CN109294910B - 一种近场细胞3d打印成型机构、3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场细胞3D打印装置及其打印方法。细胞3D打印装置包括3D打印成型机构和臂式机器人3D打印运动机构，所述的3D成型机构包括近场模块，挤出‑喷射集成模块和光固化模块，所述近场模块设置有带孔导电圆片和正极。所述臂式机器人3D打印运动机构与所述挤出‑喷射集成模块连接，所述运动机构包括多轴臂式机器人，以及集成在多轴臂式机器人内部的震动阻尼装置。该装置在近场静电作用下，能够实现对墨水的精确控制和成型，实现10nm～100μm墨水细度控制和高尺寸样品3D打印；打印时震动幅度小，打印误差小，精度可达10μm，可实现精确走位和高自由度3D打印。

Description

一种近场细胞3D打印成型机构、3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明属于细胞3D打印技术领域，特别涉及一种近场细胞3D打印成型机构、3D打印装置及其打印方法。

背景技术

由先天畸形、外伤、事故和病变等所导致的组织/器官缺损严重影响人们的生活质量，此时就需要对缺损部位进行修复。按照来源不同可将组织器官修复分为生物修复体和人造修复体(亦称人工组织/器官)，生物修复体可分为三种，分别为同种同体修复体、同种异体修复体和异种异体修复体。同种同体修复体来自人自身的其他部位，这种方式是最理想的，安全性最高的，不存在免疫排斥，是组织/器官修复的黄金法则(Gold standard)。但这种方法只适用于特定组织，比如骨组织和皮肤等，而且同时也会面临缺乏移植源及对人体造成的二次伤害。同种异体修复体来自第二者捐献，而异种修复体则来自动物。同种异体和异种异体都可能会存在导致植入体内后的免疫排斥和携带病原体的风险，会有潜在的危害和导致二次手术。在生物修复体无法满足实际需求的情况下，人工组织/器官应运而生。

组织工程是一个跨学科的领域，旨在开发功能组织/器官作为体内移植来缓解器官短缺或作为体外模型来进行研究疾病机制并发现药物的技术。组织/器官功能的再现需要细胞组分和细胞外基质的模仿。传统组织工程在组织和器官制造方面存在巨大的困难，原因在于复杂的几何结构的支架材料难以制备出来。3D打印技术的出现，为组织和器官的制造提供广阔的空间。3D打印技术可以根据病人的病患部位的实际情况来设计、打印和定制器件，此也为个性化医疗提供了契机。另外，这种方法具有大规模可扩展性和可重复性的潜力和优势，也增加了其临床转化可行性。

3D细胞打印技术是生物打印的基础，是进一步制造组织和器官的前提。这项技术通过设计智能和先进的打印机、合适的生物墨水以及适当的复合技术就可以重现人体组织/器官独特的制造过程。通过设计还可以实现多种类型细胞和各种生物组分的打印，这在组织工程的3D细胞打印方面具有巨大的优势。该技术需要对细胞定位技术进行精确的控制，因此除了细胞以外还需要3D打印设备和打印墨水的匹配。目前常见的细胞打印技术包括，挤出式、喷射式、光固化式和激光辅助成型式。

挤出式的优势在于简易的设备和高的细胞密度，缺点是适配墨水粘度大，在挤压过程中易对细胞造成损伤。喷射式优势在于墨水粘度低、打印速度快和分辨率高，缺点是脉冲式打印、垂直方向上难以维持和细胞密度低。光固化式的优点在于可打印复杂结构、精度高和细胞存活率高，缺点是紫外线和光固化树脂的毒性以及细胞种类少。激光辅助成型式优点是高分辨率，缺点是价格昂贵以及打印过程中由于激光热效应对细胞产生损伤而造成的低细胞存活率。墨水常见的有天然高分子材料如胶原蛋白、丝素蛋白、明胶、壳聚糖和海藻酸钠等形成的水凝胶，合成高分子如聚己内酯、聚乳酸和聚乙醇酸及其共聚物等，特殊组织/器官如骨组织器官还会用到无机材料如羟基磷灰石和磷酸钙等。综上，细胞3D打印技术急需解决细胞存活率低、打印结构精细度低和3D打印精度低的难题。

