装置能够在其沿着Z轴方向运动至第二位置时向控制装置发出第二信号使控制装置校准打印材料初始附着面的高度的预设值。

可选地，控制装置包括信号接收模块、高度获取模块以及校准模块，其中，信号接收模块用于接收第一检测装置发出的第一信号以及第二检测装置发出的第二信号，高度获取模块用于在信号接收模块接收第二信号和第一信号后获取相应的Z轴运动组件的实际高度值，而校准模块则用于依据Z轴运动组件的实际高度值与预设值之间的变化量来对喷射装置的长度的预设值以及打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

可选地，Z轴运动组件通过驱动电机驱动，高度获取模块用于通过获取Z轴运动组件停止运动时驱动电机的转角来获取Z轴运动组件的实际高度值。

可选地，在第一位置，喷射装置的底端与第一检测装置抵接。

可选地，喷射装置为喷头；或者喷射装置包括喷头和延长杆，延长杆设置在喷头出口的下方并与喷头的出口间隔一段距离设置，延长杆内设有细长的流道，用于使生物打印材料的流体打印单元通过流道被引导而定向喷出，喷射装置用于第一检测装置抵接的底端为延长杆的底端。

可选地，喷射装置包括喷头和延长杆，延长杆与喷射装置相邻近的端面上设有敞口凹部，敞口凹部的出口与流道连通，喷头伸入到敞口凹部中，敞口凹部朝向流道是渐缩的，在喷头的外壁与敞口凹部之间形成辅材流道，在喷头的出口与敞口凹部的出口之间形成一腔室，通过辅材流道的辅材流体在腔室中包裹从喷头的出口喷出的主材流体，以形成流体打印单元。

可选地，流道从其入口至出口是渐缩的。

可选地，流道的沿流体打印单元的流动方向截得的剖面为锥形。

可选地，第一检测装置包括激光测量仪。

可选地，在第二位置，第二检测装置的底端与打印材料初始附着面抵接。

可选地，生物打印机还包括伸缩控制装置，伸缩控制装置与Z轴运动组件连接，第二检测装置与伸缩控制装置连接，伸缩控制装置能够控制第二检测装置的底端向着打印材料初始附着面运动一定的距离。

可选地，伸缩控制装置能够控制第二检测装置的底端垂直地向着打印材料初始附着面运动固定的距离。

可选地，伸缩控制装置包括气缸，气缸的缸筒与Z轴运动组件连接，且气缸的缸杆与第二检测装置连接。

可选地，伸缩控制装置还包括直线保持装置，直线保持装置能够保持第二检测装置的直线度。

可选地，直线保持装置包括滑槽和与滑槽滑动配合的夹持块，滑槽连接于气缸的缸筒上，夹持块连接于第二检测装置上，夹持块和第二检测装置能够一起沿着滑槽运动。

可选地，第二检测装置包括电感测量头。

本发明第二方面还提供了一种用于本发明第一方面的生物打印机的校准方法，该方法包括以下步骤：

生物打印机的喷射装置在Z轴运动组件的驱动下运动至第一位置，第一检测装置向控制装置发出第一信号；

接收到第一信号后，控制装置对喷射装置的长度的预设值进行校准；

生物打印机的第二检测装置在Z轴运动组件的驱动下运动至第二位置，第二检测装置向控制装置发出第二信号；

接收到第二信号后，控制装置对打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

可选地，接收到第一信号后，该方法还包括以下步骤：

控制装置控制Z轴运动组件停止运动并获取Z轴运动组件的实际高度值；

控制装置通过计算Z轴运动组件的实际高度值相对于Z轴运动组件的预设高度值的变化量来获取喷射装置的长度的变化量；

控制装置依据喷射装置的长度的变化量来校准喷射装置的长度的预设值。

可选地，接收到第二信号后，该方法还包括以下步骤：

控制装置控制Z轴运动组件停止运动并获取Z轴运动组件的实际高度值；

控制装置通过计算Z轴运动组件的实际高度值相对于Z轴运动组件的预设高度值的变化量来获取打印材料初始附着面的高度的变化量；

控制装置依据打印材料初始附着面的高度的变化量来校准打印材料初始附着面的高度的预设值。

本发明的生物打印机，其通过设置控制装置、第一检测装置和第二检测装置，能够实现对喷射装置的长度的预设值以及打印材料初始附着面的高度的预设值的自动校准，由于无须再依赖于人工手动测量及输入，不仅可以简化操作，减轻操作人员的劳动强度，而且能够有效提高测量精度，保证多次测量之间的精度一致性，提高工作可靠性。

