CN112140530B - 一种多模块串行生物3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多模块串行生物3D打印装置，用于在太空中的微小卫星上进行生物3D打印，所述多模块串行生物3D打印装置设置有多个分别搭载有能够实现光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，交联机制不同的生物墨水并通过工位切换机构的平移或旋转切换其与喷头驱动模块的连接或脱离的打印成形模块。本发明可一次搭载并打印成形多个组织器官样本，可实现基于复合式交联，光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联等一种或多种交联机制的复合3D打印工艺打印，并进一步实现卫星上的高通量生物3D打印。

Description

一种多模块串行生物3D打印装置

技术领域

本发明属于生物3D打印技术领域，尤其涉及一种适用于太空微小卫星环境的多模块串行生物3D打印装置。

背景技术

生物3D打印是以计算机三维模型为“图纸”，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。在单层细胞结构中，细胞无法展现3D结构的细胞交流(cell interaction)，从而导致细胞功能(cell function)的部分丧失。生物3D打印技术能够通过CT、MRI等获得生物组织的结构图像，再将数据输入数据处理系统，然后通过电脑软件3D建模(CAD Computer Aided Design)，从而实现生物组织的三维打印。通过精确控制生物材料、生物细胞、生长因子等在整体3D结构中的位置、组合、互相作用，使之具有生物活性，能实现打印成品与目标组织或生物器官接近，实现人体器官的复制，甚至提升人体器官的潜能。

目前生物3D打印主要有三种打印方式：挤压成型生物打印(extrusion-basedbioprinting，简称EBB)，液滴喷射生物打印(droplet-based bioprinting或inkjet，简称DBB)，和激光辅助生物打印(Laser-based bioprinting，简称LBB)。

挤压成型打印(EBB)是目前在研究和工业领域最常用的生物3D打印技术。其工作原理类似传统意义上的3D打印技术FDM(Fused Deposition Modeling)。FDM是将打印材料融化，然后挤压成丝(filament)打印出来，凝固后形成设计的形状。EBB是将生物“墨水”(Bioink：模拟生物内在环境的材料，起支撑细胞的作用)利用机动或气动的方式产生压强，将“墨水”从针头挤出来。这种打印方式的优点在于可以选择不同的针头大小，并且调节压强与温度来控制打印速率和分辨率，拥有比较高的精确度(精确到5微米)，并且成本相对较低。但是打印的弊端就是无法适用于流体材料，因为没有足够的粘性(viscosity)，流体材料无法线性地打印出来。其次，由于打印的材料有很高的粘性，针头容易产生堵塞。

液滴喷射打印(DBB)的工作原理类似于喷墨打印机(inkjet)。生物“墨水”成滴状打印出来，喷头通常数量较多来提高打印速度。常见的喷绘方法有三种：压电效应(piezoelectric)，热(thermal)和气压(pneumatic)。三种方法都是通过改变压强来喷出滴状“墨水”。液滴喷射打印每次喷出一滴“墨水”，挤压成型打印则是连续的长条形状。液滴喷射打印和挤压成型打印的其他区别在于它使用了更细的喷头，通过喷射的方式可以打印流体材料，因此具有很高的材料适用性，并且它的打印速度相较于挤压成型打印更加的快速。但它的缺点在于精确度相对较低，喷射出的液体存在溅射，所以精度只能达到挤压成型的十分之一左右(约50微米)。

激光辅助生物打印(LBB)是利用化学上的聚合作用(photopolymerization)激光使含有光敏聚合物(photosensitive polymer)的生物材料产生交叉链接(cross-link)从而硬化形成固体。由于采用的是激光投射，精确度很高，可以打印复杂的形状以及结构。常见的LBB有两种形式，一种是LIFT(laser induced forward transfer)，原理是将激光反射到一层含有细胞的生物材料上，被激光定点照到的那部分会形成液滴落下，通过激光扫过不同区域来形成需要的形状。另一种是数字激光打印DLP(digital light printing)，原理是将激光通过数以万计的微小镜子(DMD，digital micromirror device)反射到生物材料上，通过改变每个镜子的角度可以反射高精确度的图案，被反射的光照到的材料会硬化从而形成最后想要的形状，因为使用了棱镜折射技术，单条激光射线可以同时打印一块区域，它的打印速度非常快(>1毫米每秒)。