为了实现高精度高自由度打印，臂式机器人3D打印是目前最好的选择之一。但是由于传统刚性臂式机械臂在运动过程产生较大的震动，使得定位不准以及打印精度低(精度大约为100μm)。因此需要解决震动问题，才能使臂式机器人在3D打印中获得更大的应用。另外，静电纺丝技术是制备超细纤维的最佳的技术之一，但是该技术难以实现定向有序制造。

发明内容

为了解决目前细胞打印技术存在的技术难题，本发明提出了一种高精度近场细胞3D打印成型机构、包含该机构的打印装置及其打印方法。

本发明提供如下技术方案：

一种近场细胞3D打印成型机构，其包括近场模块、挤出-喷射集成模块和成型平台；

所述挤出-喷射集成模块包括挤出模块与点胶喷射控制模块，其设置于成型平台的上方；

所述近场模块设置于挤出模块的喷头的一侧，所述近场模块上设有带孔导电圆片和正极；带孔导电圆片位于喷头与成型平台之间，且带孔导电圆片的圆孔与喷头严格准心；所述正极与喷头连接，所述带孔导电圆片接地并随喷头移动。

根据本发明的实施方案，所述近场模块可以为高压近场模块或者低压近场模块，优选为低压近场模块，所述低压近场模块的电压可以为0.1～10kV，例如0.5～8kV、1～7kV、3～5kV。

根据本发明，所述挤出-喷射集成模块可以设置至少一个喷头，例如可以设置2个、3个、4个喷头。其中，至少一个喷头上可以设置喷头温度调节模块，使喷头具有温度调节功能，从而实现低温到高温的效果，以满足不同细胞墨水材料的打印。

根据本发明，所述挤出模块可以为气动挤出模块，其内部盛装细胞墨水。其中，所述挤出模块设置气体入口，在气体气压作用下，将细胞墨水顺利挤出。其中，所述点胶喷射控制模块控制挤出模块内细胞墨水的精确挤出和断停。

根据本发明，所述挤出模块的材质为生物相容性材质，例如惰性的生物相容PP材质和生物医用不锈钢材质中的至少一种。例如，所述挤出模块的下端的材质可以为不锈钢材质。

根据本发明，所述挤出模块的下端与带孔导电圆片的上表面的距离为0.5～20mm，例如1～15mm，3～10mm，5～8mm。优选地，所述带孔导电圆片外径20～50mm，内径1～10mm，厚度0.5～1mm。优选地，所述带孔导电圆片的下表面与成型平台的距离为0.5～5mm，例如1～4mm，2～3mm。

根据本发明，所述点胶喷射控制模块上设置压电开关，所述压电开关最高可实现1000Hz的连续断停。

根据本发明，所述打印成型机构还包括光固化模块，所述光固化模块设置在成型平台的上侧方，光固化模块迅速发出的可见光，可以辅助细胞墨水成型，防止发生垮塌和变形。

本发明还提供一种近场细胞3D打印装置，该装置包括上述近场细胞3D打印成型机构。

根据本发明的3D打印装置，该装置还可以包括臂式机器人3D打印运动机构，所述臂式机器人3D打印运动机构与所述挤出-喷射集成模块连接，所述运动机构包括多轴臂式机器人，以及集成在多轴臂式机器人内部的震动阻尼装置；优选地，所述阻尼装置可以设置在多轴臂式机器人的机械臂传统杆中心孔和/或机械臂关节处。

