CN110450405A - 多喷头协同生物打印方法 - Google Patents

Abstract

多喷头协同生物打印方法，执行以下操作：将所有喷头组件的喷嘴校准到世界坐标系原点，确定需要进行打印任务的喷头组件，喷头组件依次从原点开始打印任务；或者，喷头组件依次进行打印任务，前一个喷嘴组件的任务路径终点是后一个喷头组件的任务路径起点；或者，所有进行打印任务的喷头组件执行同一条打印路径，喷头组件全部到达零位后，同步地沿打印路径从零位开始打印任务。本发明的优点在于：本系统具有多个喷头组件能够协同或依次工作，打印模式灵活多变；对喷头组件的喷嘴尖端进行清洗、清洁，并保障在正式打印任务中物料的稳定输出；对工作器皿的外周式环绕温控和底部真空吸附装夹，有效保障成型活体结构的质量，提高活体组织的成活率。

Description

多喷头协同生物打印方法

技术领域

本发明涉及组织工程中的生物3D打印技术领域，特别涉及一种高精度生物打印设备的多喷头协同生物打印方法。

背景技术

全世界每年都有极其庞大数量的人员遭受各种类型的伤害导致组织缺损，或者发生一些重大疾病从而需要进行器官移植，产生巨大的组织器官修复需求。对于人体受损大块软组织及内脏器官的治疗，组织器官移植是一种极为有效的治疗方法。但是由于器官供体来源短缺、免疫排斥等问题存在，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难。而组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就组织工程良好发展前景的有效例证。

近几年来，3D打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。在生物领域内，生物打印、细胞三维受控组织等技术也应用而生。这些技术具有操作单个细胞或单成分微小尺寸液滴的能力，可以精确控制操作对象的空间位置和分布，对于实现大块组织和器官构建过程中不同种细胞和生物材料的空间位置沉积有着巨大的意义。因此，开发生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势。而在一个典型的生物打印设备中，最为关键的部分就是成形喷头系统。

为了满足大尺寸复杂组织器官的制造需求，特别对于肝脏等具有明显单元性结构的组织器官，往往需要多种材料复合使用。再比如打印皮肤时候需要打印血管等组织，用单一喷头的话会有一个较长时间的更换喷头的过程，这样会影响效率，而且还有可能刚刚这边换好喷头了那边的水凝胶就固化了，如果采用同一个喷头多个输液通道的话，又会导致喷头处材料混合的问题；且无法同时打印，效率更低。

市场上的单喷头以envisionTec为例，每次换材料都要移动喷头到新的喷头处，然后采用真空吸附的方式换刀，存在时间长、定位精度无法保证的问题。此外，如果打印类似肝细胞的离散六边形形状时，6块之间有空隙，会有较长时间的走线；这样严重限制了打印复杂器官的能力，打印时间过长，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多喷头协作工作，提高复杂器官打印能力和效率的多喷头打印系统。

生物3D打印系统，包括挤出式的喷头组件和载物台，喷头组件具有各自的喷嘴、储料桶和温控模块；驱动喷头组件沿三轴向(X轴、Y轴和Z轴)平移的三轴向平移机构，三轴向平移机构包括X轴向平移单元、Y轴向平移单元和Z轴向平移单元，喷头组件安装于Z轴向平移单元。喷头可以在XOY平面的任意一点移动，并沿Z轴向升降；喷头组件具有独立的储料、挤出和打印功能；载物台是承接喷头组件挤出的物料。温控模块保持储料桶内的温度，使物料保持在打印时需要的温度。

多喷头打印系统

作为优选的方案，喷头组件有多个，每个喷头组件有各自的喷头支架，喷头支架具有与Z轴向平移单元相连的固定部和与喷头组件相连的安装部；固定部和安装部呈倾角，喷头组件倾斜设置。喷头组件的倾斜指的是与Z轴交叉呈夹角，喷嘴斜向下设置，避免储料桶之间发生运动干涉，使多个喷头组件能够同时协同工作。

作为优选的方案，喷头支架的固定部和安装部之间有角度调节机构。角度调节机构可以是设置于喷头支架和喷头组件之间的楔形块，或者，固定部和安装部铰接，安装部相对固定部转动，从而调节安装部与固定部之间的夹角，进而调节安装部上的喷头组件相对Z轴的角度。当达到指定角度时，将固定部和安装部之间的位置锁紧。锁紧的方式采用现有技术，比如：棘轮棘爪机构，紧固螺钉的方式等。

优选的，喷嘴支架的截面呈直角三角形，喷嘴支架的斜边所在的面为安装部，喷嘴支架的其中一个直角边所在的面为固定部。喷嘴组件以在安装面内具有转动自由度。

优选的，至少一个喷头组件具有旋转机构，旋转机构设置于安装部与喷头组件之间；旋转机构的转动自由度与喷头组件统一。旋转机构以固定部为基准面，在固定部所在的平面内带动喷头组件转动，从而调节喷嘴相对工作平台的角度，以及各喷嘴之间的相对角度。

优选的，旋转机构包括旋转轴和旋转座，旋转座与喷头组件固定，旋转轴与喷头支架的安装部固定。对旋转座施加外力，旋转做绕旋转轴转动，进而带动喷头组件转动，调节喷嘴角度。

优选的，旋转机构是机械转盘，转盘作为旋转座，转盘与喷头支架之间设置锁紧螺钉或锁紧螺栓。锁紧螺钉或锁紧螺栓未锁止转盘和喷头支架时，转盘可以被转动，调节喷嘴角度。当喷嘴角度调整好后，用锁紧螺钉或锁紧螺栓锁紧转盘和喷头支架，转盘和喷嘴被定位。