EBB和DBB这两种打印技术虽然都已经达到了很高的精确度，但是相较激光辅助生物打印还是有所差距。因为EBB、DBB打印技术的精确度局限于导出材料的物质特性(比如材料堆叠时形成的间隙)，材料流动时产生的剪应力(shear stress)以及打印针头的直径等等。

生物3D打印技术具有可量身定制性，结构和孔隙可控性以及可复合多种材料等特性。该技术也为许多具有突破性的治疗方案及设备的发明提供了技术支持。

随着商业航天的蓬勃发展，人类进入了一个新的太空飞行黄金时代。微小卫星为通信、对地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验提供了更灵活的平台。空间技术和微重力将给地球上的人类健康带来深远的益处，在太空开展生物3D打印被称为“21世纪的登月计划”。空间微重力环境有利于柔性的生物材料打印成形，使细胞的聚集方式更接近人体组织，能增强干细胞的增殖、分化等性能，空间生物3D打印对于制造在空间或返回地球使用的人体器官和组织具有重要的意义，也是开展航天医学工程与空间生物学研究的重要技术支撑。

由于微小卫星具有发射成本高、空间狭窄的特点，空间打印设备应当具有结构尺寸紧凑化、功率消耗低等特点，但要实现多种材料等系列打印实验往往就需要大尺寸和高功耗的设备。此外由于太空特殊环境所造成的不确定性，目前已有的空间打印设备往往容易发生喷头堵塞、光固化粘连等问题造成打印失败，因此如何在打印发生意外时及时恢复打印机的打印能力，提高打印的效率和成功率也是时下空间三维打印的难点。

公开号为CN104608382A的中国专利公开了一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，包括打印机，打印机外部为功能复合封闭式壳体，功能复合封闭式壳体内打印机的出气孔与温度控制装置进气孔，气氛与温度控制装置的出气孔连接功能复合封闭式壳体内打印机的进气孔，打印机的功能复合封闭式壳体与减振平台连接，减振平台上连接有打印平台；功能复合封闭式壳体内面含有能够保证壳体内温度场稳定的保温层，保温层外是屏蔽打印过程产生噪音的减噪层，减噪层外是防止打印机与外界相互电磁干扰的电磁屏蔽层以及保证机器强度的保护层。该发明适应太空微重力环境以及保证与宇航平台的匹配性，实现太空制造。

公开号为CN105034375A的中国专利公开了一种太空环境下的FDM3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法。该发明设置胶水喷头和增压喷头，胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水，然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。该发明解决了微重力的太空环境下的3D打印问题；可以用于太空环境下的3D打印。

要在太空中实现三维打印，目前已有的空间三维打印设备专利通常都采用传统的地面三维打印方案的简化缩小版，即固定在运动机构上的一个或多个喷头在成形平台上实现单一工位的挤出打印成形，或使用光固化三维打印的方法在封闭的液体腔中实现单一工位的固化成形。这种结构虽然设计简单，但考虑到太空微小卫星空间尺寸的局限性，且无法人工干预，因此太空环境无法多样本成形，只能够采用单一的成形方式，选择单一的材料，打印机的适用范围有限。此外由于太空中微重力环境的影响，打印的成功率往往不高，一旦出现打印喷头堵塞或光固化成形模型与液槽粘连的等打印失败的情况，往往意味着整个打印机将无法继续工作。即使能够完成打印，打印完毕后往往难以将已经打印完毕的三维成形平台转移走(采用机械臂将增加系统的复杂度)，即使能够转移，该过程需要相对较长的时间，喷头内的材料往往会因温度、气压等环境因素的变化或发生化学反应而发生物理/化学性能的变化，如粘度的变化等，这将造成打印效果的明显下降。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种多模块串行生物3D打印装置，用于在太空中的微小卫星上进行生物3D打印。所述多模块串行生物3D打印装置设置有多个分别搭载有能够实现光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，交联机制不同的生物墨水并通过工位切换机构的平移或旋转切换其与喷头驱动模块的连接或脱离的打印成形模块。通过这种多工位多模块串行打印的设计，可以实现不同材料或不同成形工艺的多样本打印成形；也可以在个别工位打印失败的情况下仍能切换到其他相同配置的工位重新尝试打印，提高了打印的成功率。

