CN109760311B - 一种具有整合系统的3d生物打印机 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D生物打印设备领域，具体涉及一种具有整合系统的3D生物打印机，其中打印平台安装在XY双轴运动系统上，打印单元悬挂横臂安装在Z轴运动系统上位于所述打印平台上方，且XY双轴运动系统和Z轴运动系统均与打印机控制器连接，通过与打印机控制器连接的计算机控制从而实现三维空间的移动、定位。打印单元悬挂横臂上设置打印单元支架用于固定打印单元，打印单元为微量挤压式、静电纺丝式、压电喷射式或光固化式中的一种或多种，每种打印单元的数量≥1，打印单元内的打印材料为细胞类材料、天然生物材料、合成高分子材料或无机材料中的一种或多种，因此可以适用复杂结构的打印。

Description

一种具有整合系统的3D生物打印机

技术领域

本发明属于3D生物打印设备领域，具体涉及一种具有整合系统的3D生物打印机。

背景技术

3D生物打印机能够在数字三维模型的驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞，从而打印出三维结构支架，也可以打印出含有细胞的支架复合物，或者是具有生物活性的组织、器官等。为了能够在一台设备中，一次打印出具有功能的人体组织器官，需要再一台打印设备中集成多个不同类型的打印头，以适应不同种类材料、细胞的打印，例如：高分子多聚体、有机或无机化学品、水溶性或非水溶性材料、细胞、明胶、纤维蛋白原、PCL、海藻酸钠、甘油等其中的一种或者多种。同时由于3D生物打印机采用增材制造的原理，因此下一层打印时与上一层之间的误差需要控制在极小的范围内。因此如何合理设计3D生物打印机的结构，以达到精确打印每层组织的目的，是目前本领域需要解决的问题。

中国发明专利申请CN201610302055.7公开了一种自动配料和混料的多喷头生物3D打印设备及控制方法，该打印设备打印时在移动顶梁和取料驱动臂的配合运动下使取料驱动臂的前部卡抓可以卡住喷头托架中任意一个喷头的筒体部位，然后取料驱动臂上移，将所需喷头从喷头托架中取出，在移动顶梁和取料驱动臂的配合运动下控制所需喷头移动到打印位置，然后通过旋盖上的进气管对混料筒内通气加压，当电磁换向阀阀组b中与所需喷头对应的电磁换向阀得电开启，便可将混料筒内的生物材料通过混料罐组件底部料管从喷头中挤出，在移动顶梁和取料驱动臂配合运动下按照预定路径完成生物材料的打印工作。打印过程中通过驱动臂移动喷头，因此打印不同层时容易引入由喷头相对移动而造成的误差。

中国发明专利CN201410162181.8公开了一种自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，包括：喷射装置、三维运动机构、成形台以及控制系统，所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Z1轴运动机构上而随Z1轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种具有整合系统的3D生物打印机，能够同时集成多种不同类型的打印单元打印出具有复杂结构的产品，并且打印精度高。

为解决上述问题，本发明提供了一种具有整合系统的3D生物打印机，包括计算机、打印机控制器、XY双轴运动系统、打印平台、 Z轴运动系统、打印单元悬挂横臂和打印单元，所述打印平台安装在所述XY双轴运动系统上，所述打印单元悬挂横臂安装在Z轴运动系统上，所述打印单元悬挂横臂位于所述打印平台上方，所述计算机内设置打印机控制系统，所述打印机控制器与所述计算机连接；

所述XY双轴运动系统和所述Z轴运动系统均与打印机控制器连接；

所述打印单元悬挂横臂上设置打印单元支架，所述打印单元固定在所述打印单元支架上，所述打印单元与所述打印机控制器连接；

所述打印单元为微量挤压式、静电纺丝式、压电喷射式或光固化式中的一种或多种，每种打印单元的数量≥1，所述打印单元内容纳的打印材料为细胞类材料、天然生物材料、合成高分子材料或无机材料中的一种或多种；