或者，旋转轴与旋转电机相连。

优选的，旋转机构上安装一个或多个喷头组件；和、或每个喷头支架上安装一个或多个喷头组件；和、或，每个喷头支架上安装多个喷头组件，每个喷头组件和喷头支架之间设有各自的旋转机构。如此，可以通过在喷头支架上安装多个喷头组件，达到灵活扩展喷头数量的目的，并且，扩展的喷头可以具有旋转自由度，也可以是固定位置。

旋转机构的设置，使得喷头组件具有转动自由度，能够在行程范围内实现喷头尖端的任意角度位移，从而能够灵活的调节多个喷头组件之间的相对位置，使多喷头共点变成可能。多喷头共点，可以是在同一时刻内，多喷头对准同一指定点或区域。也可以是在不同的时间，喷头尖端对准同一个点或区域。

三轴向平移机构

作为优选的方案，每个喷头组件对应有各自的Z轴向平移单元；或者，至少两个喷头组件共用一个Z轴向平移单元。

优选的，X向平移机构包括固定龙门，移动龙门，与移动龙门配合的X向龙门导轨和与载物台配合的载物台导轨；固定龙门和移动龙门上分别设有各自的Y向导轨和Z向导轨，Z向导轨可滑动地安装于Y向导轨上，喷头支架可滑动地安装于Z向导轨上；每个喷头支架对应一个的Z向导轨和、或多个喷头支架共用一个Z向导轨。也就是说，可以是每个喷头支架安装在各自的Z向导轨上，或者是，多个喷头支架都安装在一个Z向导轨上；或者是，有一个喷头支架对应一个Z向导轨的，同时也有几个喷头支架共用一个Z向导轨的。

优选的，移动龙门和固定龙门对中，移动龙门上设有多个喷头组件，固定龙门上设有多个喷头组件。移动龙门的喷头组件的数量和固定龙门上的喷头组件的数量可以相同也可以不同。

优选的，移动龙门的喷头组件和固定龙门上的喷头组件关于移动龙门和固定龙门的中间面对称。

作为优选的方案，移动龙门有3个喷头组件，固定龙门有3个喷头组件，在同一个龙门的喷头组件、处于中间的喷头组件与喷头支架固定相连，其余喷头组件通过旋转机构与喷头支架连接。

优选的，载物台导轨位于移动龙门和固定龙门之间。

优选的，每个X向导轨的分别具有第一行程开关和第二行程开关，两个行程开关之间为运动行程。也就是说，移动龙门在其导轨的第一行程开关和第二行程开关之间平移；载物台在其导轨的第一行程开关和第二行程开关之间平移。

三轴向平移机构能够实现任意一个喷头组件在三维坐标系的任意点的位置的迁移。

多喷头共点打印

作为优选的方案，打印系统具有共点校准传感器，所有喷头组件的喷嘴触碰到共点传感器时，所有喷头组件的打印路劲起始点共点。用共点校准传感器将所有喷头组件的坐标系都统一到世界坐标系中。用共点校准传感器将所有喷头组件的坐标系都统一到世界坐标系中。

优选的，共点校准传感器包括校准盒，校准盒设有第一方向发射器、第一方向接收器、第二方向发射器和第二方向接收器；第一方向发射器到第一方向接收器的路径和第二方向发射器到第二方向接收器的路径有交点；以喷嘴的针尖触发交点作为喷头组件到达零位。每个喷头组件从零位开始进行打印任务。

优选的，第一方向和第二方向正交。优选的，第一方向是X轴向，第二方向是Y轴向；或者，第一方向是Y轴向，第二方向是X轴向。

优选的，第一方向发射器有多个，每个第一方向发射器有各自对应的第一方向接收器；第二方向发射器有多个，每个第二方向发射器有各自对应的第一方向接收器；两个方向的路径交点有多个；每个交点对应一个的喷头组件。校准时，只要喷头组件的喷嘴尖端到达共点校准传感器的校准区域内，即认为到达零位。所有喷头组件可以同时到达零位，那么，所有喷头组件可以在同一时间内并行的进行不同路劲的打印任务，每个喷头组件完成总任务的一部分。或者，多个喷头可以对同一个路劲进行同步协同打印，从而实现在一个打印路径上能够有不同的生物材料。

预打印模块

作为优选的方案，打印系统中具有预打印模块，预打印模块包括预打印基座，预打印基座上设有清洗喷嘴，回流槽，毛刷和切割线，清洗喷嘴位于回流槽内，毛刷位于回流槽旁边。清洗喷嘴喷出清洗液，用于洗涤喷头，之后清洗液汇集于回流槽，再排出；喷头组件的喷嘴尖端经过毛刷，毛刷将喷嘴尖端擦拭清洁；之后，喷头组件向外挤出物料，直到挤出的物料截面稳定后，喷头组件经过切割线，切割线切断喷嘴尖端出的物料，喷嘴组件移动到载物台，进行正式打印任务。

优选的方案，预打印模块具有预打印导轨，预打印模块可滑动的与预打印导轨配合；预打印模块具有运动驱动机构。在喷头组件预打印时，可以是喷头组件位置不动，预打印模块移动到喷头组件下方，预打印完成后，预打印模块撤离喷头组件，预打印模块的撤离顺序时，喷嘴尖端离开清洗喷嘴后，与毛刷接触，最后切割线切断喷嘴尖端的物料，预打印模块完成撤离。预打印模块撤离后，载物台运动到喷头组件下方。

预打印模块的设置目的是为了清洗喷头组件的喷嘴，清除上一次打印时的残留物料，并且，在挤出物料稳定后，再进行正式打印。

喷头组件

作为优选的方案，喷头组件包括储料桶，与储料桶匹配的柱塞，温控模块和喷嘴，温控模块包括保温桶盖和保温桶底，储料桶具有被保温桶盖和保温桶底包裹在内的温控区域，温控区域与喷头之间的储料桶为保温区域，保温区域的储料桶设有保温套；保温桶盖和保温桶底密封连接形成介质腔或介质管道，介质腔或介质管道有加热件。加热件加热介质腔或介质管道内的介质，介质与储料桶进行热交换，达到对储料桶内物料的温度控制。