根据一种优选的实施方式，所述打印成形模块由培养皿、密封包覆所述培养皿的软膜、通过所述软膜与所述培养皿活动连接的喷头和安装在喷头外侧筒壁的第一安装块构成。

根据一种优选的实施方式，所述第一安装块与所述喷头驱动模块的第二安装块间通过磁力将所述喷头与所述喷头驱动模块相连接。所述工位切换机构设置有多个与所述培养皿匹配并套设在所述培养皿外侧筒壁的孔，在电机驱动下带动孔中的培养皿平移或旋转。

根据一种优选的实施方式，在所述第一安装块与所述第二安装块相互磁力吸引从而

使所述喷头与所述喷头驱动模块连接，喷头在喷头驱动模块的作用下挤出/喷射出生物墨水进行生物打印

根据一种优选的实施方式，所述多模块串行生物3D打印装置还设置有机架和安装于所述机架上的三维运动组件。所述三维运动组件包括固定在所述机架上的第一运动机构、安装在所述第一运动机构上的第二运动机构以及固定在所述机架上的第三运动机构。所述第二运动机构设置有可供所述喷头驱动模块的安装板滑动安装于其上的导轨，从而能够所述喷头驱动模块滑动设置于所述三维运动组件上。

根据一种优选的实施方式，所述机架上还设置有复合成形平台模块。所述复合成形平台模块包括：成形台，与所述三维运动组件中的第三轴运动机构相连接从而能够随第三轴运动系统在第三轴方向运动，所述成形台上设有开口；监控摄像头，安装在所述成形台上，用于观察和记录3D打印过程；所述工位切换机构安装在所述成形台表面中部，所述工位切换机构连接有电机，用于驱动工位切换机构平移或旋转以切换工位。

根据一种优选的实施方式，所述打印成形模块采用挤压成形技术或液滴喷射技术，在采用液滴喷射技术的情况下，采用压电喷射、热喷射或气压喷射。

根据一种优选的实施方式，每个所述喷头中分别装载有预设量的生物墨水，所述预设量是按照各自生物墨水的物理和化学性质在打印时间内不会产生能够降低打印效果的变化所计算得到。

根据一种优选的实施方式，所述工位切换机构通过平移、旋转或平移和旋转相结合的方式切换所述打印成形模块的位置。

本发明还提供一种微小卫星上的生物3D打印方法，利用前述多模块串行生物3D打印装置进行，包括以下步骤：驱动工位切换机构使得打印成形模块移动到成形台的上方，第一安装块和第二安装块在磁力作用下吸附贴合，使得喷头的推头卡入压头，使喷头与喷头驱动模块连接，喷头在压头的作用下挤出生物墨水进行生物打印；喷头挤出的生物墨水通过光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，或其组合的交联方式固化；喷头驱动模块带动喷头在三维运动组件的驱动下实现三维运动，挤出的细丝从所述培养皿表面开始层层堆叠从而完成三维模型的挤出3D打印；重复上述步骤直至完成生物3D打印实体模型的打印。

根据一种优选的实施方式，所述生物3D打印方法还包括：完成生物3D打印实体模型的打印后，断开第一安装块和第二安装块的连接，可进行换气与换液，实现含细胞三维结构的培养；完成上述步骤后，驱动工位切换机构使得多工位中下一个工位的打印成形模块移动到成形台的上方，以进行下一个模块的打印成型，如此循环，多个工位串行逐个打印，直至全部工位完成打印。