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示出本发明第一实施例生物打印机的主视图。

图2示出图1的左视图。

图3示出图1所示实施例的第一检测装置的工作状态示意图。

图4示出图1所示实施例的第二检测装置的工作状态示意图。

图5示出图1所示实施例的生物打印机的校准流程图。

图6示出本发明第二实施例生物打印机的喷射装置的结构示意图。

图中：

1、Z轴运动组件；2、喷头组件；21、喷头；22、延长杆；221、流道；222、敞口凹部；223、保温件；23、安装块；31、气缸；32、滑槽；33、夹持块；34、电感测量头；4、培养皿；5、平台；6、激光测量仪；7、底座；8、安装板。

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1-4示出了本发明的第一实施例的生物打印机的结构示意图。参照图1-4，本发明所提供的生物打印机，包括沿生物打印机的Z轴方向运动的Z轴运动组件1、喷射装置、平台5、控制装置、第一检测装置和第二检测装置。

平台5上设有打印材料初始附着面，在Z轴运动组件1的驱动下，喷射装置靠近或远离第一检测装置且第二检测装置靠近或远离打印材料初始附着面，其中，第一检测装置能够在喷射装置沿着Z轴方向运动至第一位置时向控制装置发出第一信号使控制装置校准喷射装置的长度的预设值，第二检测装置能够在其沿着Z轴方向运动至第二位置时向控制装置发出第二信号使控制装置校准打印材料初始附着面的高度的预设值。

本发明的生物打印机，通过设置控制装置、第一检测装置和第二检测装置，能够实现对喷射装置的长度的预设值以及打印材料初始附着面的高度的预设值的自动校准，由于无须再依赖于人工手动测量及输入，不仅可以简化操作，减轻操作人员的劳动强度，而且能够有效提高测量精度，保证多次测量之间的精度一致性，提高工作可靠性。

此外，本发明还提供了一种用于本发明的生物打印机的校准方法，该方法包括以下步骤：

生物打印机的喷射装置在Z轴运动组件1的驱动下运动至第一位置，第一检测装置向控制装置发出第一信号；

接收到第一信号后，控制装置对喷射装置的长度的预设值进行校准；

生物打印机的第二检测装置在Z轴运动组件1的驱动下运动至第二位置，第二检测装置向控制装置发出第二信号；

接收到第二信号后，控制装置对打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

作为本发明的生物打印机的一种实施方式，第一检测装置能够在喷射装置的底端沿着Z轴方向运动至第一位置时控制控制装置开始测量喷射装置的长度的变化量，第一信号为用于控制控制装置开始测量喷射装置的长度的变化量的信号，控制装置能够在接收到第一信号后开始测量喷射装置的长度的变化量并能够依据喷射装置的长度的变化量对喷射装置的长度的预设值进行校准；和/或，第二检测装置用于控制控制装置开始测量打印材料初始附着面的高度的变化量，第二信号为用于控制控制装置开始测量打印材料初始附着面的高度的变化量的信号，而控制装置在接收到第二信号后开始测量打印材料初始附着面的高度的变化量并能够依据打印材料初始附着面的高度的变化量对打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

基于该实施方式，本发明可以通过第一检测装置和/或第二检测装置向控制装置发出信号来使控制装置开始测量变化量并由控制装置将该变化量补偿至相应的预设值来实现对预设值的校准。此处的变化量是指与第一检测装置对应的喷射装置的长度的变化量或与第二检测装置对应的打印材料初始附着面的高度的变化量。

而在该实施方式中，由于喷射装置和第二检测装置均在Z轴运功组件1的驱动下沿Z轴运动，因此，控制装置对变化量的测量可以通过测量Z轴运动组件的高度的变化量来实现。例如，控制装置可以通过以下步骤来实现对喷射装置的长度的预设值的校准：在接收到所述第一信号后，控制装置控制Z轴运动组件1停止运动并获取Z轴运动组件1的实际高度值，然后，控制装置通过计算Z轴运动组件1的实际高度值相对于Z轴运动组件1的预设高度值的变化量来获取喷射装置的长度的变化量，之后，控制装置依据喷射装置的长度的变化量来校准喷射装置的长度的预设值；类似地，控制装置对打印材料初始附着面的高度的预设值的校准也可以通过以下步骤实现：接收到第二信号后，控制装置控制Z轴运动组件1停止运动并获取Z轴运动组件1的实际高度值，然后，控制装置通过计算Z轴运动组件1的实际高度值相对于Z轴运动组件1的预设高度值的变化量来获取打印材料初始附着面的高度的变化量，之后，控制装置依据打印材料初始附着面的高度的变化量来校准打印材料初始附着面的高度的预设值。