所述打印平台用于接收从所述打印单元内打印出的打印材料。

进一步地，所述打印机控制器控制所述打印单元的启动、停止以及调整打印参数。

进一步地，所述3D生物打印机在打印时，打印材料的最低打印量为1nL，所述XY双轴运动系统及所述Z轴运动系统的最小移动距离为250nm。

进一步地，所述微量挤压式的打印单元还包括压力调节阀、储料桶和喷嘴；

所述压力调节阀与所述储料桶密封连接，所述喷嘴位于所述储料桶末端；

所述压力调节阀通过所述打印机控制器与所述计算机连接。

进一步地，所述压力调节阀为机械式调节阀或气压式调节阀中的一种或多种；

所述机械式压力调节阀与所述储料桶内设置的活塞连接；

所述气压式压力调节阀与所述储料桶密封连接。

进一步地，所述机械式压力调节阀与电机连接，所述电机与打印机控制器连接；

所述气压式压力调节阀依次连接气体稳压器、HEPA过滤器、气体除湿机、压缩机、打印机控制器。

进一步地，所述打印机控制所述微量挤压式打印单元喷嘴喷出压力为5KPa-1200KPa范围内的任一指定压力，材料挤出量最低为1nL。

进一步地，所述储料桶设置加热器和/或冷却器，所述加热器和/ 或冷却器与打印机控制器连接。

进一步地，所述打印机控制器控制的所述机械式压力调节阀和/ 或气压式压力调节阀的数量≥1；

所述打印机控制器控制的加热器和/或冷却器的数量≥1。

进一步地，所述打印机控制器控制打印单元内材料从所述喷嘴挤出时的温度为-10℃～300℃内的任一指定温度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)打印单元悬挂横臂安装在Z轴运动系统上，打印平台安装在所述XY双轴运动系统上，并由计算机通过控制器控制Z轴运动系统、及安装在XY双轴运动系统上的打印平台，从而能够实现在三维空间内的精确定位、以及任意轨迹的移动；

(2)本申请将多个打印单元固定在打印单元横臂上，多个打印单元之间的距离是相对固定的，并且在打印过程中打印单元除了在Z 轴方向上的移动之外，不会产生其他运动，因此在打印过程中每个打印单元相对于打印机系统中原点的位置也是固定的，因此在打印过程中计算机控制XY双轴运动系统、Z轴运动系统移动至空间内指定位置，并控制打印单元在该位置进行打印时的实际移动距离也不会发生变化，所以本发明提供的3D生物打印机在打印过程中的重复性高，即使经过多次移动后同一个打印单元同一个点打印、或不同的打印单元在同一个点打印时也不会产生过大的误差，影响打印结果；

(3)打印单元为微量挤压式、静电纺丝式、压电喷射式或光固化式中的一种或多种，每个打印单元均可容纳细胞类材料、天然生物材料、合成高分子材料或无机材料中的一种或多种，且每个打印单元内容纳的材料均不完全相同，因此本发明提供的3D生物打印机可以同时使用不同的材料，并且采用适于该材料的工艺进行打印，从而能够打印出具有复杂结构的三维结构支架、含有细胞的支架复合物、具有生物活性的组织、具有生物活性的器官等；

(4)打印材料的最低打印量为1nL，所述XY双轴运动系统及所述Z轴运动系统的最小移动距离为250nm，从而保证了3D生物打印机具有较高的分辨率，和较低的误差率，保证了打印产品尺寸的精确度；

(5)通过打印机控制器对压力调节阀的控制实现对打印单元喷嘴喷出压力的控制，控制在打印过程中对材料的挤出压力为 5KPa-1200KPa范围内的任一指定值，并且保证打印单元在打印时其内部材料的挤出量是均匀、并且可控的，在不破坏材料或生物细胞活性的基础上实现纳米级结构的打印；

(6)由于某些特定材料在打印时需要使用特定的温度，或者在打印含有具有活性细胞的材料时需要保证温度在合理的范围内，因此通过打印机控制器控制加热器和/或冷却器，使打印单元的温度能够在-10-300℃范围内选择，使3D生物打印机能够适用的材料、以及能够打印的组织范围更广。

