CN111421815A - 一种dlp 3d生物打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种DLP 3D生物打印机，包括工作台、光源系统、反射系统、打印成型系统、升降系统和控制系统；控制系统的硬件部分包括计算机和电气控制装置；生物墨水槽位于打印平台的下方，生物墨水槽的底面为可透光材料；计算机按照预先编好的程序调节打印平台与生物墨水槽之间的距离；光源系统包括用于将计算机切片处理好的三维模型切片投影至生物墨水槽的DLP投影设备；反射系统中的反射镜可在竖直方向上升降和自由转动；控制系统的软件部分进行模型操作、切片处理、参数设置后，控制光源系统将三维模型的各个图层切片有序投影至生物墨水槽。本发明结构紧凑、成型精度高、制造成本低，打印速度快，并且保证较高的细胞存活率。

Description

一种DLP 3D生物打印机
技术领域
本发明涉及一种3D生物打印机，尤其是涉及一种DLP(Digital LightProcessing,数字光处理)3D生物打印机。
背景技术
3D生物打印是将3D打印技术与生物医疗相结合所发展出的一个新兴研究领域。从狭义上讲，我们将操纵含细胞的生物墨水构造活性结构的过程称为3D生物打印，也可称为细胞打印。3D生物打印在理论上可以实现多细胞空间定向操作及不同细胞密度的可控沉积，恰好可以解决组织工程目前所面临的难题——难以保证支架内部孔道贯通、孔的形状多样和无法精确控制孔道尺寸，使其成为体外构建生物支架最为理想的手段。
3D生物打印技术中同样有挤出式3D生物打印机和SLA(Stereo lithographyApparatus)3D生物打印机。挤出式3D生物打印机由于打印速度慢、打印精度低、对细胞产生机械或热损伤、以及支撑困难等问题，对比光固化式3D生物打印机具有明显的局限性；而SLA 3D生物打印机的原理是通过控制激光器和振镜反射紫外光使生物墨水逐点固化成二维平面，进而逐层固化成三维结构，所以就造成了其制造成本高，打印时间长，紫外线对细胞有伤害等不足。目前组织工程领域亟需一种速度快、精度高、对细胞损伤小的生物打印机。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种低成本的桌面级DLP 3D生物打印机，该DLP3D生物打印技术原理上同DLP 3D打印技术相似，成型方式都是叠层制造，通过计算机软件将三维模型分层，逐层固化，随着Z轴的抬升各层叠加后成为三维实体。该DLP 3D生物打印机使用的材料是由细胞、生物材料和生物活性因子混合而成的生物墨水，因此在打印工艺，机器结构及使用环境等方面也与3D打印有明显的区别。
为了解决现有技术中3D生物打印机成本高、打印速度慢、精度低、细胞存活率低等问题。本发明提出的一种DLP 3D生物打印机，包括工作台、光源系统、反射系统、打印成型系统、升降系统和控制系统；所述打印成型系统包括打印平台和生物墨水槽；所述控制系统包括软件和硬件两个部分，所述硬件部分包括与一计算机相连的电气控制装置；所述生物墨水槽位于所述打印平台的下方，并填充有生物墨水，所述生物墨水槽的底面的材料为可透光材料，并通过磁铁片与工作台紧固；所述升降系统是由电机丝杠组成的运动系统，并通过吊台和转接头与第一云台相连，所述第一云台与所述打印平台相连；所述光源系统包括卤素灯和DLP投影设备，所述DLP投影设备包括DMD装置，所述卤素灯发射可见光后，由DMD装置选择性反射所需图案，再经过滤光后，用于固化生物墨水；所述反射系统包括第二云台、伸缩杆和反射镜，所述伸缩杆设置在工作台的底部，第二云台设置在所述伸缩杆的顶部，所述反射镜通过球面副连接在所述第二云台上，从而实现所述反射镜在竖直方向上的升降和绕球面副球心的自由转动；所述升降系统和所述DLP投影设备均与所述电气控制装置相连；所述计算机通过运行软件部分进行模型操作、切片处理、参数设置，并控制光源系统将三维模型的各个图层切片有序投影至生物墨水槽。