如图1至图4所示，本发明的喷射装置可以只包括喷头21，也即打印材料直接从喷头21的出口喷出至打印材料附着面上，此时喷射装置与第一检测装置相抵接的底端即为喷头21的底端。但如图6所示，本发明的喷射装置也可以不只包括喷头21，其还可以包括设置在喷头21的出口下方并与喷头21的出口间隔一段距离设置的延长杆22，延长杆22内设有细长的流道221，用于使生物打印材料的流体打印单元通过流道221被引导而定向喷出，此时喷射装置与第一检测装置相抵接的底端即为延长杆22的底端。

接下来分别对喷射装置只包括喷头21和喷射装置包括喷头21和延长杆22这两种情况来对上述实施方式进行进一步地说明。

首先结合图1-4对喷射装置只包括喷头21的第一实施例进行说明。如图1-4所示，该实施例的生物打印机包括Z轴运动组件1、安装板8、喷头组件2、平台5、底座7、控制装置(未示出)、第一检测装置、第二检测装置和伸缩控制装置，其中，喷头组件2包括喷射装置。第一实施例中，喷射装置为喷头21。

其中，平台5设置在底座7上，且平台5上放有培养皿4，打印材料初始附着面位于培养皿4的底壁上，喷头组件2连接在安装板8上，而安装板8与Z轴运动组件1连接，这样喷头21可以随着安装板8在Z轴运动组件1的驱动下沿着Z轴方向上下运动。可见，在该实施例中，平台5和培养皿4在Z轴方向保持静止，而喷头21则能够沿着Z轴方向靠近或远离平台5和培养皿4。

如图2和图3所示，在该实施例中，第一检测装置包括激光测量仪6，该激光测量仪6设置在平台5上，其能够在喷头21运动至第一位置时向控制装置发出使控制装置开始测量喷头21的长度的变化量的第一信号。而且，在该实施例中，激光测量仪6也为压感式检测装置，也即其需要被压下后才能够发出第一信号，因此，如图3所示，在第一位置时，激光测量仪6与喷头21的底端抵接。这样当喷头21在Z轴运动组件1的驱动下靠近并压下激光测量仪6后，激光测量仪6会向控制装置发出第一信号，而当不需要测量喷头21长度时，则可以通过Z轴运动组件1使喷头21远离激光测量仪6。在该实施例中，激光测量仪6的测量精度为1微米。

如图1和图4所示，在该实施例中，第二检测装置包括电感测量头34，其能够在其沿Z轴方向运动至第二位置时向控制装置发出使控制装置开始测量培养皿4的底壁的高度的变化量的第二信号。而且，在该实施例中，电感测量头34为压感式检测装置，也即其需要被压下后才能够发出第二信号，因此，如图4所示，在第二位置时，电感测量头34的底端与打印材料初始附着面抵接。在该实施例中，电感测量头34的测量精度为1微米。

在该实施例中，伸缩控制装置用于控制电感测量头34的底端向着培养皿4的底壁运动一定的距离。如图1和图4所示，伸缩控制装置包括气缸31，气缸31的缸筒通过安装板8与Z轴运功组件1连接，而气缸31的缸杆则与电感测量头34连接，这样当安装板8在Z轴运动组件1的驱动下沿Z轴方向上下运动时，气缸31和电感测量头34能够随之沿Z轴上下运动，远离或靠近培养皿4的底壁，也即靠近或远离打印材料初始附着面。

通过设置气缸31，当需要对打印材料初始附着面的高度预设值进行校准时，可以通过给气缸31充气，使电感测量头34随着气缸31的缸杆的伸出动作而进一步地向着培养皿4的底壁运动固定的距离，而当不需要校准时，则可以通过控制气缸31的缸杆收回来使电感测量头34远离培养皿4的底壁，这样可以防止电感测量头34对其他部件的正常工作产生不必要的影响。

此外，气缸31具有较高的控制精度，在其作用下，电感测量头34能够被垂直地推出，进而使得电感测量头34在与培养皿4的底壁接触时能够与培养皿4的底壁垂直，可以避免因电感测量头34的倾斜延误第二信号的发出，进而导致测量结果的不准确。而且，由于气缸31通过气体控制缸杆的伸缩，较为洁净，不会对生物打印机造成污染，可以避免油污等对打印材料生物性能的影响。