目前已有的空间三维打印设备专利通常都采用传统的地面三维打印方案的简化缩小版，即固定的一个或多个喷头在成形平台上实现挤出打印成形，或使用光固化三维打印的方法在封闭的液体腔中实现固化成形。这种结构虽然设计简单，但往往只有一个工位，考虑到太空微重力环境的影响，打印的成功率往往不高。一旦出现打印喷头堵塞或光固化成形模型与液槽粘连的等打印失败的情况，往往意味着整个打印机将无法继续工作。即使能够完成打印，打印完毕后往往难以将已经打印完毕的三维成形平台转移走(采用机械臂将增加系统的复杂度)。即使能够转移，该过程需要相对较长的时间，喷头内的材料往往会因温度、气压等环境因素的变化或发生化学反应而发生物理/化学性能的变化，如粘度的变化等，这将造成打印效果的明显下降。因而现有的相关技术往往只能实现单次打印，难以实现空间三维打印设备的复用。考虑到发射卫星和太空实验的高昂成本，这将造成较大的经济损失。本发明通过紧凑化设计，在保证微小卫星空间尺寸要求的情况下，改变了以往将单个喷头固定在三维运动系统上的结构，不再在三维运动系统上安装固定的喷头，而是在成形平台上设计了一个多工位的切换结构，每个工位上固定有一个打印成形模块，每个成形模块自带一个喷头，在磁吸安装块的作用下，喷头可以快速与三维运动系统上固定的喷头安装板相连接，从而实现喷头的三维运动以完成三维打印过程。一旦发生喷头堵塞或其他导致打印失败的情况，该喷头可以快速脱离，多工位结构切换下一个工位的打印成形模块，重复上述的连接-打印-脱离流程，提高了打印的成功率。同时每次切换都会更换新的喷头，也可以避免因为长时间等待造成的打印墨水变质造成的打印质量的下降，保证打印的均一性。

同时，单个喷头结构往往难以实现多种材料的打印实验，而多个喷头固定在三维运动系统上在增加结构尺寸和复杂性的同时也提升了控制的难度。采用多工位模块化的设计，可以在不同工位的喷头中保存有不同种类、不同组分、不同浓度的材料，在太空中可以以较为紧凑的尺寸实现多种材料的打印成形实验，验证不同材料在太空微重力环境下的打印性能。此外，只有一个工位三维方法往往难以实现生物墨水、细胞培养液等材料的循环使用，本发明所述的多工位切换结构上的多个打印成形模块通过导管与同一个换液和换气设备相连接，可以各模块保持气体液体的相对独立，也可以相互连接实现液体和气体材料的复用，从而可以节约材料的使用。同时考虑到不同的交联工艺对于喷头的结构、喷嘴的直径等有不同的要求，单个喷头也往往只能采取单个交联工艺实现挤出的微丝的成形，采用多工位方法可以根据不同交联工艺的需求定制和更换不同的喷头，可以更方便地实现热交联、光交联、化学交联、电交联、离子交联等不同交联工艺，拓展了空间打印设备的应用范围。

附图说明

图1是本发明的多模块串行生物3D打印装置的三种切换模式的示意图，其中，

图1(a)是采用平移模式进行工位切换的侧视图，

图1(b)是采用平移模式进行工位切换的附视图，

图1(c)是采用旋转模式进行工位切换的侧视图，

图1(d)是采用旋转模式进行工位切换的附视图，

图1(e)是采用平移和旋转模式进行工位切换的侧视图，

图1(f)是采用平移和旋转模式进行工位切换的附视图；

图2是本发明的复合成型平台与工位切换机构的结构示意图；

图3是本发明的打印成形模块的结构示意图。

附图标记列表

100：工位切换机构 200：喷头驱动模块 300：灌流换液模块

500：打印成形模块

202：第二安装块

401：成形台 402：开口

501：喷头 502：第一安装块 503：培养皿

504：软膜 505：导流管

具体实施方式

下面结合附图1至3进行详细说明。

实施例1

图2示出本实施例的一种多模块串行生物3D打印装置的结构示意图，用于在太空中的微小卫星上进行生物3D打印。多模块串行生物3D打印装置设置有多个分别搭载有能够实现光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，交联机制不同的生物墨水并通过工位切换机构100的平移或旋转切换其与喷头驱动模块200的连接或脱离的打印成形模块500。通过该方式，能够在不同的打印成形模块500中装载交联机制不同的生物墨水，通过切换打印成形模块500便捷地实现打印材料的改变，实现复合打印和复杂结构的打印。该设置方式集成度高，装置结构紧凑，尤其适于太空环境中微小卫星上的使用。特别是，由于太空微重力环境的影响，打印喷头容易出现堵塞或光固化成形模型与液槽粘连导致打印无法进行或失败的情况，本发明的多模块串行生物3D打印装置即可设置备用的打印成形模块500，当上述情况发生时，仅需要切换工位，即可继续正常的后续打印，不会因为喷头的堵塞导致整个打印过程的失败。