优选的，温控模块包括保温层和水冷却板，保温层位于保温桶底和水冷却板之间，水冷却板与喷头安装件相连，喷头安装件与喷头支架或者旋转机构连接。优选的，喷头安装件包括从水冷板的外缘向外延伸的翼板，翼板上设有螺孔。翼板通过螺钉或螺栓与喷头支架或旋转座固定。

优选的，介质腔或介质管道具有介质入口和介质出口，介质为液体导热介质，储料桶由导热医用金属材料制成。比如不锈钢就是一种常用的导热性好，并且具有良好的生物相容性的导热医用金属材料，钛合金材料也是。液体导热介质可以是油。液体介质包裹住储料桶，温控的精度高，并且储料桶内的物料温差小，物料温度一致性好。

优选的，柱塞与气动执行机构相连。气动执行机构，比如气缸。喷嘴为注射器针头。

温控模块对储料桶进行温度控制，保持储料桶内的物料在指定的范围之内。并且，温控模块对储料桶进行定位和固定。

在进行生物组织3D打印时，需要使物料保持在给定的温度范围内，以便生物成分的生存和繁殖，因此，需要对储料桶进行温度控制和保温。喷头组件是3D打印系统中的一个独立部件。

载物台

载物台是承接来自喷头组件的物料，实现增材叠加、最后形成3D实体构件的工作平台；本发明中的载物台可滑动的安装于载物台导轨上。

作为优选的方案，载物台包括工作器皿和温度控制模块，温度控制模块包裹工作器皿的外周。

温度控制模块

作为优选的方案，温度控制模块包括介质腔或介质管道，介质腔或介质管道具有容纳打印器皿的容腔介质腔具有介质入口和介质出口，具有工作温度的液体介质输入介质腔或介质管道内。也就是说，液体介质在介质腔之外达到指定温度后，再送入介质腔或介质管道内，液体介质被加热的地方可以是外接的介质容器和加热器，比如，油温机。具有工作温度的介质不断在外接的介质容器和介质腔之间循环，液体介质的总量大，相比只对介质腔内的少量介质进行温度控制的精度高、并且温度控制的难度降低。

优选的，介质腔是一个完整的连通腔体。

优选的，工作器皿是圆形器皿，介质腔为圆形腔体，或者，介质腔是螺旋管道。介质腔的形状只要是能够均匀地与工作器皿匹配即可。

夹具模块

作为优选的方案，载物台包括夹具模块，夹具模块从底部固定工作器皿。

优选的，夹具模块包括吸附座，真空管路和真空气泵，吸附座上设有微孔阵列，微孔阵列与真空管路连通，真空管路与真空气泵相连。打印工作开始前，需要对工作器皿进行装夹固定，工作器皿放在吸附座上，真空气泵开启，在微孔阵列和真空管路的作用下，吸附座和工作器皿之间形成负压，工作器皿比固定。

优选的，微孔阵列由从内向外的多个阵列单元组成，所有阵列单元的中心重叠，每个阵列单元围成的轮廓与工作平台的形状相同或相似；每个阵列单元具有1个或多个微孔，相邻的微孔通过连通管路连通，每个阵列单元具有各自的阀组件，阀组件设置于真空管路上，或者阀组件设置于真空管路和真空气泵之间。比如，工作器皿是矩形，那么阵列单元是工作平台的相似矩形。通过设置阵列单元的形式来布置微孔，可以实现对不同尺寸的工作平台的装夹。

优选的，工作器皿为圆形器皿，阵列单元的微孔围成圆形，所有阵列单元呈同心圆布置，最中心的阵列单元为一个中心微孔。可以根据工作器皿的尺寸选择性的开启所有同心圆阵列或者其中一个(或几个)同心圆阵列，对工作器皿实现固定。

优选的，阵列单元的圆心位于吸附座的中心。吸附座只要具有容纳阵列单元的尺寸即可，吸附座的形状不做限定。

多喷头协同生物打印方法

本发明提供一种使用上述打印机实现多喷头共点打印的方法。多喷头协同生物打印方法，执行以下操作：将共点校准传感器置于打印任务的路径起点，确定需要进行打印任务的喷头组件，将喷头组件移动到零位，喷头组件依次从零位开始打印任务，或者，所有进行打印任务的喷头组件执行同一条打印路径，喷头组件全部到达零位后，同步地沿打印路径从零位开始打印任务。

作为优选的方案，打印任务由多个子路径组成，所有子路径相交于一点，获得坐标系原点与交点的距离。或者，打印任务由多个子路径组成，子路径之间相互独立，获得每个子路径的起点位置，喷头组件各自执行子路径打印任务，喷头组件同时工作。

针对多材料间隔分布或几种材料交替分布的组织的打印方法，作为优选的方案，同一条打印路径中具有多种打印材料，则将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，每种材料对应的一段连续路径作为一个子路径；以任意子路径作为当前任务路径，将共点校准传感器移动到当前任务路径的起点，使当前任务路径对应的当前喷头组件移动到零位，共点校准传感器撤离；当前喷头组件沿当前任务路径运动；当前任务路径完成后，选择下一条路径作为当前路径，重复共点校准传感器对当前喷头组件的零位校准、当前喷头组件沿当前任务路径运动；重复，直到所有子路径打印完成。用共点校准传感器实现对当前喷头组件的起点位置校准，从而实现多材料、多喷头的连续协作打印，使多材料复杂组织的打印变成可能。