附图说明

图1为具有整合系统的3D生物打印机连接关系示意图；

图2为具有整合系统的3D生物打印机的立体图；

图3为采用机械式压力调节阀的打印单元结构图；

图4为采用气压式压力调节阀的打印单元结构图；

图5为PCL骨架结构的扫描电镜俯视图；

图6为PCL骨架结构的扫描电镜沿A-A面的剖视图；

图7为两种水凝胶采用正交叠加方式打印出的结构；

图8为两种水凝胶采用平行交接方式打印出的结构；

图9为两种水凝胶采用平行间隔方式打印出的结构；

图10为打印出的细胞、水凝胶混合物培养后细胞生长状态图；

图11为打印出的细胞、水凝胶混合物培养后经过试剂染色后的结果图；

其中：1-打印单元悬挂横臂、2-打印平台、3-XY双轴运动系统、 4-Z轴运动系统、5-打印单元、51-打印单元支架、6-计算机、7-打印机控制器、81-压力调节阀、82-储料桶、83-喷嘴、84-活塞、85-加热器/冷却器。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，并给出本发明的实施例。

如图1、2所示，本发明提供了一种具有整合系统的3D打印机，包括计算机6、打印机控制器7、XY双轴运动系统3、打印平台2、 Z轴运动系统4、打印单元悬挂横臂1和打印单元5，所述打印平台2 安装在所述XY双轴运动系统上3，所述打印单元悬挂横臂1安装在 Z轴运动系统4上，所述打印单元悬挂横臂1位于所述打印平台2上方。所述计算机6内设置打印机控制系统，所述打印机控制器7与所述计算机6连接，所述计算机6通过打印机控制系统实现对打印机控制器7的控制。

所述打印单元横臂上1设置打印单元支架51，所述打印单元5 固定在所述打印单元支架51上，本发明提供的的打印单元5为微量挤压式、静电纺丝式、压电喷射式或光固化式中的一种或多种，每种打印单元5的数量≥1。并且打印单元5内容纳的材料为：细胞类材料、天然生物材料、合成高分子材料或无机材料中的一种或多种。所述打印平台2用于接收从所述打印单元5内打印出的打印材料。

因此，本发明所提供的具有整合系统的3D生物打印机能够集成多种不同类型的打印单元5，并且各打印单元5内能容纳不同的打印材料，因此本发明提供的3D生物打印机可以同时使用不同的材料，并且采用适于该材料的工艺进行打印，从而能够打印出具有复杂结构的三维结构支架、含有细胞的支架复合物、具有生物活性的组织、具有生物活性的器官等。

所述XY双轴运动系统3和所述Z轴运动系统4均与打印机控制器7连接。所述打印单元5与所述打印机控制器7连接，在计算机6 的控制下，可以通过打印机控制器7来控制XY双轴运动系统3和Z 轴运动系统4的运动轨迹、运动形式，从而使打印平台2、打印单元悬挂横臂1、以及打印单元5能够按照预先设定的轨迹移动至空间内的任意指定位置，进而能够将设置在不同打印单元5内的材料，按照预先设定的打印轨迹，打印出预先设定的结构。包括在平面内打印出任意斜率的直线型结构、任意曲率的曲线型结构，也可以在三维空间内打印出任意斜率的直线型结构、任意曲率的曲线型结构，所述平面内以及所述三维空间内打印出的直线型结构、曲线型结构之间也可以存在交点，也可按照预设值间隔一定的距离。

由于本申请所述的3D生物打印机将多个打印单元5固定在打印单元悬挂横臂1上，多个打印单元5之间的距离是相对固定的，并且在打印过程中打印单元5除了跟随所述打印单元悬挂横臂1在Z轴方向上的移动之外，不会产生其他运动，因此在打印过程中每个打印单元5相对于打印机系统中原点的位置也是固定的，因此在打印过程中计算机控制XY双轴运动系统3、Z轴运动系统4移动至空间内指定位置，并控制打印单元5在该位置进行打印时的实际移动距离也不会发生变化，所以本发明提供的3D生物打印机在打印过程中的重复性高，即使XY双轴运动系统3、Z轴运动系统4经过多次移动后，同一个打印单元5在同一个点打印、或不同的打印单元5在同一个点打印时也不会产生过大的误差，影响打印结果。

所述打印机控制器7控制所述打印单元5的启动、停止以及调整打印参数，例如调整微量挤压式打印单元的挤出速度、挤出压力、挤出时间、挤出后的反向移动距离；调整静电纺丝式打印单元的电压强度、温度、湿度、空气流速、收集速度；调整压电喷射式打印单元的喷射速度、工作频率、脉冲时间、脉冲电压、脉冲形态；调整光固化式打印单元的光照强度、光照波长、光照时间等。