在该实施例中，为了进一步保持电感测量头34在被培养皿4的底壁压下后仍能保持与培养皿4的底壁垂直，伸缩控制装置还包括直线保持装置。如图1和2所示，该直线保持装置包括滑槽31和与滑槽32滑动配合的夹持块33，其中，滑槽32连接于气缸31的缸筒上，夹持块33连接于电感测量头34上，夹持块33和电感测量头34能够一起沿着滑槽32运动。通过设置滑槽31和夹持块32，电感测量头34不仅在被气缸31推出时具有更好的直线度，而且在被培养皿4的底壁压下过程中，电感测量头34也仍然能够与培养皿4的底壁保持垂直抵接，从而能够使进而获得更加精确的测量结果。

在该实施例中，控制装置包括信号接收模块、高度获取模块以及校准模块，其中，信号接收模块用于接收电感测量头34发出的第二信号以及激光测量仪6发出的第一信号，高度获取模块用于在信号接收模块接收第二信号和第一信号后获取相应的Z轴运动组件1的实际高度值，而校准模块则用于依据Z轴运动组件1的实际高度值与预设值之间的变化量来对打印材料初始附着面的高度的预设值以及喷头21的长度的预设值进行校准。

高度获取模块可以通过多种方式来获取Z轴运动组件1的实际高度值。其中，由于在现有的生物打印机中，Z轴运动组件1通过驱动电机驱动，且驱动电机的转角能够反映Z轴运功组件1的运动位移，因此，高度获取模块可以通过获取Z轴运动组件1停止运动时驱动电机的转角来获取Z轴运动组件1的实际高度值，这样可以在对现有生物打印机的结构作出较小改动的前提下实现本发明的目的。

作为一种更优选的实施方式，Z轴运动组件1通过伺服电机驱动，伺服电机的编码器的值能够反映伺服电机的转角值，高度获取模块则通过获取Z轴运动组件1停止运动时伺服电机的编码器的值来获取Z轴运动组件1的实际高度值。

该实施例的控制装置的工作原理为：

当控制装置的信号接收模块接收到第一信号后，控制装置控制Z轴运动组件1停止运动，且由高度获取模块开始获取Z轴运动组件1的当前高度值(也即Z轴运动组件1的实际高度值)并传递给校准模块，校准模块基于高度获取模块所获取的Z轴运动组件1的实际高度值以及Z轴运动组件1的预设高度值计算Z轴运动组件1的高度的变化量，由于喷头21每次都是压下激光测量仪6后向信号接收模块发送第一信号，因此，喷头21的长度的变化量与Z轴运动组件1的高度的变化量是相等的，所以，校准模块所计算得到的此时Z轴运动组件1的高度的变化量即为喷头21的长度的变化量，因此，校准模块将该Z轴运动组件1的高度的变化量补偿至原有的喷头21的长度的预设值，就能够获得校准后的喷头21的长度的预设值，完成对喷头21的长度的预设值的校准过程。

与之类似的，在信号接收模块接收到第二信号后，控制装置控制Z轴运动组件1停止运动，且由高度获取模块开始获取Z轴运动组件1的当前高度值(也即Z轴运动组件1的实际高度值)并传递给校准模块，校准模块基于高度获取模块所获取的Z轴运动组件1的实际高度值以及Z轴运动组件1的预设高度值计算Z轴运动组件1的高度的变化量，由于电感测量头34每次都是压下培养皿4的底壁后向信号接收模块发送第二信号，因此，培养皿4的底壁高度的变化量与Z轴运动组件1高度的变化量是相等的，所以，校准模块所计算得到的Z轴运动组件1的高度的变化量即为培养皿4的底壁的高度的变化量，也即为打印材料初始附着面的高度的变化量，因此，校准模块将该Z轴运动组件1的高度的变化量补偿至已有的打印材料初始附着面的高度的预设值，就能够获得校准后的打印材料初始附着面的高度的预设值，完成对打印材料初始附着面的高度的预设值的校准过程。

由于获得了喷头21的长度的预设值以及校准后的打印材料初始附着面的高度的预设值，因此，可以得到喷头21的底端与打印材料初始附着面之间校准后的高度距离，从而当喷头21按照校准后的高度距离向打印材料初始附着面运动后，喷头21可以准确地到达适合开始打印的位置，从而能够有效防止因喷头21的底端与打印材料初始附着面之间的高度距离的预设值不准确所造成的设备损坏等问题，例如，当喷头21的底端与打印材料初始附着面之间的高度距离的预设值小于实际值时，喷头21按照相应高度距离运动后并不能到达适合打印的位置；而当喷头21的底端与打印材料初始附着面之间的高度距离的预设值大于实际值时，即使实际已经运动至适合打印的位置，但喷头21并不会停止，而是会继续向下运动直至预设值位置，此时喷头21与打印材料初始附着面会形成抵接，以致于喷头21和/或打印材料初始附着面会因为受到较大的压力而发生损坏。