进一步讲，本发明的DLP 3D生物打印机，所述工作台由铝合金型材支架组成，作为整个打印机的框架支撑，所述工作台包括上层、中层和下层，所述打印平台、生物墨水槽和升降系统布置在工作台的上层，所述电气控制装置布置在工作台的中层，所述DLP投影设备和反射系统布置在所述工作台的下层。
所述计算机按照预先编好的程序通过电气控制装置控制所述升降系统的升降，用以调整所述打印平台与所述生物墨水槽之间的距离，实现打印平台有序运动。
所述反射镜为单面反射镜。
所述DLP投影设备位于所述生物墨水槽的下方，所述DLP投影设备的图形光路经所述反射系统从所述生物墨水槽的底部射入所述生物墨水槽中以照射其中的生物墨水；所述DLP投影设备用于将所述计算机切片处理好的三维模型切片投影至所述生物墨水槽。
所述生物墨水包括生物水凝胶、细胞、活性稀释剂、光引发剂、紫外光吸收剂和生长因子，所述生物墨水在一定波长的可见光的照射下立刻引起聚合反应，完成固化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明DLP 3D生物打印机是采用DLP投影技术结合生物墨水成型技术形成的一套系统。该系统部件简单、结构紧凑、成型精度高，打印速度更快。可实现高速高精度的生物打印，并且保证较高的细胞存活率；本发明在使用过程中产生噪声小，控制精准、制造成本低。
附图说明
图1为本发明DLP 3D生物打印机的整体示意图。
图2为本发明打印成型系统和升降系统的局部示意图。
图中：
1-工作台 2-生物墨水槽 3-升降系统 4-打印平台
5-计算机 6-电气控制装置 7-DLP投影设备 8-反射系统
9-第一云台 10-第二云台 11-伸缩杆 12-反射镜
13-磁铁片 14-转接头
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明DLP 3D生物打印机的设计思路是，主要应用了数字微镜装置(DMD)来实现数字光学处理过程。DMD中数以万计的小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器DLP调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。据此，在本发明的技术方案中将光源换成一定波长的可见光光源，通过软件控制DMD上微镜开关功能，投射出各种模型切片形状的可见光，然后让投射出的可见光从生物墨水槽2底部透过，照射生物墨水，生物墨水就会固化成相应的切片形状，这样的切片形状如果逐层叠加，就会形成三维实体。
如图1和图2所示，本发明提出的一种DLP 3D生物打印机，包括工作台1、光源系统、反射系统8、打印成型系统、升降系统3和控制系统。
所述工作台1由铝合金型材支架组成，作为整个打印机的框架支撑，所述工作台1包括上层、中层和下层。
所述打印成型系统包括打印平台4和生物墨水槽2，所述打印平台4和生物墨水槽2布置在工作台1的上层。
所述控制系统包括软件和硬件两个部分，所述硬件部分包括与一计算机7相连的电气控制装置6；所述电气控制装置6由驱动器和主板等构成并布置在工作台1的中层。
所述生物墨水槽2位于所述打印平台4的(图中点划线表示的位置，即成型平面的位置)下方，并填充有生物墨水，所述生物墨水槽2的底面的材料为可透光材料，所述生物墨水槽2上端开口，底部透光，通过磁铁片13与工作台1顶部的支撑板相连，从而固定在整台打印机的顶部平面上。所述生物墨水包括生物水凝胶、细胞、活性稀释剂、光引发剂、紫外光吸收剂和生长因子，所述生物墨水在一定波长的可见光的照射下立刻引起聚合反应，完成固化。