配合不同类型的打印单元5，以及不同的打印材料，本发明提供的3D生物打印机能够在同一台设备中一次打印出三维结构支架、也可以打印出含有细胞的支架复合物，也能够打印出具有生物活性的组织、器官等。使用本发明提供的3D生物打印机所打印出的多层结构复合体，其每层包括由所述打印单元5分别打印出的由起到结构支撑作用的聚合物以及活细胞组合物形成的分离或粘连的区域；层次可以是组织结构聚合物和生物细胞组合物的叠加，共点成型后形成三维立体结构的复合物。

由于3D生物打印采用增材制造的原理定位装配生物材料或者细胞，在一次打印过程中若涉及到多种不同材料、多种不同结构的打印，需要切换多个容纳有不同打印材料的，不同类型的打印单元5进行打印，因此需要保证每次打印单元5切换后，下一层所打印出的组织、结构、产品需要与前一层之间的误差保持在允许范围内。本发明中所述的3D生物打印机在打印时，打印材料的最低打印量为1nL，所述 XY双轴运动系统及所述Z轴运动系统的最小移动距离为250nm，从而保证了3D生物打印机具有较高的分辨率，和较低的误差率，保证了打印产品尺寸的精确度。

除了需要保证打印过程中，打印平台2移动轨迹、定位位置的精准性，以及每次切换打印单元5之后定位的精准性，还需要保证打印单元5在打印时其内部材料的挤出量是均匀、并且可控的。所述微量挤压式的打印单元5还包括压力调节阀81、储料桶82和喷嘴83，所述储料桶82和喷嘴83之间可设置为一体式的也可以设置为拆分式的结构，所述压力调节阀81与所述储料桶82密封连接，喷嘴83设置在储料桶82的末端，压力调节阀81为机械式或气压式中的一种或多种。

如图3所示的采用机械式压力调节阀的打印单元5，所述机械式压力调节阀与所述储料桶82内设置的活塞84连接，所述机械式压力调节阀与电机连接，所述电机与打印机控制器7连接。在计算机6的控制下，打印机控制器7可以通过电机来精确控制机械式压力调节阀 8使活塞84在储料桶82内精确移动，控制在打印过程中对材料的挤出压力为5KPa-1200KPa范围内的任一指定值，从而精确的控制打印过程中材料的挤出量，材料的最低挤出量为1nL。

如图4所示的采用气压式压力调节阀的打印单元5，所述气压式压力调节阀与所述储料桶82通过密封连接，如通过密封圈、密封胶等。所述气压式压力调节阀81依次连接气体稳压器、HEPA过滤器、气体除湿机、压缩机、打印机控制器7。在计算机6的控制下，打印机控制器7可以控制压缩机制得压缩气体，该压缩气体经过气体除湿机、HEPA过滤器去除压缩气体内的水分、杂质后，经过气体稳压器向储料桶82内部输出稳定的气压，从而控制在打印过程中对材料的挤出压力为5KPa-1200KPa内的任一指定值，材料的最低挤出量为 1nL。

所述打印机控制器7控制的所述机械式压力调节阀和/或气压式压力调节阀的数量≥1，可以简化设备整体的结构，提高设备的工作效率。

为了满足某些材料的加热和/或冷却的需求，本发明提供的储料桶82外侧设置加热器和/或冷却器85，所述加热器和/或冷却器85与打印机控制器7连接，在计算机6的控制下，通过打印机控制器7控制加热器和/或冷却器85对储料桶82进行加热，控制打印单元5内的材料从喷嘴83挤出时的温度为-10℃～300℃范围内的任一指定温度，从而使得本发明提供的3D生物打印机能够适应多种不同材料同时打印。所述打印机控制器控制的加热器和/或冷却器的数量≥1，简化了设备整体的结构，提高设备的工作效率。

本发明提供具有整合系统的3D生物打印机的打印过程如下：

(1)建立产品的三维数据模型，并通过计算机分析将该三维模型分割为多层二维结构的集合；

(2)通过计算机中集成的打印机控制软件向打印机控制器7发送指令，控制XY双轴移动系统3及Z轴运动系统4按照预定的轨迹移动，从而将打印单元5在该指定位置上打印，按照分割得到的二维结构的集合进行逐层打印。