根据本发明的3D打印装置，所述多轴臂式机器人可以为4轴臂式机器人、5轴臂式机器人或6轴臂式机器人；优选为6轴臂式机器人。所述6轴臂式机器人可以包括顺次连接的第1轴旋转运动机构、第2轴旋转运动机构、第3轴旋转运动机构、第4轴旋转运动机构、第5轴旋转运动机构、第6轴旋转运动机构，第2轴旋转运动机构与第3轴旋转运动机构通过传动杆连接。

根据本发明的3D打印装置，所述震动阻尼装置包括电/磁变流体、线圈、电场电极，电/磁变流体设置在内部，电/磁变流体形成区域的两侧设置电场电极，与电场电极垂直的方向上设置线圈。电/磁变流体能在电/磁场作用下迅速发生状态改变以及电磁致伸缩，从而可以有效吸收震动。例如，所述震动阻尼装置还可以包括壳体，所述壳体设置在最外层。

例如，所述震动阻尼装置还可以包括绝缘层，所述绝缘层设置于电/磁变流体外层，完全包裹住电/磁变流体。再如，所述震动阻尼装置还可以包括传动轴和转子，所述转子通过传动轴固定在壳体内。又如，所述震动阻尼装置还可以包括电机，所述电机带动转子运动。

根据本发明示例性的技术方案，当所述震动阻尼装置设置在多轴臂式机器人的机械臂传动杆中心孔时，所述震动阻尼装置包括中心孔阻尼器电/磁变流体、中心孔阻尼器绝缘层、中心孔阻尼器线圈、中心孔阻尼器电场电极和中心孔阻尼器壳体，所述中心孔阻尼器电/磁变流体位于中心孔阻尼器绝缘层的内部，被中心孔阻尼器绝缘层完全包裹住，所述中心孔阻尼器电场电极设置在中心孔阻尼器电/磁变流体的两侧，所述中心孔阻尼器线圈设置在中心孔阻尼器绝缘层外部，且与中心孔阻尼器电场电极垂直。

根据本发明示例性的技术方案，当所述震动阻尼装置设置在多轴臂式机器人的机械臂关节处时，所述震动阻尼装置包括关节处阻尼器电/磁变流体、关节处阻尼器线圈、关节处阻尼器电场电极、关节处阻尼器传动轴、关节处阻尼器转子、关节处阻尼器壳体、关节处阻尼器电机，所述关节处阻尼器电/磁变流体设置在关节处阻尼器转子的外侧，所述关节处阻尼器电场电极设置在关节处阻尼器电/磁变流体所形成区域的外侧，所述关节处阻尼器线圈设置在关节处阻尼器转子的两侧且与关节处阻尼器电场电极垂直，所述关节处阻尼器转子通过关节处阻尼器传动轴固定在关节处阻尼器壳体内，所述关节处阻尼器电机用于带动关节处阻尼器转子运动。

根据本发明，该装置还可以任选地包括温度调节模块、和/或在线监测模块、和/或生物安全柜，所述温度调节模块设置在生物安全柜上，优选位于细胞3D打印成型机构的上方。其中，温度调节模块用于满足不同细胞打印过程的温度要求，优选地，温度调节模块的温度调节范围为-10～50℃；在线监测模块用于监测细胞打印过程，生物安全柜用于为细胞打印提供无菌环境，保证细胞在打印过程中不被污染。

根据本发明，上述近场细胞3D打印成型机构、臂式机器人3D打印运动机构、温度调节模块、在线监测模块等均由同一程序控制工作，所述程序为本领域已知的任何可以实现控制功能的程序。

进一步地，本发明还提供上述近场细胞3D打印装置的细胞打印方法，其包括步骤：在气压作用下挤出细胞墨水，细胞墨水在静电场作用下被拉成丝，在3D打印运动机构的控制下实现墨水的精确打印。优选地，所述挤出的细胞墨水穿过带孔导电圆片的圆孔，在静电场作用下被拉成丝。