根据一种具体实施方式，如图1(a)和图1(b)所示，工位切换机构搭载有3个打印成形模块500，采用平移的方式进行工位切换，装载有不同生物墨水的打印成形模块500在工位切换机构的带动下依次与喷头驱动模块连接或脱离，按序完成打印工作。图1(b)中的实线代表打印成形模块500的现时位置，虚线代表打印成形模块500能够移动到的位置。打印成形模块500能够在如图所示的X方向和Y方向平移切换工位。优选的，工位切换机构的前端和后端还能够与打印成形模块500的供给装置和移出装置相配合，以便及时从工位上移出打印完成的或者打印故障的打印成形模块500，补入待打印的模块，实现打印过程的连续的流水线操作。该设置方式能够显著提高卫星上的生物3D打印装置的打印效率和使用率，实现高通量的打印，并充分利用卫星上的打印时间。

根据另一种具体实施方式，如图1(c)和图1(d)所示，工位切换机构搭载有3个打印成形模块500，采用旋转的方式进行工位切换。该切换方式占用的空间更小，空间利用率更高。同样地，工位切换机构能够与打印成形模块500的供给装置和移出装置相配合，及时从工位上移出打印完成的或者打印故障的打印成形模块500，补入待打印的模块。

根据又一种具体实施方式，如图1(e)和图1(f)所示，工位切换机构搭载有3个打印成形模块500，采用平移和旋转结合的方式进行工位切换。通过这种切换方式，能够灵活调整打印成形模块500与光源以及打印监测装置的相对位置关系，从而以此方式调节生物墨水的固化和观察位置和角度，更全面完整地监控和控制打印过程。

优选的，如图3所示，打印成形模块500由培养皿503、密封包覆培养皿503的软膜504、通过软膜504与培养皿503活动连接的注射器501和安装在喷头外侧筒壁的第一安装块502构成。第一安装块502与喷头驱动模块200的第二安装块202间通过磁力将注射器501与喷头驱动模块200相连接。工位切换机构100设置有多个与培养皿503匹配并能够套设在培养皿503外侧筒壁的孔，在切换电机的驱动下带动孔中的培养皿503平移或旋转。打印成形模块500与喷头驱动模块200通过第一安装块502与第二安装块202的磁力作用相互连接或脱离，通过简单紧凑的机械结构即保证了切换过程中连接位置的准确性。优选的，第一安装块502与第二安装块202上设置相同形状的环形磁体，便于切换时的对准。

优选的，在第一安装块与502第二安装块202相互磁力吸引从而将喷头501固定于喷头驱动模块200上时，喷头驱动模块200的压头能够装卡喷头501的推杆，实现喷头501中的生物墨水的挤出或喷射。

优选的，多模块串行生物3D打印装置还设置有机架和安装于机架上的三维运动组件。三维运动组件包括固定在机架上的第一运动机构、安装在第一运动机构上的第二运动机构以及固定在机架上的第三运动机构。第二运动机构设置有可供喷头驱动模块200的安装板滑动安装于其上的导轨，从而能够喷头驱动模块200滑动设置于三维运动组件上。

优选的，第一运动机构是如图所示的X轴方向的导轨和相应的驱动装置，第二运动机构是如图所示的Y轴方向的导轨和相应的驱动装置，第三运动机构是如图所示的Z轴方向的导轨和相应的驱动装置。

优选的，如图2所示，机架上还设置有复合成形平台模块。复合成形平台模块包括：成形台401，与三维运动组件中的第三运动机构相连接从而能够随第三运动系统在Z轴方向上运动。成形台401上设有开口402。工位切换机构100安装在成形台401上方。工位切换机构100连接有切换电机，用于驱动工位切换机构100平移或旋转以切换工位。