下面结合图5所示的流程图来说明该实施例的生物打印机对预设值进行校准的过程：

(1)喷头21在X方向和Y方向的定位。喷头21在X-Y平面内定位，使喷头21在X-Y平面内与激光测量仪6对齐。

(2)喷头21在Z方向的定位。Z轴运动组件1首先以较大速度快速运动至第一指定位置，然后Z轴运动组件减速至设定的测量速度，使得喷头21以测量速度缓慢靠近激光测量仪6。此处的第一指定位置通常设为喷头21与激光测量仪6之间能够保持安全距离的位置，例如可以为基准设定位置以下10mm。

(3)喷头21的长度的变化量的测量。当喷头21与激光测量仪6抵接后(即喷头21运动至第一位置)，激光测量仪6发出第一信号至控制装置，控制装置控制Z轴运动组件1停止继续向下运动，并记录此时Z轴运动组件1的实际高度值以及通过计算Z轴运动组件1的实际高度值与Z轴运动组件1的预设高度值之间的差值来获得Z轴运动组件1的高度的变化量，也即喷头21的长度的变化量。

(4)喷头21的长度的预设值的校准。控制装置将喷头21的长度的变化量补偿至原有的喷头21的长度的预设值，完成对喷头21的长度的预设值的校准。

(5)完成对喷头21的长度的预设值的校准后，控制装置控制Z轴运动组件1回到安全位置，此处即指第一指定位置，并判断是否已完成对打印材料初始附着面的高度的预设值的校准。若没有完成，则继续下述步骤(6)-(10)。若完成，则结束校准过程，Z轴运动组件1回到基准设定位置。

(6)电感测量头34在X方向和Y方向的定位。电感测量头34在X-Y平面内定位，使电感测量头34在X-Y平面内与培养皿4的底壁对齐。

(7)电感测量头34在Z方向的定位。首先，Z轴运动组件1以较大速度快速运动至第二指定位置；然后，给气缸31充气，使电感测量头34被推出，在推出过程，由滑槽32和夹持块33共同保持推出动作的直线度；之后，当气缸31到位后，例如气缸31的杠杆全部伸出后，Z轴运动组件1开始以设定的测量速度缓慢朝着培养皿4的底壁运动；再然后，Z轴运动组件减速至设定的测量速度，使得电感侧量头34以测量速度缓慢靠近培养皿4的底壁。此处的第二指定位置通常设为电感测量头34与培养皿4的底壁之间能够保持安全距离的位置，例如可以为基准设定位置以下30mm。

(8)打印材料初始附着面的高度的变化量的测量。当电感测量头34与培养皿4的底壁抵接后(即电感测量头34运动至第二位置)，电感测量头34发出第二信号至控制装置，控制装置控制Z轴运动组件1停止继续向下运动，并记录此时Z轴运动组件1的实际高度值以及通过计算Z轴运动组件1的实际高度值与Z轴运动组件1的预设高度值之间的差值来获得Z轴运动组件1的高度的变化量，也即打印材料初始附着面的高度的变化量。

(9)打印材料初始附着面的高度的预设值的校准。控制装置将打印材料初始附着面的高度的变化量补偿至原有的打印材料初始附着面的高度的预设值，完成对打印材料初始附着面的高度的预设值的校准。

(10)完成对打印材料初始附着面的高度的预设值的校准后，气缸31放气，气缸31的缸杆收回，使气缸31的缸杆回到初始位置，并控制Z轴运动组件1回到基准设定位置，完成整个校准过程。

优选地，在测量过程中还可以包括异常检测步骤，例如，在电感测量头34从与培养皿的底壁接触到压下一定距离(例如1mm)后还没有发出第二信号，或者在喷头21从与激光测量仪6接触到压下一定距离(例如1mm)后还没有发出第一信号，或者气缸31推出的位置不正确时，可判断相应的检测装置或者气缸31发生异常。发生异常后，可以停止测量，并给出异常提示，在排除异常后再重新开始检测。

可见，该实施例的生物打印机，能够实现对喷头21长度变化以及培养皿4的底壁高度(也即打印材料初始附着面的高度)变化的自动测量，并能够依据该自动测量的变化量完成对相应预设值的自动校准，即使每次打印时喷头21的长度和/或培养皿4底壁的高度不同，也无需再对喷头21的长度的预设值和/或培养皿4底壁的高度的预设值进行人工校准，保证打印时喷头21能够准确运动至适合打印的位置，能够有效简化操作过程，减轻操作人员的劳动强度，提高测量精度，避免人为误差，而且基于该自动测量及校准过程，当更换不同规格的喷头21以及培养皿4时，控制装置的控制程序无需改变，提高了控制装置的通用性。