根据本发明的打印方法，所述气压是细胞墨水挤出的动力，其压力可以为0.1～1.0MPa，例如0.2～0.8MPa、0.4～0.6MPa。

根据本发明的打印方法，所述静电场可以通过引入低压近场实现，所述低压近场的电压可以为0.1～10kV，例如0.5～8kV、1～7kV、3～5kV。

根据本发明的打印方法，所述细胞墨水的温度可以为-10～260℃。例如，不同温度的细胞墨水可以从不同的喷嘴中挤出，可以先打印一层墨水，再打印另一层不同温度的墨水，即按照XYZ运动3D打印，或者还可以进行空间立体打印。

根据本发明的打印方法，所述丝的直径可以为10nm～100μm，例如30nm～90μm、500nm～50μm、1～10μm。

根据本发明的打印方法，所述3D打印运动机构可以为现有技术已知的3D打印运动机构或者上述臂式机器人3D打印运动机构。

根据本发明的打印方法，该方法还包括细胞墨水的固化成型，例如采用可见光使细胞墨水迅速固化成型，防止发生垮塌和变形。

本发明所述的电/磁变流体是“电变流体和磁变流体”的缩写形式。

本发明的有益效果：

1.本发明的近场3D打印成型模块，集成了挤出模块、点胶喷射模块、光固化和近场模块。墨水由挤出模块和喷射模块精确控制低粘度挤出，在近场模块下迅速被拉伸而变细，而且在电场控制下，墨水细度精确可调(调节范围10nm～100μm)。由于细度可调，可适用于不同细胞的3D打印。沉积在平台上后，可见光激光迅速将墨水固化。因此3D打印成型模块能够实现墨水的精确控制和成型。

2.发明人发现，近场静电纺丝技术虽然可以实现定向有序制造，但是由于受电场限制，z轴方向成型能力差，仅可以打印几毫米厚度的薄膜，难以制备高尺寸的样品。随着打印样品越来越高，电场会变弱和不稳定，高尺寸打印将成为一个难题。本发明中近场模块设有带孔导电圆片，墨水在电场力作用下从孔穿过沉积在平台上，电场力始终恒定和稳定，此解决了不能制备高尺寸样品的难题。

3.墨水的低粘度挤出，有利于细胞的存活。可见光光固化的采用减少对细胞的损伤，进而提高细胞存活率。

4.本发明的臂式机器人的3D打印运动机构，可实现高自由度三维立体制造。在臂式机器人中集成了电/磁变流体，由于流体在电/磁场作用下，可以迅速发生状态变化以及电磁致伸缩，比如由液态变为固态或由固态变为液态，从而可以有效吸收震动，减小误差(精度可达10μm)，可实现精确走位。

5.本发明的近场3D打印装置，实现成型机构、运动机构、温度调节模块、在线监测和生物安全柜的集成。可实现细胞的高精度，高速度和高存活率的3D打印制造。

附图说明

图1为实施例1所述近场3D打印成型机构的结构示意图。

图2为实施例2所述6轴臂式机器人的3D打印运动机构的结构示意图。

图3为实施例2所述3D打印运动机构中机械臂传动杆中心孔位置的剖面图。

图4为实施例2所述3D打印运动机构中机械臂关节处的剖面图。

图5为实施例2所述近场细胞3D打印装置的结构示意图。

附图1-5中所示的附图标记如下：1-1-3D打印成型平台，1-2-光固化模块，1-3-点胶喷射控制模块，1-4-挤出模块，1-5-墨水，1-6-近场模块，1-7-四喷头挤出与喷射集成模块，1-8-带孔导电圆片，1-9正极；

2-1-第1轴旋转运动机构，2-2-第2轴旋转运动机构，2-3-传动杆，2-4-第3轴旋转运动机构，2-5-第4轴旋转运动机构，2-6-第5轴旋转运动机构，2-7-第6轴旋转运动机构；