针对以某材料作为主体打印材料，但在局部需要添加或复合辅助材料的情况，作为优选的方案，将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，将共点校准传感器置于打印路径起点，所有进行打印任务的喷头组件到达零位，撤离共点校准传感器，所有进行打印任务的喷头组件沿着打印任务路径同步运动，每个喷头组件在其材料对应的任务路径内挤出物料；在非任务路径内关闭。

比如，在打印皮肤组织时，主要材料为真皮层材料，但在有血管的部位，血管材料跟真皮层材料同时挤出，或者仅血管材料挤出，实现组织的增材构建。血管部位打印完成后，血管材料的喷头组件关闭，真皮层材料的喷头组件工作。再比如，某种组织由一种基本材料构成，但在基本材料的结构之上，还需要种入活细胞，那么，基本材料的喷头组件沿着打印路径工作，在到达需要种入活细胞的位置时，活细胞材料对应的喷头组件也开启，将活细胞融入。还有可能是，同一条打印路径上由多种材料复合而成，这时，多个喷头组件同时开启，进行打印任务。还有可能是，两个切片层是不同材料，此时，第一个切片层材料的喷头组件开启，下一个切片层材料的喷头组件关闭，完成当前切片层打印任务后，当前切片层材料的喷头组件关闭；所有喷头组件位移到下一切片层的高度，以下一个切片层材料的喷头组件作为当前切片层材料的喷头组件，开启打印，如此不断进行，直到打印任务结束，等等。

本发明的优点在于：

1、本系统具有多个喷头组件，每个喷头组件至少具有3轴向平移自由度，某些喷头组件还增加了旋转自由度(即4个自由度)，喷头组件的位置和角度可以调整，多喷头组件能够协同或依次工作，在一次打印任务中能够实现多路径、多材料打印，避免了对纳米级多细胞单元构件时的重复校准和循环打印加工，并且，一次成型有助于单元功能的表达；从单元层面提高了构建大组织结构及器官的效率，同时从功能层面提高了3D打印生物组织的质量。

2、多喷头协同工作，能够实现多种材料逐层交替打印、多种材料同层非均匀混合打印、单一材料打印、主材料局部复合附加材料等多种加料打印模式，打印模式灵活多变，能够实现材料的非均匀混合体系成型，更加真实的模拟实际生物体系。

3、每个喷头组件可以共用3轴向平移机构，也可以具有独立的运动自由度，多喷头可以在不同位置同步进行各自的打印任务。比如，打印肝脏时，每个喷头打印一个肝单元，或者每个喷头打印肝单元的一部分。

4、设置预打印区域，对喷头组件的喷嘴尖端进行清洗、清洁，并保障在正式打印任务中物料的稳定输出。

5、载物台的工作器皿利用外周环绕式热交换进行温度控制，介质在外部介质容器中控温好后持续地、循环的输入介质腔内，介质温度控制精确，且控温容易。

6、通过底部吸附的方式进行工作器皿的装夹，根据工作器皿的大小选择接通阀组件的数量，实现对工作器皿的稳定和完全吸附。

7、对工作器皿的外周式环绕温控和底部真空吸附装夹，温度控制和装夹固定相互不干扰，能够对工作器皿进行可靠吸附，提高成型结构的精度，同时兼顾生物打印中对环境温度的需求，有效保障成型活体结构的质量，提高活体组织的成活率。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是固定龙门上装载喷头组件的示意图。

图3是活动龙门上装载喷头组件的示意图。

图4是喷头组件安装在喷头支架的示意图。

图5是喷头支架上设有旋转座的示意图。

图6是喷头组件的示意图。

图7是共点校准传感器的示意图。

图8是预打印模块的示意图。

图9是预打印模块位安装于底座的示意图。

图10是载物台安装在载物台导轨上的示意图。

图11是工作器皿跟温度控制模块、夹具模块配合的示意图。

图12是夹具模块的原理图。

图13是载物台外接介质容器和真空气泵的示意图。

图中标识：行程开关K，底座1，载物台5，共点校准传感器6,打印器皿8，固定龙门21，移动龙门22，X轴向导轨31，Y轴向导轨，Z轴向导轨33，储料桶41，喷头支架42，温控模块43，喷嘴45，载物台导轨51，温度控制模块52，容腔53，吸附座54，第一方向发射器61，第一方向接收器62，第二方向发射器63，第二方向接收器64，预打印基座71，喷嘴72，回流槽73，毛刷74，物料承载区域75，切割线76，保温桶盖431，保温桶底432，水冷板433，保温层434，加热件435，保温套436，喷头安装件437，锁紧螺钉441，旋转座442，旋转轴443，介质入口521，介质出口522，微孔阵列541，真空管路542，阀组件543，真空气泵544，油温机560

具体实施方式

结合附图，详细说明本发明的结构和工作过程。

多喷头生物3D打印系统

如图1所示，本发明的多喷头生物3D打印系统，包括挤出式的喷头组件和载物台5，喷头组件具有各自的喷嘴45、储料桶41和温控模块43；驱动喷头组件沿三轴向(X轴31、Y轴32和Z轴33)平移的三轴向平移机构，三轴向平移机构包括X轴31向平移单元、Y轴32向平移单元和Z轴33向平移单元，喷头组件安装于Z轴33向平移单元。喷头可以在XOY平面的任意一点移动，并沿Z轴33向升降；喷头组件具有独立的储料、挤出和打印功能；载物台5是承接喷头组件挤出的物料。温控模块43保持储料桶41内的温度，使物料保持在打印时需要的温度。生物打印系统的喷头组件有多个，每个喷头组件有各自的喷头支架42，喷头支架42具有与Z轴33向平移单元相连的固定部和与喷头组件相连的安装部；固定部和安装部呈倾角，喷头组件倾斜设置。喷头组件的倾斜指的是与Z轴33交叉呈夹角，喷嘴45斜向下设置，避免储料桶41之间发生运动干涉，使多个喷头组件能够同时协同工作。