所述升降系统3布置在工作台1的上层，所述升降系统3是由电机丝杠组成的运动系统，并通过吊台和转接头14与第一云台9相连，所述第一云台9下方连接打印平台4，所述升降系统3与所述电气控制装置6相连。所述计算机5按照预先编好的程序通过电气控制装置6控制所述升降系统3的升降，实现打印平台4有序运动，用以调整所述生物墨水槽2与打印平台4(即成型平面)之间的距离。
所述光源系统包括卤素灯和DLP投影设备7，所述DLP投影设备7布置在所述工作台1的下层，所述DLP投影设备7与所述电气控制装置6相连，所述DLP投影设备7包括DMD装置，所述卤素灯发射可见光后，由DMD装置选择性反射所需图案，再经过滤光后，用于固化生物墨水。
所述反射系统8布置在所述工作台1的下层，所述反射系统8包括第二云台10、伸缩杆11和反射镜12，所述伸缩杆11设置在工作台1的底部，第二云台10设置在所述伸缩杆11的顶部；所述反射镜12通过球面副连接在所述第二云台10上，从而实现所述反射镜12在竖直方向上的升降和绕球面副球心的自由转动。本发明中，所述反射镜12采用单面反射镜，从而可以避免反射镜前后双表面反射造成的图形尺寸误差。
所述DLP投影设备7位于所述有生物墨水槽2的下方，所述DLP投影设备7的图形光路经所述反射系统8从所述生物墨水槽2的底部射入所述生物墨水槽2中以照射其中的生物墨水；所述DLP投影设备7用于将所述计算机5切片处理好的三维模型切片投影至所述生物墨水槽2。
本发明中的第一云台9和第二云台10均为手动控制。
所述计算机7通过运行软件部分进行模型操作、切片处理、参数设置等操作后控制光源系统将三维模型的各个图层切片有序投影至生物墨水槽2。本发明中的软件部分的具体内容是本领域普通技术人员根据打印的具体内容进行编程的，属于本领域公知常识，在此不再赘述。
实施例：
如图1所示，将DLP投影设备7置于工作台1下层的右端，充分利用了DLP投影设备7的镜头偏置，减小了整体打印机的体积，便于光路设置，也便于整体设备中各相关器件及装置的布局。
如图2所示，将打印平台4设于生物墨水槽2的上部，通过电气控制装置6自动控制升降系统3，来精准确定打印平台4与生物墨水槽2之间的距离，本发明中，可以实现0.03mm的垂直升降。相反若自上而下型的布置打印平台4和生物墨水槽2，则打印机会随着切片的固化使打印平面逐层下移，这就需要生物墨水的液面始终没过已固化模型的顶部，造成生物墨水的大量浪费和细胞沉底打印失效，也会造成打印精度差、机器体积增等不良影响。另外，现有技术中的其他基于DLP投影技术的3D生物打印机，需要附设一套升降机构来直接对生物墨水槽升降以成型产品，这势必造成加工制造的效率低，也一定程度上影响产品制造精度。在本发明的技术方案中不需要升降生物墨水槽2，而是升降设于设备顶部的打印平台4，相比之下，本分明打印机不但打印精度高、节约材料，同时也使得设备机构布置也更为精简、结构紧凑。
本发明中，所述反射系统8控制所述DLP投影设备7图形光路的反射方向，利用反射光路减少了单方向上光路的长度，使机构体积减小，结构紧凑。
本发明DLP 3D生物打印机的工作过程如下：
首先，将计算机5与电气控制装置6和DLP投影设备7连接完成后，向生物墨水槽2内注入所需量的生物墨水，将打印平台4通过升降系统3降到零初始位置，使得打印平台4的底面与生物墨水槽2的底面接触。
将三维模型导入到计算机5的软件中，逐步完成模型操作、切片处理和打印参数设置后开始打印。DLP投影装置7按切片图案发出相应图案的可见光，经过反射系统8反射照射到生物墨水槽2的底部。生物墨水槽2的底部采用透光离型膜，当一定形状可见光透过生物墨水槽2底部照射到生物墨水后，即可固化成型并黏附在打印平台4的底面。
当打印平台4通过升降系统3升高一个层厚，那么已固化模型便可与生物墨水槽2底面有了一个层厚的间隙，打印平台4抬升的过程中间隙便又充满了生物墨水，当一定形状的可见光继续照射生物墨水槽2底部时，生物墨水便又会固化成一个层厚的固体，两层固体粘结一体，如此逐层照射下去，便可成型一定结构的生物结构，照射完毕后，将打印平台4抬升至最高位置，将生物结构取下，打印完成。