3-1-中心孔阻尼器绝缘层，3-2-中心孔阻尼器电/磁变流体，3-3-中心孔阻尼器线圈，3-4-中心孔阻尼器电场电极，3-5-中心孔阻尼器壳体；

4-1-关节处阻尼器电场电极，4-2-关节处阻尼器传动轴，4-3-关节处阻尼器电/磁变流体，4-4-关节处阻尼器转子，4-5-关节处阻尼器线圈，4-6-关节处阻尼器壳体，4-7-关节处阻尼器电机；

5-1-3D打印在线监测模块，1-1-3D打印成型平台，5-2-6轴臂式机器人3D打印运动机构，5-3-生物安全柜，5-4-温度调节模块，1-7-四喷头挤出与喷射集成模块，1-2-光固化模块，5-5-在线监测高速摄像机，1-6-近场模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

[近场3D打印成型机构]

如图1所示的近场3D打印成型机构，其包括成型平台1-1、光固化模块1-2，点胶喷射控制模块1-3，挤出模块1-4，墨水1-5，低压近场模块1-6。

其中，墨水1-5是包含细胞和细胞外培养基并具有一定粘度的流体，其盛装于挤出模块1-4内。

挤出模块1-4为气动挤出模块，挤出模块上设置气体入口，在气体气压(气压范围为0.1～1.0MPa)作用下，将细胞墨水顺利挤出。

点胶喷射控制模块1-3配合挤出模块1-4使用，在程序控制下实现墨水的间断或连续给出。

挤出模块1-4和点胶喷射控制模块1-3集成为四喷头挤出-喷射集成模块1-7，设置于成型平台1-1的上方；

低压近场模块1-6设置于挤出模块1-4的喷头的一侧，近场模块上设有带孔导电圆片1-8和正极1-9，带孔导电圆片1-8位于四喷头挤出-喷射集成模块1-7中喷头与成型平台1-1之间，且带孔导电圆片1-8的圆孔与四喷头挤出-喷射集成模块1-7中喷头严格准心；正极1-9与喷头连接，带孔导电圆片1-8接地并随喷头移动。墨水经喷头挤出从带孔导电圆片1-8的圆孔穿过到达成型平台1-1，在恒定和稳定的静电场下作用下，被拉伸而变得很细，通过调节静电场的参数即可获得不同细度的丝材。优选地，低压近场模块的电压范围为0.1～10kV。

带孔导电圆片1-8设置在四喷头挤出-喷射集成模块1-7的正下方，带孔导电圆片1-8的外径20～50mm，内径1～10mm，厚度0.5～1mm，例如外径40mm，内径5mm，厚度1mm。

光固化模块1-2设置在带孔导电圆片1-8的上侧方，用于激发包含光固化树脂的墨水固化。

成型平台1-1用于承接最后被挤出、拉伸和固化的墨水。

在本发明的一个方案中，挤出模块1-4的材质为有惰性的生物相容的透明的PP或生物医用不锈钢材质，挤出模块最下端喷嘴为不锈钢材质，距离带孔导电圆片1-8上表面的距离为0.5～20mm，例如5mm。带孔导电圆片1-8的下表面距成型平台0.5～5mm，例如2mm。

在本发明的一个方案中，点胶喷射控制模块1-3使用的是压电开关，最高可实现1000Hz的连续断停。

在本发明的一个方案中，四喷头挤出-喷射集成模块1-7上的四喷头可以均设置喷头温度调节模块，可实现-10～260℃的调节。

在本发明的一个方案中，光固化模块1-2使用的是某一波段可见光(如532nm)，可以辅助细胞墨水成型，防止发生垮塌和变形。

在本发明的一个方案中，四喷头挤出-喷射集成模块1-7，低压近场模块1-6和光固化模块1-2，均在程序控制下完成相应的命令，亦可单独或联合使用。

实施例2

[6轴臂式机器人3D打印运动机构]