物料

在本发明里所述的物料指的是用于被打印机进行加工的一种材料或者混合物。当用本发明的3D打印机进行加工的时候，现有的一些生物材料可以被用来进行打印。例如，许多材料包括天然聚合物：胶原，丝纤维，明胶，海藻酸盐和合成聚合物：聚乙二醇(PEG)或者它们任意一种混合可以被用于本发明的打印机进行加工。这些作为生物3D打印的材料，也称为“生物墨水”。虽然材料本身属于传统材料，但是都可以采用被分发明的打印设备和方法进行打印。这种打印的生物材料具有立体空间结构，或者具有四维空间，可以设置任意的通孔的。这里的通孔一般是指平面的结构或者立体的结构。例如，在平面上具有孔，这孔的形状可以是任何形状，圆形，长方形，正方形，菱形等等。当多个面在不同的维度上，就形成了立体形状，立体形状的各个面或者多个面具有孔的结构，而且这些孔都具有一定的深度，这里各个孔之间可以相通，也可以不相通，或者部分相通，这样就形成了贯穿整个立体结构或者部分立体结构的通道。这样的结构采用本发明的打印机容易实现。

在一些方式中，本发明所说的料可以与干细胞混合在一起进行加工或者打印，这样，材料作为支架结构，而细胞作为活性成本可以进行分化，最终，形成具有活性的组织。当然，也可以打印出支架结构，然后让干细胞填充了骨架的空间里去，最终也形成活的组织。

总之，本发明的新设计的打印进可以打印任何合适材料。

在一些方式中，储料桶41为容纳生物材料的容器，具有良好的生物相容性，不同的储料桶41可以用于盛装同样的材料。可选的，在储料桶41里可以盛放不同的材料或者生物墨水，例如储料桶A盛放一种生物材料，储料桶B盛放另外一种生物材料，两种材料的性质不是一样的，采用本发明的打印技术，可以实现复杂生物组织或者器官的打印。这是因为，一种生物材料或者器官，在结构是并不是均匀一致的，而是具有结构或者生物性质上的差异。比如，哺乳动物的皮肤材料，具有表皮、真皮，真皮具有血管以及与肌肉连接的组织，这些不同部位的结构不同，厚度不同，还有各个组织之间的过度结构也是不同的，这种不同还包括密度、孔径等等。这样，如果需要通过传统的打印进行打印，所有的结构或者组织都是一样的，而通过本发明的打印技术，可以一次性进行不同结构的生物材料。

在一些具体的方式中，如图4所示，喷头支架42的固定部和安装部之间有角度调节机构。角度调节机构可以是设置于喷头支架42和喷头组件之间的楔形块，或者，固定部和安装部铰接，安装部相对固定部转动，从而调节安装部与固定部之间的夹角，进而调节安装部上的喷头组件相对Z轴33的角度。当达到指定角度时，将固定部和安装部之间的位置锁紧。锁紧的方式采用现有技术，比如：棘轮棘爪机构，紧固螺钉的方式等。

在一些具体的方式中，如图4所示，喷嘴45支架的截面呈直角三角形，喷嘴45支架的斜边所在的面为安装部，喷嘴45支架的其中一个直角边所在的面为固定部。喷嘴45组件以在安装面内具有转动自由度。

旋转机构

旋转机构的设置，使得喷头组件具有转动自由度，能够在行程范围内实现喷头尖端的任意角度位移，从而能够灵活的调节多个喷头组件之间的相对位置，使多喷头共点变成可能。多喷头共点，可以是在同一时刻内，多喷头对准同一指定点或区域。也可以是在不同的时间，喷头尖端对准同一个点或区域。

在一些具体的方式中，如图5所示，至少一个喷头组件具有旋转机构，旋转机构设置于安装部与喷头组件之间；旋转机构的转动自由度与喷头组件统一。旋转机构以固定部为基准面，在固定部所在的平面内带动喷头组件转动，从而调节喷嘴45相对工作平台的角度，以及各喷嘴45之间的相对角度。

在一些具体的方式中，旋转机构包括旋转轴443和旋转座442，旋转座442与喷头组件固定，旋转轴443与喷头支架42的安装部固定。对旋转座442施加外力，旋转做绕旋转轴443转动，进而带动喷头组件转动，调节喷嘴45角度。

在一些具体的方式中，旋转机构是机械转盘，转盘作为旋转座442，转盘与喷头支架42之间设置锁紧螺钉441或锁紧螺栓。锁紧螺钉441或锁紧螺栓未锁止转盘和喷头支架42时，转盘可以被转动，调节喷嘴45角度。当喷嘴45角度调整好后，用锁紧螺钉441或锁紧螺栓锁紧转盘和喷头支架42，转盘和喷嘴45被定位。或者，旋转轴443与旋转电机相连。

在一些具体的方式中，旋转机构上安装一个或多个喷头组件；和、或每个喷头支架42上安装一个或多个喷头组件；和、或，每个喷头支架42上安装多个喷头组件，每个喷头组件和喷头支架42之间设有各自的旋转机构。如此，可以通过在喷头支架42上安装多个喷头组件，达到灵活扩展喷头数量的目的，并且，扩展的喷头可以具有旋转自由度，也可以是固定位置。