优选的，打印成形模块500采用挤压成形技术或液滴喷射技术，在采用液滴喷射技术的情况下，采用压电喷射、热喷射或气压喷射。

优选的，每个喷头501中分别装载有预设量的生物墨水，预设量是按照各自生物墨水的物理和化学性质在打印时间内不会产生能够降低打印效果的变化所计算得到。在长时间的打印过程中，喷头501内的材料往往会因温度、气压等环境因素的变化或发生化学反应而发生物理/化学性能的变化，如粘度的变化等，这将造成打印效果的明显下降。因而现有的相关技术往往只能实现单次打印，难以实现空间三维打印设备的复用。考虑到发射卫星和太空实验的高昂成本，这将造成较大的经济损失。本发明通过设置集成有多个打印成形模块500的工位切换机构，即可针对每种生物墨水的特性，根据预期的打印时间计算生物墨水维持其形状稳定的量，并通过工位的切换保持打印过程的连续性。在每个打印成形模块500中装载所述量的生物墨水，避免打印过程中生物墨水形状改变导致的打印失败。

优选的，生物墨水包括普朗尼克F127和氯化钙、明胶、海藻酸钠和生物细胞，打印生物墨水后，普朗尼克F127和氯化钙中的钙离子渗透到生物墨水中，与生物墨水中的海藻酸钠发生离子交联固化。或者，优选的，生物墨水包括普朗尼克F127、氯化钙和羧甲基纤维素，明胶、海藻酸钠和生物细胞，打印生物墨水后，钙离子渗透到生物墨水中，与生物墨水中的海藻酸钠发生离子交联固化。优选的，本实施例涉及的换液液体为液体培养基，气体为氧气和/或二氧化碳。优选的，本实施例涉及的换液液体为液体培养基，气体为氧气和/或二氧化碳。

根据一种具体的实施方式，生物墨水是光敏墨水。光敏墨水包括明胶-甲基丙烯酸和生理盐水，明胶-甲基丙烯酸溶解在生理盐水中，明胶-甲基丙烯酸的质量体积比为1～10％，明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。或者光敏墨水包括聚(乙二醇)二丙烯酸酯和去离子水，聚(乙二醇)二丙烯酸酯溶解在去离子水中，聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比为5～30％，聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量体积比是指常温下聚(乙二醇)二丙烯酸酯的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。进一步，光敏墨水还含有细胞，其中细胞的密度为10⁴个/ml～10⁸个/ml。

优选的，光敏墨水包括生物材料或非生物材料的一种或多种，例如包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)、聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)、透明质酸-甲基丙烯酸(HAMA)、胶原-甲基丙烯酸(ColMA)和光敏树脂中的一种或多种。由于包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的生物墨水为低粘度生物墨水，生物活性非常友好，是在太空环境中进行光固化3D打印的优选材料。

优选的，光敏墨水包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)和生理盐水，将一定质量的明胶-甲基丙烯酸(GelMA)粉末溶解在生理盐水中制成光敏墨水。其中，明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比为1～10％，优选为3～5％。明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)的质量与光敏墨水的总体积之比，单位为g/ml。

优选的，光敏墨水还可以包括明胶、其他明胶衍生物、藻酸盐、藻酸盐衍生物、琼脂、基质胶、胶原蛋白、多糖、透明质酸、壳聚糖、层连接蛋白、纤连接蛋白和纤维蛋白中的一种或多种。

优选的，光敏墨水还可以含有细胞，其中细胞的密度为10⁴个/ml～10⁸个/ml，优选为10⁵个/ml～10⁷个/ml，更优选为10⁶个/ml。

优选的，培养皿503中装载有触变性凝胶用于辅助成形，生物3D打印设备在打印过程中，触变性凝胶在静止时能够支持生物结构体保持稳定，在打印喷头快速移动时，管状针的快速移动对凝胶产生剪切力，使得凝胶能够快速变稀以容纳3D打印的生物结构体，并且，在打印喷头移动过后能够快速恢复静止，作为生物3D打印的支持材料。触变性凝胶制备方法为，将一定质量的普朗尼克F127(Sigma，P2443)粉末溶解在去离子水中，在4～10℃条件(优选为4℃)下放置12～72小时至普朗尼克F127粉末完全溶解，以制得20～50％，优选为30～40％，更优选为35％质量体积比的普朗尼克F127溶液，并在4～10℃(优选为4℃)条件下将普朗尼克F127溶液输送到辅助成形凝胶盒中，恢复辅助成形凝胶盒至20-37℃，优选的恢复至25℃，所制得溶液变成凝胶态。优选的，本发明实施例的方法在20-37℃的条件下进行，优选的为25℃，这样触变性凝胶的性能更好。