综上所述，本发明的DLP 3D生物打印机，通过使用高分辨率的数字光处理器DLP投影设备7来逐层固化生物墨水。由于采用面曝光的固化方式，因此速度比点曝光的SLA成型技术速度更快，而且成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面极大提升。本发明DLP3D生物打印机采用DLP投影技术结合生物墨水材料成型技术形成一套系统，该系统部件简单、整体紧凑，打印产品精度高、速度快，而且打印机加工制造成本低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有较高的利用和推广价值。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种DLP 3D生物打印机，包括工作台(1)、光源系统、反射系统(8)、打印成型系统、升降系统(3)和控制系统；所述打印成型系统包括打印平台(4)和生物墨水槽(2)；所述控制系统包括软件和硬件两个部分，所述硬件部分包括与一计算机(7)相连的电气控制装置(6)；其特征在于，
所述生物墨水槽(2)位于所述打印平台(4)的下方，并填充有生物墨水，所述生物墨水槽(2)的底面的材料为可透光材料，并通过磁铁片(13)与工作台(1)紧固；
所述升降系统(3)是由电机丝杠组成的运动系统，并通过吊台和转接头(14)与第一云台(9)相连，所述第一云台(9)与所述打印平台(4)相连；
所述光源系统包括卤素灯和DLP投影设备(7)，所述DLP投影设备(7)包括DMD装置，所述卤素灯发射可见光后，由DMD装置选择性反射所需图案，再经过滤光后，用于固化生物墨水；
所述反射系统(8)包括第二云台(10)、伸缩杆(11)和反射镜(12)，所述伸缩杆(11)设置在工作台(1)的底部，第二云台(10)设置在所述伸缩杆(11)的顶部，所述反射镜(12)通过球面副连接在所述第二云台(10)上，从而实现所述反射镜(12)在竖直方向上的升降和绕球面副球心的自由转动；
所述升降系统(3)和所述DLP投影设备(7)均与所述电气控制装置(6)相连；所述计算机(7)通过运行软件部分进行模型操作、切片处理、参数设置与打印控制，并控制光源系统将三维模型的各个图层切片有序投影至生物墨水槽(2)。
2.根据权利要求1所述的DLP 3D生物打印机，其特征在于，所述工作台(1)由铝合金型材支架组成，作为整个打印机的框架支撑，所述工作台(1)包括上层、中层和下层，所述打印平台(4)、生物墨水槽(2)和升降系统(3)布置在工作台(1)的上层，所述电气控制装置(6)布置在工作台(1)的中层，所述DLP投设备(7)和反射系统(8)布置在所述工作台(1)的下层。
3.根据权利要求1所述的DLP 3D生物打印机，其特征在于，所述计算机(5)按照预先编好的程序通过电气控制装置(6)控制所述升降系统(3)的升降，用以调整所述打印平台(4)与所述生物墨水槽(2)之间的距离，实现打印平台(5)有序运动。
4.根据权利要求1所述的DLP 3D生物打印机，其特征在于，所述反射镜(12)为单面反射镜。
5.根据权利要求1所述的DLP 3D生物打印机，其特征在于，所述DLP投影设备(7)位于所述有生物墨水槽(2)的下方，所述DLP投影设备(7)的图形光路经所述反射系统(8)从所述生物墨水槽(2)的底部射入所述生物墨水槽(2)中以照射其中的生物墨水；所述DLP投影设备(7)用于将所述计算机(5)切片处理好的三维模型切片投影至所述生物墨水槽(2)。
6.根据权利要求1所述的DLP 3D生物打印机，其特征在于，所述生物墨水包括生物水凝胶、细胞、活性稀释剂、光引发剂、紫外光吸收剂和生长因子，所述生物墨水在一定波长的可见光的照射下立刻引起聚合反应，完成固化。
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