如图2提供的6轴臂式机器人3D打印运动机构，其包括6轴臂式机器人(其为一种6轴臂式机械臂)以及集成在6轴臂式机器人内部的震动阻尼装置；

6轴臂式机器人与四喷头挤出-喷射集成模块1-7连接；

震动阻尼装置可以设置在6轴臂式机器人的机械臂传动杆中心孔和机械臂关节处。

6轴臂式机器人包括顺次连接的第1轴旋转运动机构2-1、第2轴旋转运动机构2-2、第3轴旋转运动机构2-4、第4轴旋转运动机构2-5、第5轴旋转运动机构2-6、第6轴旋转运动机构2-7，第2轴旋转运动机构2-2与第3轴旋转运动机构2-4通过传动杆2-3连接。

如图3所示，震动阻尼装置设置在6轴臂式机器人的机械臂传动杆中心孔，其包括中心孔阻尼器绝缘层3-1、中心孔阻尼器电/磁变流体3-2、中心孔阻尼器线圈3-3、中心孔阻尼器电场电极3-4和中心孔阻尼器壳体3-5，中心孔阻尼器电/磁变流体3-2位于中心孔阻尼器绝缘层3-1的内部，被中心孔阻尼器绝缘层3-1完全包裹住，中心孔阻尼器电场电极3-4设置在中心孔阻尼器电/磁变流体3-2的两侧，中心孔阻尼器线圈3-3设置在中心孔阻尼器绝缘层3-1外部，且与中心孔阻尼器电场电极3-4垂直。

如图4所示，震动阻尼装置还设置在6轴臂式机器人的机械臂关节处，其包括关节处阻尼器电场电极4-1、关节处阻尼器传动轴4-2、关节处阻尼器电/磁变流体4-3、关节处阻尼器转子4-4、关节处阻尼器线圈4-5、关节处阻尼器壳体4-6、关节处阻尼器电机4-7，关节处阻尼器电/磁变流体4-3设置在关节处阻尼器转子4-4的外侧，关节处阻尼器电场电极4-1设置在关节处阻尼器电/磁变流体4-3的外侧，关节处阻尼器线圈4-5设置在关节处阻尼器转子4-4的两侧且与关节处阻尼器电场电极4-1垂直，关节处阻尼器转子4-4通过关节处阻尼器传动轴4-2固定在关节处阻尼器壳体4-6内，关节处阻尼器电机4-7用于带动关节处阻尼器转子4-4运动。

中心孔位置和各个关节处的电/磁变流体的状态由直流电场和由线圈所产生的磁场控制。

在程序控制下，通过关节处的6个旋转传动来实现精确走位。6轴机械臂可以实现常规XYZ式运动3D打印，还可以实现空间立体制造。6轴机械臂中心孔位置和各个关节处具有电/磁变流体，电/磁变流体在电场和磁场可以实现液态和固态的转变和电磁致伸缩，用以吸收6轴机械臂运动产生的震动，减少由震动所带来的误差。

在本发明的一个方案中，所述6轴机械臂的旋转传动是伺服电机控制。

[近场3D打印装置]

如图5所示的细胞3D打印装置，其包括3D在线监测模块5-1，近场3D打印成型机构，6轴臂式机器人3D打印运动机构5-2，生物安全柜5-3和温度调节模块5-4集合而成；近场3D打印成型机构包括3D打印成型平台1-1、四喷头挤出-喷射集成模块1-7、光固化模块1-2和低压近场模块1-6。

近场3D打印成型机构、6轴臂式机器人3D打印运动机构5-2和温度调节模块5-4均位于生物安全柜5-3内，温度调节模块5-4设置在近场3D打印成型机构的上方，3D在线监测模块5-1设置在生物安全柜5-3的一侧。

温度调节模块5-4可实现低温到高温(例如-10～50℃)的调节满足不同细胞打印的需要。3D在线监测模块5-1可以控制在线监测告诉摄像机5-5的运动，实时动态监测细胞打印过程。生物安全柜5-3提供细胞打印无菌的环境。