优选的，打印成形模块500也可以固定有多个小型喷头阵列(如3*3，4*4)集成的模块，通过对三维运动组件上的喷头安装板的结构设计，可以实现喷头阵列的同步挤出，从而在紧凑的结构要求下可以实现已有的空间打印设备难以实现的高通量同步打印问题，大大提升打印或相关实验的效率。

根据另一种优选的实施方式，培养皿503和喷头501分离设置为单独的模块。软膜504密封包覆培养皿503。喷头501卡合在工位切换机构100中。进行工位切换时，仅切换喷头501，然后将喷头501插入软膜504中进行打印。根据又一种优选的实施方式，培养皿503和喷头501分离设置为单独的模块。软膜504密封包覆培养皿503。培养皿503卡合在工位切换机构100中。进行工位切换时，仅切换培养皿503，然后将喷头501插入软膜中进行打印。通过上述切换方式，能够灵活地调整喷头501和培养皿503的组合方式，进一步提高多工位打印的效率和复合打印的适用性。

优选的，机架为采用铝合金管材搭建而成的长方体框架，在机架的外部设置有遮光机罩。进一步地，本实施例还包括设置于机架下部的换液装置、换气装置、散热装置(图中未示出)，以方便整个打印装置的内部散热和换液换气，在机架下部设置水箱，水箱和水冷散热片之间通过管路连接形成水冷循环回路，在水冷循环回路设置有水循环泵。进一步地，本实施例还包括设置于机架下部的用于控制整个三维打印机运行的控制系统，该控制系统包括单片机部件、运动控制卡以及与单片机部件电连接的外部PC机。

多工位切换避免喷头意外堵塞造成设备瘫痪，可以提高空间打印的成功率、稳定性和鲁棒性。工位切换结构100可以在同一设备中实现多种材料的打印或相关实验，避免了多喷头系统的高复杂性，可以节约空间使设备更紧凑，可以进行多种材料/细胞试验也有助于提高实验效率。工位切换结构100可以更方便实现不同的交联工艺方法，拓展了打印设备的应用范围。工位切换结构可以采用喷头阵列，实现单喷头、喷头阵列多模式切换，丰富打印模式的同时，喷头阵列可以实现高通量同步打印，有利于实验效率提高。

本发明通过紧凑化设计，在保证微小卫星空间尺寸要求的情况下，改变了以往将单个喷头固定在三维运动系统上的结构，不再在三维运动系统上安装固定的喷头501，而是在成形平台上设计了一个多工位的切换结构，每个工位上固定有一个打印成形模块500，每个成形模块自带一个喷头501，在磁吸安装块的作用下，喷头501可以快速与三维运动系统上固定的喷头安装板相连接，从而实现喷头的三维运动以完成三维打印过程。一旦发生喷头堵塞或其他导致打印失败的情况，该喷头可以快速脱离，多工位结构切换下一个工位的打印成形模块500，重复上述的连接-打印-脱离流程，提高了打印的成功率。同时每次切换都会更换新的喷头501，也可以避免因为长时间等待造成的打印墨水变质造成的打印质量的下降，保证打印的均一性。

实施例2

本实施例提供一种微小卫星上的生物3D打印方法，利用实施例1的多模块串行生物3D打印装置进行，包括以下步骤：驱动工位切换机构100使得打印成形模块500移动到成形台401的上方，第一安装块502和第二安装块202在磁力作用下吸附贴合，使得喷头501的推头卡入压头，使喷头501与喷头驱动模块200连接，喷头501在压头的作用下挤出生物墨水进行生物打印；喷头501挤出的生物墨水通过光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，或其组合的交联方式固化；喷头驱动模块200带动喷头501在三维运动组件的驱动下实现三维运动，挤出的细丝从培养皿503表面开始层层堆叠从而完成三维模型的挤出3D打印；重复上述步骤直至完成生物3D打印实体模型的打印。