接下来结合图6对喷射装置包括喷头21和延长杆22的第二实施例进行说明。如图6所示，该第二实施例对喷射装置的长度的预设值及打印材料初始附着面的高度的预设值的校准过程及校准原理与第一实施例基本相同，此处不再赘述，该第二实施例与第一实施例不同之处在于，喷射装置包括喷头21和延长杆22，其中，延长杆22设置在喷头21出口的下方并与喷头21的出口间隔一段距离设置，延长杆22内设有细长的流道221，用于使生物打印材料的流体打印单元通过流道221被引导而定向喷出。第二实施例中，喷射装置用于第一检测装置抵接的底端为延长杆22的底端。

流体打印单元是指生物打印材料的打印单元，其可以是单一的主材流体(生物墨汁)组成的单元，也可以是由辅材流体(水凝胶)包裹主材流体而组成的混合流体的单元。

第一实施例中喷射装置只包括喷头21，因此，打印材料从喷头21的出口处直接被喷出至打印材料初始附着面上，由于喷头21的出口处突然收窄，因此，作为打印材料的流体会受到打印过程中机械力所造成的损伤；而该第二实施例通过在临近于喷头21的出口处增设具有细长流道221的延长杆22，使得用作打印材料的流体打印单元需要经由流道221被定向喷出至打印材料初始附着面，由于流道221呈细长状，因此，流体打印单元在被流道221引流喷出的过程中受到的压力更加均匀，且流道221能够对流体打印单元进行定向排序，易于维持良好的流动性，降低阻塞的可能性，使生物打印材料的流向更加稳定，从而能够缓解细胞之间相互拥挤压迫的情况，减少在打印过程中生物打印材料与金属材料的摩擦所产生的损伤，此外对于流体打印单元是由辅材流体包裹主材流体而形成的混合流体打印单元而言，流道221还有利于辅材流体均匀地包裹并保护主材流体。可见，具有细长流道221的延长杆22能够保护打印材料，减小打印过程中机械力对打印材料的损伤，具有更高的可靠性。

此外，如图6所示，流道221从其入口至出口是渐缩的。流道221被如此设计使得流体打印单元在流道221中行进以有利于提高流体打印单元在流道221出口处的流速，并且降低其堵塞的可能性。优选地，流道221的沿流体打印单元的流动方向截得的剖面为锥形，以类似于漏斗或地铁闸口的结构形式的锥形的流道221使得流体打印单元在流道221中更加均匀分布，进一步降低其阻塞的可能性，而且锥形流道易于加工，具有较好的可实施性。

具体地或优选地，一方面，流道221的入口尺寸为流体打印单元尺寸的n倍，n＝2-5，在该优选的尺寸范围内能够有效避免流道221的入口发生堵塞的问题。优选地，流道221的入口尺寸为流体打印单元尺寸的2倍，从而使得流道221的入口处最多只能并排地进入两个流体打印单元。由于流道221为渐缩式流道，到达流道221的出口处只能流出单列的流体打印单元，这样能够进一步降低流体打印单元堵塞的可能性，而且有利于流体打印单元呈单列喷出。

另一方面，流道221的出口尺寸是流体打印单元尺寸的1-1.5倍，优选为1.2倍。在该尺寸范围内，流道221不仅利于流体打印单元呈单列喷出，而且还能在保证主材流体不受损的情况下避免辅材流体过厚地包裹主材流体，且有利于进一步提高流体打印单元在流道出口处的流速，保证流体打印单元呈单列喷出的连续性和均匀性。

流道21可以如图所示的为直的，流体打印单元被向下喷出，也可以根据打印需求设置成弯曲的结构形式，以提供更多的喷出方向的选择。

进一步地，如图6所示，延长杆22与喷头21相邻近的端面上设有敞口凹部222，敞口凹部222的出口与流道221连通，喷头21的出口伸入到敞口凹部222中，敞口凹部222朝向流道221是渐缩的，在喷头21的外壁与敞口凹部222之间形成辅材流道221，在喷头21的出口与敞口凹部222的出口之间形成一腔室，通过辅材流道的辅材流体在腔室中包裹从喷头21的出口喷出的主材流体，以形成流体打印单元。