三轴向平移机构

三轴向平移机构能够实现任意一个喷头组件在三维坐标系的任意点的位置的迁移。

在一些具体的方式中，每个喷头组件对应有各自的Z轴33向平移单元；或者，至少两个喷头组件共用一个Z轴33向平移单元。

如图2和图3所示，X向31平移机构包括固定龙门21，移动龙门22，与移动龙门22配合的X向31龙门导轨和与载物台5配合的载物台5导轨51；固定龙门21和移动龙门22上分别设有各自的Y向导轨32和Z向导轨33，Z向导轨33可滑动地安装于Y向导轨32上，喷头支架42可滑动地安装于Z向导轨33上；每个喷头支架42对应一个的Z向导轨33和、或多个喷头支架42共用一个Z向导轨33。也就是说，可以是每个喷头支架42安装在各自的Z向导轨33上，或者是，多个喷头支架42都安装在一个Z向导轨33上；或者是，有一个喷头支架42对应一个Z向导轨33的，同时也有几个喷头支架42共用一个Z向导轨33的。

如图2和图3所示，移动龙门22和固定龙门21对中，移动龙门22上设有多个喷头组件，固定龙门21上设有多个喷头组件。移动龙门22的喷头组件的数量和固定龙门21上的喷头组件的数量可以相同也可以不同。

如图2和图3所示，移动龙门22的喷头组件和固定龙门21上的喷头组件关于移动龙门22和固定龙门21的中间面对称。

如图2和图3所示，移动龙门22有3个喷头组件，固定龙门21有3个喷头组件，在同一个龙门的喷头组件、处于中间的喷头组件与喷头支架42固定相连，其余喷头组件通过旋转机构与喷头支架42连接。通常来说，6个喷头组件可以满足大部分的打印任务。但当6个喷头组件无法满足打印任务时，可以优先从外侧的喷头组件扩展，将位于外侧的喷头组件扩展成两个或者两个以上喷头组件共用一个喷头支架42。

再一些具体的实施方式中，如图1所示，载物台5导轨51位于移动龙门22和固定龙门21之间。

如图1、2、3所示，每个X向导轨31的分别具有第一行程开关K和第二行程开关K，两个行程开关K之间为运动行程。也就是说，移动龙门22在其导轨的第一行程开关K和第二行程开关K之间平移；载物台5在其导轨的第一行程开关K和第二行程开关K之间平移。

喷头组件

在一些实施例中，喷头组件包括储料桶41，与储料桶41匹配的柱塞，温控模块43和喷嘴45，温控模块43包括保温桶盖431和保温桶底432，储料桶41具有被保温桶盖431和保温桶底432包裹在内的温控区域，温控区域与喷头之间的储料桶41为保温区域，保温区域的储料桶41设有保温套436；保温桶盖431和保温桶底432密封连接形成介质腔或介质管道，介质腔或介质管道有加热件435。加热件435加热介质腔或介质管道内的介质，介质与储料桶41进行热交换，达到对储料桶41内物料的温度控制。通常喷头组件的介质为水。加热件是电热丝或者半导体片等。

温控模块43包括保温层434和水冷却板，保温层434位于保温桶底432和水冷却板之间，水冷却板与喷头安装件437相连，喷头安装件437与喷头支架42或者旋转机构连接。优选的，喷头安装件437包括从水冷板433的外缘向外延伸的翼板，翼板上设有螺孔。翼板通过螺钉或螺栓与喷头支架42或旋转座442固定。

介质腔或介质管道具有介质入口521和介质出口522，介质为液体导热介质，储料桶41由导热医用金属材料制成。比如不锈钢就是一种常用的导热性好，并且具有良好的生物相容性的导热医用金属材料，钛合金材料也是。液体导热介质可以是油。液体介质包裹住储料桶41，温控的精度高，并且储料桶41内的物料温差小，物料温度一致性好。

柱塞与气动执行机构相连。气动执行机构，比如气缸。喷嘴45为注射器针头。

温控模块43对储料桶41进行温度控制，保持储料桶41内的物料在指定的范围之内。并且，温控模块43对储料桶41进行定位和固定。

在进行生物组织3D打印时，需要使物料保持在给定的温度范围内，以便生物成分的生存和繁殖，因此，需要对储料桶41进行温度控制和保温。喷头组件是3D打印系统中的一个独立部件。

多喷头共点打印

在一些实施例中，如图7所示，生物3D打印系统具有多个喷头组件和共点校准传感器6，所有喷头组件的喷嘴45触碰到共点传感器时，所有喷头组件的打印路劲起始点共点。用共点校准传感器6将所有喷头组件的坐标系都统一到世界坐标系中。用共点校准传感器6将所有喷头组件的坐标系都统一到世界坐标系中。

在一些具体的实施方式中，如图7所示，共点校准传感器6包括校准盒，校准盒设有第一方向发射器61、第一方向接收器62、第二方向发射器63和第二方向接收器64；第一方向发射器61到第一方向接收器62的路径和第二方向发射器63到第二方向接收器64的路径有交点；以喷嘴45的针尖触发交点作为喷头组件到达零位。每个喷头组件从零位开始进行打印任务。

在一些具体的实施方式中，第一方向和第二方向正交。比如，第一方向是X轴向31，第二方向是Y轴32向；或者，第一方向是Y轴32向，第二方向是X轴向31。

在一些具体的实施方式中，第一方向发射器61有多个，每个第一方向发射器61有各自对应的第一方向接收器62；第二方向发射器63有多个，每个第二方向发射器63有各自对应的第一方向接收器62；两个方向的路径交点有多个；每个交点对应一个的喷头组件。校准时，只要喷头组件的喷嘴45尖端到达共点校准传感器6的校准区域内，即认为到达零位。所有喷头组件可以同时到达零位，那么，所有喷头组件可以在同一时间内并行的进行不同路劲的打印任务，每个喷头组件完成总任务的一部分。或者，多个喷头可以对同一个路劲进行同步协同打印，从而实现在一个打印路径上能够有不同的生物材料。

