CN111897383A - 一种凝胶3d打印装置的温度控制系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，所述打印装置的底板平台为三层结构，分别是从上到下依次叠加的底板平台第三层、底板平台第二层、底板平台第一层；底板平台第一层内布置若干组加热丝A，加热丝A沿二维坐标系的x轴方向延伸；底板平台第二层内布置若干组加热丝B，加热丝B沿二维坐标系的y轴方向延伸，加热丝A、加热丝B均为蜿蜒型排布；所述底板平台第三层内布置若干个同心环散热微流道，相邻的散热微流道之间设有连接桥流道；加热丝A、加热丝B、同心环散热微流道分别与控制器连接。本发明提供的温度控制系统集升温与快速降温于一体，具有耗能低、响应速度快等优点，在生物医学和生态环境监测领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种凝胶3D打印装置的温度控制系统及应用，属于增材制造技术领域。
背景技术
三维（3D）打印是一种重要的制造方法，其涉及工程学、材料学和生物医学等领域。特别是近年来其与生物医学研究领域相结合后，在模仿生物组织的几何形态和功能方面具有重要的贡献；3D生物打印技术可以很好地予以弥补传统组织工程学中存在的技术问题，如可在体外精确地构建生物组织的三维结构，均匀的细胞密度，以及打印后可对种子细胞进行3D培养及体外诱导等。
然而，目前在探究3D打印结构体的形状和功能方面还面临一些局限性。因为在打印生物结构体的过程中，底板平台的温度往往是被设计为均匀的，而且通常升温快，但降温采用自然冷却，温度下调时存在明显的滞后性。在人体内，生物分子的浓度梯度控制诸多基本的细胞功能，例如发育、免疫反应、伤口愈合、胚胎发生和癌转移等。而局部受到梯度温度刺激时，既会引起分子扩散系数的改变，也会引起细胞本身对温度的敏感响应，这些对于研究细胞在外界条件刺激下的自组织行为具有重要意义。因此，对3D生物体结构体中不同局部区域的差别化温度控制对于研究生物体对局部热源、局部冷源或局部梯度温度的微观响应是十分必要的。
发明内容
目的：为了克服现有技术中3D打印底板平台温度变化不可控的缺陷，本发明提供一种凝胶3D打印装置的温度控制系统及应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，所述打印装置的底板平台为三层结构，分别是从上到下依次叠加的底板平台第三层、底板平台第二层、底板平台第一层；
所述底板平台第一层内布置若干组加热丝A，加热丝A沿二维坐标系的x轴方向延伸；所述底板平台第二层内布置若干组加热丝B，加热丝B沿二维坐标系的y轴方向延伸，所述加热丝A、加热丝B均为蜿蜒型排布；所述底板平台第三层内布置若干个同心环散热微流道，相邻的散热微流道之间设有连接桥流道；
所述加热丝A、加热丝B、同心环散热微流道分别与控制器连接。
进一步地，每组加热丝A在y轴方向所占宽度LA为6mm。
进一步地，每组加热丝B在x轴方向所占宽度LB为4mm。
进一步地，所述同心环散热微流道的同心环数量为5-20圈。
进一步地，所述相邻的散热微流道之间设置的连接桥流道数量大于或等于2个。
一种凝胶3D打印装置的温度控制系统的应用方法，包括如下步骤：
S1. 在3D打印装置中设置要成型的具体结构体的几何模型，完成切片化数据处理，并将底板平台的温度设置为T0；
S2. 采用3D打印机喷头将凝胶挤出，开始依照程序进行打印；
S3. 当挤出的凝胶在底板平台上形成的几何结构具有一定厚度之后，通过控制器对底板平台第一层内的每组电加热丝A、底板平台第二层内的每组加热丝B的电流通断和接通时间进行控制，使得底板平台的温度实现特定的分布，包括均匀分布或者非均匀分布形式；
S4. 结构体打印完成后，开始对该组织结构体进行原位培养，通过综合控制温度沿着x轴、y轴的分布，并配合同心环散热微流道中导热液体的流速控制进行整体散热，使得底板平台上的温度在一定范围内实现平面内的梯度化分布；
S5. 在原位培养过程中利用成像系统在不同时间点对细胞群体的行为进行3D成像，进而研究细胞的4D行为，即细胞在3D空间内随着时间演变而发生的行为变化或自组织演变直至形成管状结构并继续生长的过程；
S6. 观测凝胶样品内细胞行为以及组织结构的形成过程，包括细胞的伸展和迁移。
进一步地，步骤S1中，底板平台的设置温度T0为36~38℃。
有益效果：本发明中在3D打印装置内设置智能控制温度的底板平台，通过分段式温度分布的设计，实现各个不同温度梯度范围内的凝胶内细胞行为的检测和评估；本发明底板平台内设置的散热微流道具有回流功能，能够在散热过程中使导热液体吸热充分，且各处散热量均匀；底板平台集升温与快速降温于一体，具有耗能低、响应速度快等优点，在生物医学和生态环境监测领域，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明3D打印装置的底板平台与3D打印头的相对位置关系示意图；