通过在延长杆22与喷头21相邻近的端面上设置渐缩的敞口凹部222，喷头21的外壁与敞口凹部222之间形成辅材流道，喷头21的出口与敞口凹部222的出口之间形成一腔室，辅材流体(水凝胶)通过辅材流道进入该腔室并包裹喷头中喷出的主材流体(生物墨汁)，从而形成混合流体打印单元。其中，主材流体可以是均质、非均质(例如颗粒状混合物)、连续或非连续的流体。

具体而言，由于喷头21的外壁与渐缩的敞口凹部222之间形成辅材流道，辅材流道具有均匀压力的功能，即使辅材如图6所示的是由一侧进入辅材流道，其在辅材流道内仍具有均匀的压强，保证生物材料在邻近或远离辅材进口的一侧具有均匀的包裹效果。在该实施例中，敞口凹部222的沿着所述流体打印单元的流动方向截得的剖面优选地为锥形，呈锥形结构的敞口凹部222使得辅材流体沿敞口凹部222的锥面流动，起到朝向喷头21的出口处汇聚的作用，有利于辅材流体单元对主材流体单元的均匀包裹，该结构形式的敞口凹部222还能够保证腔室内的流向更加稳定。

混合后的流体打印单元在敞口凹部222内流动，而且敞口凹部222有利于流体打印单元朝向延长杆22的流道221处汇聚，保证腔室内的混合后的流体打印单元的流向更加稳定，避免其扩散于辅材流道。

如图6所示，喷头21的出口与敞口凹部222之间留有间隙，具体地或优选地，喷头21的出口与敞口凹部222之间的间隙小于流体打印单元的尺寸，这样能够防止流体打印单元向辅材流道逆向流动，保证腔室内流体打印单元稳定地流向流道221。

基于该实施例的延长杆22，辅材流体包裹主材流体的过程如下：

主材流体从喷头21的喷出后，进入喷头21的出口与敞口凹部222的出口之间的腔室，辅材流体通过喷头21的外壁与敞口凹部222之间形成的辅材流道进入该腔室，腔室中的辅材流体具有一定的压力，并将辅材流体压迫附着于由喷头21露出的一部分的主材流体单元，直至整个主材流体单元喷出后，辅材流体将主材流体单元全部包裹，形成了一个混合的流体打印单元，这时该流体打印单元的一部分可能已经进入到延长杆22的流道221中。最终使得主材流体单元在辅材流体的连续包裹下进入延长杆22的流道221，被辅材流体包裹的主材流体单元在流道221内定向流动、被均匀包裹和有序喷出。

在流动过程中，主材流体被辅材流体充分均匀地包裹，这样结构也使得辅材包裹得均匀而充分，辅材流体在主材流体从流道221的出口喷出之前包裹在主材周围形成保护结构，进一步降低了打印过程对主材流体的影响。

此外，如图6所示，具有流道221的延长杆22可以通过安装块23设置在邻近于喷头21出口位置，进一步地，在延长杆22外周上还可以设置保温件223，保温件223能够保证流体打印单元在流道221中保持所需的温度，维持流体打印单元的活性。

需要说明的是，本发明的实施例仅以接触式电感测量头34和激光测量仪6为例进行说明，但实际上，第二检测装置和第一检测装置也可以选用不通过被压下即能够发出对控制装置的触发信号的结构形式；而且，在该实施例中，打印材料初始附着面位于培养皿4的底壁上，实际上，打印材料初始附着面也可以位于平台5的顶面上以及旋转打印装置中的旋转杆等其他打印载体上，这些都在本发明的保护范围之内。

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 (16)

1.一种生物打印机，其特征在于，包括沿所述生物打印机的Z轴方向运动的Z轴运动组件(1)、喷射装置、平台(5)、控制装置、第一检测装置和第二检测装置，所述平台(5)上设有打印材料初始附着面，在所述Z轴运动组件(1)的驱动下，所述喷射装置靠近或远离所述第一检测装置且所述第二检测装置靠近或远离所述打印材料初始附着面，其中，所述第一检测装置能够在所述喷射装置沿着所述Z轴方向运动至第一位置时向所述控制装置发出第一信号使所述控制装置校准所述喷射装置的长度的预设值，所述第二检测装置能够在其沿着所述Z轴方向运动至第二位置时向所述控制装置发出第二信号使所述控制装置校准所述打印材料初始附着面的高度的预设值。

2.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，所述控制装置包括信号接收模块、高度获取模块以及校准模块，其中，所述信号接收模块用于接收所述第一检测装置发出的第一信号以及所述第二检测装置发出的第二信号，所述高度获取模块用于分别在所述信号接收模块接收所述第二信号后和所述信号接收模块接收所述第一信号后获取相应的所述Z轴运动组件(1)的实际高度值，而所述校准模块则用于依据所述Z轴运动组件(1)的实际高度值与预设值之间的变化量来对所述喷射装置的长度的预设值以及所述打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