预打印模块

如图8、9所示，打印系统中具有预打印模块，预打印模块包括预打印基座71，预打印基座71上设有清洗喷嘴72，回流槽73，毛刷74，切割线76和物料承载区域75，清洗喷嘴72位于回流槽73内，毛刷74位于回流槽73旁边。清洗喷嘴72喷出清洗液，用于洗涤喷头，之后清洗液汇集于回流槽73，再排出；喷头组件的喷嘴45尖端经过毛刷74，毛刷74将喷嘴45尖端擦拭清洁；之后，喷头组件向外挤出物料，直到挤出的物料截面稳定后，喷头组件经过切割线76，切割线76切断喷嘴45尖端出的物料，喷嘴45组件移动到载物台5，进行正式打印任务。切割线76是金属细丝或者其他能够切断喷嘴45尖端物料的线状或丝状切割件。

物料承载区域75位于毛刷74和切割线76之间，喷嘴45先经清洁喷嘴45和毛刷74清洁后，再将物料挤出在物料承载区域75，等喷嘴45出料流量稳定后，喷嘴45组件再经过切割线。

优选的方案，预打印模块具有预打印导轨，预打印模块可滑动的与预打印导轨配合；预打印模块具有运动驱动机构。在喷头组件预打印时，可以是喷头组件位置不动，预打印模块移动到喷头组件下方，预打印完成后，预打印模块撤离喷头组件，预打印模块的撤离顺序时，喷嘴45尖端离开清洗喷嘴72后，与毛刷74接触，最后切割线76切断喷嘴45尖端的物料，预打印模块完成撤离。预打印模块撤离后，载物台5运动到喷头组件下方。

预打印模块的设置目的是为了清洗喷头组件的喷嘴45，清除上一次打印时的残留物料，并且，在挤出物料稳定后，再进行正式打印。

载物台

如图9所示，载物台5是承接来自喷头组件的物料，实现增材叠加、最后形成3D实体构件的工作平台；本发明中的载物台5可滑动的安装于载物台5导轨51上。

在一些实施方式中，生物3D打印系统的载物台5包括工作器皿和温度控制模块52，温度控制模块52包裹工作器皿的外周。

温度控制模块52

生物3D打印系统使用的物料需要保持在指定的温度范围内，才能够实现物料的增材打印和提高生物组织的成活率。

在一些实施方式中，如图9所示，温度控制模块52包括介质腔或介质管道，介质腔或介质管道具有容纳打印器皿8的容腔53介质腔具有介质入口521和介质出口522，具有工作温度的液体介质输入介质腔或介质管道内。介质腔是一个完整的连通腔体。工作器皿是圆形器皿，介质腔为圆形腔体，或者，介质腔是螺旋管道。介质腔的形状只要是能够均匀地与工作器皿匹配即可。

温度控制模块52工作时，液体介质在介质腔之外达到指定温度后，再送入介质腔或介质管道内，液体介质被加热的地方可以是外接的介质容器和加热器，比如，油温机560。具有工作温度的介质不断在外接的介质容器和介质腔之间循环，液体介质的总量大，相比只对介质腔内的少量介质进行温度控制的精度高、并且温度控制的难度降低。

夹具模块

在一些实施方式中，如图11、12所示，载物台5包括夹具模块，夹具模块从底部固定工作器皿。

夹具模块包括吸附座54，真空管路542和真空气泵544，吸附座54上设有微孔阵列541，微孔阵列541与真空管路542连通，真空管路542与真空气泵544相连。打印工作开始前，需要对工作器皿进行装夹固定，工作器皿放在吸附座54上，真空气泵544开启，在微孔阵列541和真空管路542的作用下，吸附座54和工作器皿之间形成负压，工作器皿比固定。

微孔阵列541由从内向外的多个阵列单元组成，所有阵列单元的中心重叠，每个阵列单元围成的轮廓与工作平台的形状相同或相似；每个阵列单元具有1个或多个微孔，相邻的微孔通过连通管路连通，每个阵列单元具有各自的阀组件543，阀组件543设置于真空管路542上，或者阀组件543设置于真空管路542和真空气泵544之间。比如，工作器皿是矩形，那么阵列单元是工作平台的相似矩形。通过设置阵列单元的形式来布置微孔，可以实现对不同尺寸的工作平台的装夹。

工作器皿为圆形器皿，阵列单元的微孔围成圆形，所有阵列单元呈同心圆布置，最中心的阵列单元为一个中心微孔。可以根据工作器皿的尺寸选择性的开启所有同心圆阵列或者其中一个(或几个)同心圆阵列，对工作器皿实现固定。优选的，阵列单元的圆心位于吸附座54的中心。吸附座54只要具有容纳阵列单元的尺寸即可，吸附座54的形状不做限定。

在一些具体的实施方式中，载物台5同时具有上述温度控制模块52和夹具模块，如图10所示。

以6个喷头组件的储料桶41内置6种不同物料共点打印为例介绍本发明的生物3D打印系统的工作流程：

打印开始前6个执行喷头坐标归零，依次进入清洗区停留在所述清洗液喷嘴45上让清洗液冲洗，沿固定路径依次穿过擦拭毛刷74将表面擦净。所述6个执行喷头依次放入校准模块进行各自位姿坐标调零，以固定龙门21一侧中间喷头为基准，外侧4个喷头旋转电机向内旋转45°，由驱动电机移动各自执行喷头在其周围形成挤出末端共点。共点完成后各喷头驱动同步平动，移动至校准模块中检测共点误差。若误差在设定范围之外，则固定龙门21一侧中间喷头周围的5个喷头在各自Y32、Z轴33向电机驱动下微调自身位置，并再次进行检测；若误差在设定范围之内，则进行下一环节。所述共点喷头系移动到预打印区进行预工作，以打印矩形和圆弧为例，当挤出材料质量稳定后，移动穿过切割线76，切割线76高度设置为与喷头共点位置在水平方向同一高度上，以此切断喷嘴45处残留。所述共点喷头系移动到工作区器皿中，开始正式挤出打印。打印结束后外侧4个喷头旋转电机返回0°位置，所述6个喷头依次执行清洗操作后坐标归零。