本实施例还对本发明提供的3D生物打印机所打印出的产品进行测试。

如图5、图6所示为使用PCL材料打印的骨架结构，该骨架结构在打印时设定的结构参数如下：丝径200μm，丝距200μm，层厚 200μm，共打印15层，产品预设尺寸为10mm×10mm×3mm，从图5、图6中可以看出打印出的骨架结构丝径、丝距均接近预设值200 μm。

如图7、图8、图9所示为将两种不同颜色的凝胶装入不同的打印单元5中，分别采用正交叠加、平行交接、平行间隔方式打印出的共点成型结构，各图片中(a)、(b)分别为不同放大倍数下的图片，从图中可以看出：本发明提供的3D生物打印机可以完成直线、曲线运动轨迹，不同运动轨迹之间可以相交也可以间隔设定的距离。

如图10为打印出的含有人体成纤维细胞的水凝胶混合物培养0 天、3天、6天后细胞生长状况图，(a)为0天、(b)为3天、(c) 为6天，图11为图10中所对应的含有人体成纤维细胞的水凝胶混合物培养0天、3天、6天后，并经过活死细胞试剂染色后在荧光显微镜下观测到的细胞生长状态，对活细胞和死细胞计数后算的细胞的存活率高达95％。

以上描述了本发明的基本原理和具体实施方式，但是本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明宗旨的前提下，本行业技术人员可以对其进行各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明要保护的范围内。

Claims (5)

1.一种具有整合系统的3D生物打印机，包括计算机、打印机控制器、XY双轴运动系统、打印平台、Z轴运动系统、打印单元悬挂横臂和打印单元，所述打印平台安装在所述XY双轴运动系统上，所述打印单元悬挂横臂安装在Z轴运动系统上，所述打印单元悬挂横臂位于所述打印平台上方，其特征在于：

所述计算机内设置打印机控制系统，所述打印机控制器与所述计算机连接；所述XY双轴运动系统和所述Z轴运动系统均与打印机控制器连接；

所述打印单元悬挂横臂上设置打印单元支架，所述打印单元固定在所述打印单元支架上，所述打印单元与所述打印机控制器连接；打印过程中打印单元除了跟随所述打印单元悬挂横臂在Z轴方向上的移动之外，不会产生其他运动；

所述打印单元为微量挤压式、静电纺丝式或光固化式中的一种或多种，每种打印单元的数量≥1，所述打印单元内容纳的打印材料为细胞类材料、天然生物材料、合成高分子材料或无机材料中的一种或多种；

所述打印平台用于接收从所述打印单元内打印出的打印材料；

所述微量挤压式的打印单元还包括压力调节阀、储料桶和喷嘴；所述压力调节阀与所述储料桶密封连接，所述喷嘴位于所述储料桶末端；所述压力调节阀通过所述打印机控制器与所述计算机连接；

所述压力调节阀为机械式调节阀或气压式调节阀中的一种或多种；所述机械式压力调节阀与所述储料桶内设置的活塞连接；所述气压式压力调节阀与所述储料桶密封连接；

所述机械式压力调节阀与电机连接，所述电机与打印机控制器连接；所述气压式压力调节阀依次连接气体稳压器、HEPA过滤器、气体除湿机、压缩机、打印机控制器；

所述3D生物打印机在打印时，打印材料的最低打印量为1nL，所述XY双轴运动系统及所述Z轴运动系统的最小移动距离为250nm；

所述打印机控制所述微量挤压式打印单元喷嘴喷出压力为5KPa-1200KPa范围内的任一指定压力，材料挤出量最低为1nL。

2.根据权利要求1所述的3D生物打印机，其特征在于：所述打印机控制器控制所述打印单元的启动、停止以及调整打印参数。

3.根据权利要求1所述的3D生物打印机，其特征在于：所述储料桶设置加热器和/或冷却器，所述加热器和/或冷却器与打印机控制器连接。

4.根据权利要求3所述的3D生物打印机，其特征在于：所述打印机控制器控制的所述机械式压力调节阀和/或气压式压力调节阀的数量≥1；所述打印机控制器控制的加热器和/或冷却器的数量≥1。

5.根据权利要求4所述的3D生物打印机，其特征在于：所述打印机控制器控制打印单元内材料从所述喷嘴挤出时的温度为-10℃～300℃内的任一指定温度。

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