图2为本发明底板平台的剖面示意图；
图3为本发明底板平台第一层中加热丝A的排布示意图；
图4为本发明底板平台第二层中加热丝B的排布示意图；
图5为本发明底板平台第三层中同心环散热微流道示意图。
附图标记说明：01. 3D打印的成型空间，21. 第一打印头，22.第二打印头，23. 第三打印头，30. 底板平台第一层，31.底板平台第二层，32. 底板平台第三层，41. 左移动挡板，42. 右移动挡板，301-303. 底板平台第一层中的加热丝A，311-313. 底板平台中的加热丝B，3201-3204. 底板平台第三层中的同心环散热微流道，3200. 散热微流道的导热液体出口，3205-3208. 连接桥流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2所示，一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，所述打印装置的底板平台为三层结构，分别是从上到下依次叠加的底板平台第三层32、底板平台第二层31、底板平台第一层30。
所述底板平台第一层30内布置若干组加热丝A，加热丝A沿二维坐标系的x轴方向延伸，每组加热丝A在y轴方向所占宽度LA为6mm，所述LA为沿y轴方向最小的温度可控单元尺度。
所述底板平台第二层31内布置若干组加热丝B，加热丝B沿二维坐标系的y轴方向延伸，每组加热丝B在x轴方向所占宽度LB为4mm，所述LB为沿x轴方向最小的温度可控单元尺度。
所述底板平台上安装有左移动挡板41和右移动挡板42，左移动挡板41和右移动挡板42上均安装有限位传感器，当打印头移动至与挡板接触时，打印头停止移动。
所述加热丝A、加热丝B均为蜿蜒型排布，如图3、图4所示。
所述底板平台第三层32内布置5个同心环散热微流道，相邻的散热微流道之间设有2个连接桥流道，如图5所示。
所述加热丝A、加热丝B、同心环散热微流道分别与控制器连接，通过控制器对加热丝A、加热丝B的电流通断及接通时间进行控制，对同心环散热微流道中导热液体的流速进行控制从而整体散热。
实施例一
一种凝胶3D打印装置的温度控制系统的应用方法，包括如下步骤：
S1. 在3D打印装置中设置要成型的具体结构体的几何模型，完成切片化数据处理，并将底板平台的温度设置为37℃；
S2. 采用3D打印机的第一打印头21、第二打印头22、第三打印头23沿着运动方向自上而下逐层打印出三种凝胶相间隔的结构体，进而制造出纵深尺度更大、排列形式更加灵活的凝胶结构体，以期能够为控制组织结构的直径、长度和空腔体积等提供更为灵活的技术手段；
S3. 当挤出的凝胶在底板平台上形成的几何结构具有一定厚度之后，通过控制器对底板平台第一层内的每组电加热丝A、底板平台第二层内的每组加热丝B的电流通断和接通时间进行控制，开始将底板的温度设置为非均匀化分布形式；
S4. 结构体打印完成后，开始对该组织结构体进行原位培养，通过综合控制温度沿着x轴、y轴的分布，并配合同心环散热微流道中导热液体的流速控制进行整体散热，使得底板平台上的温度在一定范围内实现平面内的二维梯度化分布；
S5. 通过采用长效的荧光追踪标记物（Cell tracer）对细胞进行无毒染色，然后在原位培养过程中利用成像系统在不同时间点对细胞群体的行为进行3D成像，进而研究细胞的4D行为，即细胞在3D空间内随着时间演变而发生的行为变化或自组织演变直至形成管状结构并继续生长的过程；
S6. 通过照相机观测凝胶样品内细胞行为以及组织结构的形成过程，包括细胞的伸展和迁移。
实施例二
一种凝胶3D打印装置的温度控制系统的应用方法，包括如下步骤：
S1. 在3D打印装置中设置要成型的具体结构体的几何模型，完成切片化数据处理，并将底板平台的温度设置为37℃；
S2. 采用3D打印机的第一打印头21、第二打印头22、第三打印头23沿着运动方向自上而下逐层打印出三种凝胶相间隔的结构体，进而制造出纵深尺度更大、排列形式更加灵活的凝胶结构体，以期能够为控制组织结构的直径、长度和空腔体积等提供更为灵活的技术手段；
S3. 当挤出的凝胶在底板平台上形成的几何结构具有一定厚度之后，通过控制器对底板平台第一层内的每组电加热丝A、底板平台第二层内的每组加热丝B的电流通断和接通时间进行控制，开始将底板的温度设置为均匀化分布形式；
S4. 结构体打印完成后，开始对该组织结构体进行原位培养，通过综合控制温度沿着x轴、y轴的分布，并配合同心环散热微流道中导热液体的流速控制进行整体散热，使得底板平台上的温度在一定范围内实现平面内的二维梯度化分布；