三轴向平移机构，载物台5和预打印模块等都设置于底座1上，底座1能够为生物3D打印系统提供稳定的支撑，以及水平的基准面。

多喷头协同生物打印方法

本发明提供一种使用上述打印机实现多喷头共点打印的方法。多喷头协同生物打印方法，执行以下操作：将共点校准传感器6置于打印任务的路径起点，确定需要进行打印任务的喷头组件，将喷头组件移动到零位，喷头组件依次从零位开始打印任务，或者，所有进行打印任务的喷头组件执行同一条打印路径，喷头组件全部到达零位后，同步地沿打印路径从零位开始打印任务。

在一些实施例中，喷头组件依次从零位开始打印任务时，打印任务由多个子路径组成，所有子路径相交于一点，子路径的交点作为打印系统的零位。

针对多材料间隔分布或几种材料交替分布的组织的打印方法，同一条打印路径中具有多种打印材料，则将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，每种材料对应的一段连续路径作为一个子路径；以任意子路径作为当前任务路径，将共点校准传感器6移动到当前任务路径的起点，使当前任务路径对应的当前喷头组件移动到零位，共点校准传感器6撤离；当前喷头组件沿当前任务路径运动；当前任务路径完成后，选择下一条路径作为当前路径，重复共点校准传感器6对当前喷头组件的零位校准、当前喷头组件沿当前任务路径运动；重复，直到所有子路径打印完成。用共点校准传感器6实现对当前喷头组件的起点位置校准，从而实现多材料、多喷头的连续协作打印，使多材料复杂组织的打印变成可能。

针对以某材料作为主体打印材料，但在局部需要添加或复合辅助材料的情况，将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，将共点校准传感器6置于打印路径起点，所有进行打印任务的喷头组件到达零位，撤离共点校准传感器6，所有进行打印任务的喷头组件沿着打印任务路径同步运动，每个喷头组件在其材料对应的任务路径内挤出物料；在非任务路径内关闭。

比如，在打印皮肤组织时，主要材料为真皮层材料，但在有血管的部位，血管材料跟真皮层材料同时挤出，或者仅血管材料挤出，实现组织的增材构建。血管部位打印完成后，血管材料的喷头组件关闭，真皮层材料的喷头组件工作。再比如，某种组织由一种基本材料构成，但在基本材料的结构之上，还需要种入活细胞，那么，基本材料的喷头组件沿着打印路径工作，在到达需要种入活细胞的位置时，活细胞材料对应的喷头组件也开启，将活细胞融入。还有可能是，同一条打印路径上由多种材料复合而成，这时，多个喷头组件同时开启，进行打印任务。还有可能是，两个切片层是不同材料，此时，第一个切片层材料的喷头组件开启，下一个切片层材料的喷头组件关闭，完成当前切片层打印任务后，当前切片层材料的喷头组件关闭；所有喷头组件位移到下一切片层的高度，以下一个切片层材料的喷头组件作为当前切片层材料的喷头组件，开启打印，如此不断进行，直到打印任务结束，等等。

在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。

本文中所述或记载的文章、专利、专利申请以及所有其他文献和以电子方式可得的信息的内容在某种程度上全文包括在此以作参考，就如同每个单独的出版物被具体和单独指出以作参考一样。申请人保留把来自任何这种文章、专利、专利申请或其他文献的任何及所有材料和信息结合入本申请中的权利。

Claims (6)

1.多喷头协同生物打印方法，其特征在于：执行以下操作：将所有喷头组件的喷嘴校准到世界坐标系原点，确定需要进行打印任务的喷头组件，喷头组件依次从原点开始打印任务；或者，喷头组件依次进行打印任务，前一个喷嘴组件的任务路径终点是后一个喷头组件的任务路径起点；或者，所有进行打印任务的喷头组件执行同一条打印路径，喷头组件全部到达零位后，同步地沿打印路径从零位开始打印任务。

2.如权利要求1所述的多喷头协同生物打印方法，其特征在于：使用共点校准传感器标志世界坐标系原点，以喷嘴的针尖触发交点作为喷头组件到达零位。

3.如权利要求1所述的多喷头协同生物打印方法，其特征在于：同一条打印路径中具有多种打印材料，则将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，每种材料对应的一段连续路径作为一个子路径；以任意子路径作为当前任务路径，将共点校准传感器移动到当前任务路径的起点，使当前任务路径对应的当前喷头组件移动到零位，共点校准传感器撤离；当前喷头组件沿当前任务路径运动；当前任务路径完成后，选择下一条路径作为当前路径，重复共点校准传感器对当前喷头组件的零位校准、当前喷头组件沿当前任务路径运动；重复，直到所有子路径打印完成。

4.如权利要求1所述的多喷头协同生物打印方法，其特征在于：将打印材料对应的喷头组件选定为进行打印任务的喷头组件，将共点校准传感器置于打印路径起点，所有进行打印任务的喷头组件到达原点，撤离共点校准传感器，所有进行打印任务的喷头组件沿着打印任务路径同步运动，每个喷头组件在其材料对应的任务路径内挤出物料；在非任务路径内关闭。

5.如权利要求1所述的多喷头协同生物打印方法，其特征在于：打印任务由多个子路径组成，所有子路径相交于一点；获得交点与坐标系原点的距离，喷头组件以交点为路径起点，同步执行各自的子路径打印任务。

6.如权利要求1所述的多喷头协同生物打印方法，其特征在于：打印任务由多个子路径组成，子路径之间相互独立，获得每个子路径的起点位置，喷头组件各自执行子路径打印任务，喷头组件同时工作。