3.根据权利要求2所述的生物打印机，其特征在于，所述Z轴运动组件(1)通过驱动电机驱动，所述高度获取模块用于通过获取所述Z轴运动组件(1)停止运动时所述驱动电机的转角来获取所述Z轴运动组件(1)的实际高度值。

4.根据权利要求2所述的生物打印机，其特征在于，在所述第一位置，所述喷射装置的底端与所述第一检测装置抵接。

5.根据权利要求4所述的生物打印机，其特征在于，所述喷射装置为喷头(21)；或者，所述喷射装置包括喷头(21)和延长杆(22)，所述延长杆(22)设置在所述喷头(21)出口的下方并与所述喷头(21)的出口间隔一段距离设置，所述延长杆(22)内设有细长的流道(221)，用于使生物打印材料的流体打印单元通过所述流道(221)被引导而定向喷出，所述喷射装置用于与所述第一检测装置抵接的底端为所述延长杆(22)的底端。

6.根据权利要求4所述的生物打印机，其特征在于，所述第一检测装置包括激光测量仪(6)。

7.根据权利要求2所述的生物打印机，其特征在于，在所述第二位置，所述第二检测装置的底端与所述打印材料初始附着面抵接。

8.根据权利要求7所述的生物打印机，其特征在于，所述生物打印机还包括伸缩控制装置，所述伸缩控制装置与所述Z轴运动组件(1)连接，所述第二检测装置与所述伸缩控制装置连接，所述伸缩控制装置能够控制所述第二检测装置的底端向着所述打印材料初始附着面运动一定的距离。

9.根据权利要求8所述的生物打印机，其特征在于，所述伸缩控制装置能够控制所述第二检测装置的底端垂直地向着所述打印材料初始附着面运动固定的距离。

10.根据权利要求9所述的生物打印机，其特征在于，所述伸缩控制装置包括气缸(31)，所述气缸(31)的缸筒与所述Z轴运动组件(1)连接，且所述气缸(31)的缸杆与所述第二检测装置连接。

11.根据权利要求10所述的生物打印机，其特征在于，所述伸缩控制装置还包括直线保持装置，所述直线保持装置能够保持所述第二检测装置的直线度。

12.根据权利要求11所述的生物打印机，其特征在于，所述直线保持装置包括滑槽(32)和与所述滑槽(32)滑动配合的夹持块(33)，所述滑槽(32)连接于所述气缸(31)的缸筒上，所述夹持块(33)连接于所述第二检测装置上，所述夹持块(33)和所述第二检测装置能够一起沿着所述滑槽(32)运动。

13.根据权利要求7所述的生物打印机，其特征在于，所述第二检测装置包括电感测量头(34)。

14.一种用于权利要求1所述的生物打印机的校准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述生物打印机的喷射装置在所述Z轴运动组件(1)的驱动下运动至所述第一位置，所述第一检测装置向所述控制装置发出所述第一信号；

接收到所述第一信号后，所述控制装置对所述喷射装置的长度的预设值进行校准；

所述生物打印机的第二检测装置在所述Z轴运动组件(1)的驱动下运动至所述第二位置，所述第二检测装置向所述控制装置发出所述第二信号；

接收到所述第二信号后，所述控制装置对所述打印材料初始附着面的高度的预设值进行校准。

15.根据权利要求14所述的校准方法，其特征在于，接收到所述第一信号后，所述方法还包括以下步骤：

所述控制装置控制所述Z轴运动组件(1)停止运动并获取所述Z轴运动组件(1)的实际高度值；

所述控制装置通过计算所述Z轴运动组件(1)的实际高度值相对于Z轴运动组件(1)的预设高度值的变化量来获取所述喷射装置的长度的变化量；

所述控制装置依据所述喷射装置的长度的变化量来校准所述喷射装置的长度的预设值。

16.根据权利要求14所述的校准方法，其特征在于，接收到所述第二信号后，所述方法还包括以下步骤：

所述控制装置控制所述Z轴运动组件(1)停止运动并获取所述Z轴运动组件(1)的实际高度值；

所述控制装置通过计算所述Z轴运动组件(1)的实际高度值相对于Z轴运动组件(1)的预设高度值的变化量来获取所述打印材料初始附着面的高度的变化量；

所述控制装置依据所述打印材料初始附着面的高度的变化量来校准所述打印材料初始附着面的高度的预设值。