实施例3

[3D打印方法]

本实施例提供一种细胞3D打印方法，使用上述的近场3D打印成型机构，或者使用上述的6轴臂式机器人3D打印成型机构，或使用由两者集成的上述的3D打印装置。

该打印方法包括步骤：在气压作用下挤出细胞墨水，细胞墨水经喷头挤出后穿过带孔导电圆片，在恒定和稳定的静电场作用下被拉成丝，在3D打印运动机构的控制下实现墨水的精确打印。

气压是细胞墨水挤出的动力，其压力可以为0.2MPa。静电场可以通过引入低压近场实现，低压近场的电压可以为2.5kV。细胞墨水从成型机构中挤出后，在重力的作用下，会沉积在工作台上。挤出的丝较粗，一般几百微米，很难再进一步变细。近场模块的引入，使得细胞墨水在静电场和重力场的作用下被拉伸而变细，因此可以实现直径10nm～100μm的丝的挤出。

在本发明的一个方案中，所述的方法包括：喷头是四喷头结构，可打印四种不同的墨水(墨水的温度可以为-10～260℃)。四个喷头均有喷头温度调节模块，可使喷头内的墨水具有不同的温度。可先打印一层墨水，然后再打印另外一层不同墨水。亦可在不同区域打印不同的墨水。四个喷头可装入粘度、材料和细胞均不相同的墨水。

在本发明的一个方案中，所述方法包括：当打印较为粘稠的细胞墨水时，可以使用挤出式与近场结合的方式来完成打印。成型机构可连续给出细胞墨水丝，在臂式机器人精确控制下可实现墨水的精确打印。

在本发明的一个方案中，所述方法包括：当打印较为粘稠细胞墨水时，运动机构在转弯时速度会减慢。此时需要对细胞墨水断停，或者某些部位也需要对细胞墨水进行精确的控制。压电点胶模块的引入可实现细胞墨水的精确控制。

在本发明的一个方案中，所述方法包括：当打印较为稀的细胞墨水时，由于粘度较小，容易出现坍塌。需要引入光固化树脂和光固化模块来辅助成型。

在本发明的一个方案中，所述方法包括：由6轴臂式机器人3D打印运动机构完成精确走位(精度可达10μm)，来实现细胞墨水的高精度3D打印制造。由6轴机械臂带动3D打印成型机构运动，待运动将要完成时，传动杆电场电极和线圈分别断电，其作用于电/磁变流体，流体将由固态变为液态，将有效吸收传动杆所带来的震动；而关节处的电场电极和线圈分别通电，电/磁变流体将由液态变为固态，及时将伺服电机停止，阻止惯性冲击所带来的影响。

在本发明的一个方案中，所述方法包括：3D打印装置，可以按照常规XYZ运动方式进行3D打印一层一层制造，或可以进行3D空间立体制造，或者XYZ和空间立体制造结合的方式进行制造。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (30)

1.一种近场细胞3D打印成型机构，其特征在于，该成型机构包括近场模块、挤出-喷射集成模块和3D打印成型平台；

所述挤出-喷射集成模块包括挤出模块与点胶喷射控制模块，其设置于成型平台的上方；

所述近场模块设置于挤出模块的喷头的一侧，所述近场模块上设有带孔导电圆片和正极；带孔导电圆片位于喷头与成型平台之间，且带孔导电圆片的圆孔与喷头严格准心；所述正极与喷头连接，所述带孔导电圆片接地并可随喷头移动。

2.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述近场模块为高压近场模块或者低压近场模块。

3.根据权利要求2所述的成型机构，其特征在于，所述近场模块为低压近场模块。

4.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述带孔导电圆片的外径20～50mm，内径1～10mm，厚度0.5～1mm。

5.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述带孔导电圆片下底面离成型平台为0.5～5mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的成型机构，其特征在于，所述挤出-喷射集成模块设置至少一个喷头，至少一个喷头上设置喷头温度调节模块。