S5. 通过采用长效的荧光追踪标记物（Cell tracer）对细胞进行无毒染色，然后在原位培养过程中利用成像系统在不同时间点对细胞群体的行为进行3D成像，进而研究细胞的4D行为，即细胞在3D空间内随着时间演变而发生的行为变化或自组织演变直至形成管状结构并继续生长的过程；
S6. 通过照相机观测凝胶样品内细胞行为以及组织结构的形成过程，包括细胞的伸展和迁移。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，其特征在于：所述打印装置的底板平台为三层结构，分别是从上到下依次叠加的底板平台第三层、底板平台第二层、底板平台第一层；
所述底板平台第一层内布置若干组加热丝A，加热丝A沿二维坐标系的x轴方向延伸；所述底板平台第二层内布置若干组加热丝B，加热丝B沿二维坐标系的y轴方向延伸，所述加热丝A、加热丝B均为蜿蜒型排布；所述底板平台第三层内布置若干个同心环散热微流道，相邻的散热微流道之间设有连接桥流道；
所述加热丝A、加热丝B、同心环散热微流道分别与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，其特征在于：每组加热丝A在y轴方向所占宽度LA为6mm。
3.根据权利要求1所述的一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，其特征在于：每组加热丝B在x轴方向所占宽度LB为4mm。
4.根据权利要求1所述的一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，其特征在于：所述同心环散热微流道的同心环数量为5-20圈。
5.根据权利要求1所述的一种凝胶3D打印装置的温度控制系统，其特征在于：所述相邻的散热微流道之间设置的连接桥流道数量大于或等于2个。
6.一种权利要求1所述凝胶3D打印装置的温度控制系统的应用方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1. 在3D打印装置中设置要成型的具体结构体的几何模型，完成切片化数据处理，并将底板平台的温度设置为T0；
S2. 采用3D打印机喷头将凝胶挤出，开始依照程序进行打印；
S3. 当挤出的凝胶在底板平台上形成的几何结构具有一定厚度之后，通过控制器对底板平台第一层内的每组电加热丝A、底板平台第二层内的每组加热丝B的电流通断和接通时间进行控制，使得底板平台的温度实现特定的分布；
S4. 结构体打印完成后，开始对该组织结构体进行原位培养，通过综合控制温度沿着x轴、y轴的分布，并配合同心环散热微流道中导热液体的流速控制进行整体散热，使得底板平台上的温度在一定范围内实现平面内的梯度化分布；
S5. 在原位培养过程中利用成像系统在不同时间点对细胞群体的行为进行3D成像，进而研究细胞的4D行为，即细胞在3D空间内随着时间演变而发生的行为变化或自组织演变直至形成管状结构并继续生长的过程；
S6. 观测凝胶样品内细胞行为以及组织结构的形成过程，包括细胞的伸展和迁移。
7.根据权利要求6所述的一种凝胶3D打印装置的温度控制系统的应用方法，其特征在于：步骤S1中，底板平台的设置温度T0为36~38℃。
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Effective date of registration: 20240205 Address after: 215000, Building 2, No. 209 Zhuyuan Road, Suzhou High tech Zone, Suzhou City, Jiangsu Province 1310-11 Patentee after: Baiao Instrument Technology (Suzhou) Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: No. 99 Qinan Road, Guntang Village, Yangchenghu Town, Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province, 215100 (Room 447, 4th Floor, Building 1, Suzhou Dongfang Shunda Logistics Co., Ltd.) Patentee before: Su porcelain Nanotechnology (Suzhou) Co.,Ltd. Country or region before: China |