7.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述挤出模块为气动挤出模块，其内部盛装细胞墨水。

8.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述挤出模块的材质为生物相容性材质。

9.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述挤出模块的下端与带孔导电圆片的上表面的距离为0.5～20mm，所述带孔导电圆片的下表面与成型平台的距离为0.5～5mm。

10.根据权利要求1所述的成型机构，其特征在于，所述点胶喷射控制模块上设置压电开关。

11.根据权利要求1-5任一项所述的成型机构，其特征在于，所述打印成型机构还包括光固化模块，所述光固化模块设置在成型平台的上侧方，用于辅助细胞墨水成型。

12.一种近场细胞3D打印装置，其特征在于，该装置包括权利要求1～11任一项所述近场细胞3D打印成型机构。

13.根据权利要求12所述的3D打印装置，其特征在于，该装置还包括臂式机器人3D打印运动机构，所述臂式机器人3D打印运动机构与所述挤出-喷射集成模块连接，所述运动机构包括多轴臂式机器人，以及集成在多轴臂式机器人内部的震动阻尼装置。

14.根据权利要求13所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置设置在多轴臂式机器人的机械臂传动杆中心孔和/或机械臂关节处。

15.根据权利要求13所述的3D打印装置，其特征在于，所述多轴臂式机器人为4轴臂式机器人、5轴臂式机器人或6轴臂式机器人。

16.根据权利要求15所述的3D打印装置，其特征在于，所述多轴臂式机器人为6轴臂式机器人。

17.根据权利要求16所述的3D打印装置，其特征在于，所述6轴臂式机器人包括顺次连接的第1轴旋转运动机构、第2轴旋转运动机构、第3轴旋转运动机构、第4轴旋转运动机构、第5轴旋转运动机构、第6轴旋转运动机构，第2轴旋转运动机构与第3轴旋转运动机构通过传动杆连接。

18.根据权利要求13所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置包括电/磁变流体、线圈、电场电极，电/磁变流体设置在内部，电/磁变流体形成区域的两侧设置电场电极，与电场电极垂直的方向上设置线圈。

19.根据权利要求18所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置还包括壳体，所述壳体设置在最外层。

20.根据权利要求18所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置还包括绝缘层，所述绝缘层设置于电/磁变流体外层，完全包裹住电/磁变流体。

21.根据权利要求19所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置还包括传动轴和转子，所述转子通过传动轴固定在壳体内。

22.根据权利要求21所述的3D打印装置，其特征在于，所述震动阻尼装置还包括电机，所述电机带动转子运动。

23.根据权利要求12-22任一项所述的3D打印装置，其特征在于，该装置还任选地包括温度调节模块、和/或在线监测模块、和/或生物安全柜，所述温度调节模块设置在生物安全柜上。

24.权利要求12-23任一项所述近场细胞3D打印装置的细胞打印方法，其特征在于，该方法包括步骤：在气压作用下挤出细胞墨水，细胞墨水在静电场作用下被拉成丝，在3D打印运动机构的控制下实现墨水的精确打印。

25.根据权利要求24所述的细胞打印方法，其特征在于，所述挤出的细胞墨水穿过带孔导电圆片的圆孔，在静电场作用下被拉成丝。

26.根据权利要求24所述的细胞打印方法，其特征在于，所述气压的压力为0.1～1.0MPa。

27.根据权利要求24所述的细胞打印方法，其特征在于，所述静电场通过引入低压近场实现，所述低压近场的电压为0.1～10kV。

28.根据权利要求24或25所述的细胞打印方法，其特征在于，所述细胞墨水的温度为-10～260℃。

29.根据权利要求24或25所述的细胞打印方法，其特征在于，所述丝的直径为10nm～100μm。

30.根据权利要求24所述的细胞打印方法，其特征在于，该方法还包括细胞墨水的固化成型。

Images