优选的，生物3D打印方法还包括：完成生物3D打印实体模型的打印后，断开第一安装块502和第二安装块202的连接，使用灌流换液模块300进行换气与换液，实现含细胞三维结构的培养；完成上述步骤后，驱动工位切换机构100使得多工位中下一个工位的打印成形模块500移动到成形台401的上方，以进行下一个模块的打印成型。

根据一种优选实施方式，本发明的空间生物打印方法包括如下步骤：

步骤S1：向生物3D打印装置的喷头501内注入生物墨水，将喷头501固定在打印成形模块500相应位置，将打印成形模块500安装在工位切换机构100上。优选的，培养皿503底部可选地装载有生物墨水辅助凝胶。

生物墨水优选的包括有高分子材料，高分子材料可以为明胶、明胶衍生物、藻酸盐、藻酸盐衍生物、琼脂、基质胶、胶原蛋白、多糖、透明质酸、壳聚糖、层连接蛋白、纤连接蛋白和纤维蛋白中的一种或多种；更优选为明胶-甲基丙烯酸(GelMA)，因为明胶-甲基丙烯酸(GelMA)为低粘度生物墨水，生物活性非常友好，是空间生物打印优选材料。

生物墨水可以含有细胞，其中细胞的密度为10⁴个/mL～10⁸个/mL，优选为10⁵个/mL～10⁷个/mL，更优选为10⁶个/mL。

具体地，生物墨水包括明胶-甲基丙烯酸(GelMA)和纳米黏土，明胶-甲基丙烯酸溶解在PBS溶液中，明胶-甲基丙烯酸的质量体积比为1～30％，纳米黏土的质量体积比为1～10％，明胶-甲基丙烯酸、纳米黏土的质量体积比是指常温下明胶-甲基丙烯酸(GelMA)、纳米黏土的质量与生物墨水的总体积之比，单位为g/ml。

或者，生物墨水包括明胶与海藻酸钠和氯化钙溶液，明胶/海藻酸钠溶解在PBS中，明胶/海藻酸钠质量体积比为5～30％，氯化钙溶液质量体积比为5～30％，明胶/海藻酸钠、氯化钙的质量体积比是指常温下明胶/海藻酸钠、氯化钙的质量与生物墨水的总体积之比，单位为g/ml，该方案也可使用生物墨水辅助凝胶。

具体的，生物墨水辅助凝胶包括普朗尼克F127和水，生物墨水辅助凝胶还可以包括添加物，添加物的成分包括但不限于增稠剂、顺滑剂、离子成分、酶成分和生长因子中的一种或多种组合，以适应于所要打印的生物墨水。

生物墨水辅助凝胶中普朗尼克F127的质量体积比为20～50％，优选为30～40％，更优选为35％，普朗尼克F127的质量体积比是指常温下普朗尼克F127的质量与触变性凝胶的总体积之比，单位为g/ml。

生物墨水辅助凝胶的配置优选先配置好凝胶，再将其输送到培养皿503中。培养皿503为任意形状，优选为长方体或圆柱体。

步骤S2：空间生物3D打印装置的切换电机驱动工位切换机构100使得打印成形模块500移动到在复合成形平台模块上的开口402的上方，第一安装块502和第二安装块202在电磁力作用下吸附贴合，使得喷头501的推头卡入喷头驱动模块200的压头，使喷头501与喷头驱动模块200连接；

步骤S3：喷头501在挤出驱动电机的作用下挤出生物墨水形成均匀的细丝。

步骤S4：喷头501挤出的均匀的细丝通过包括但不限于光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联或复合式交联等方式固化。

生物墨水的交联固化方式，可以为光固化交联、离子交联、酶促交联、温度交联、材料自组装或细胞自组装的一种或多种组合。光固化交联通过特定波长及特定功率的光在打印过程中或打印后照射打印区域实现；离子交联通过在凝胶中添加特定的离子成分实现；酶促交联通过在凝胶中添加特定的酶成分实现；温度交联通过改变生物墨水温度实现；材料自组装通过生物墨水材料的自身分子结构改变来实现；细胞自组装通过细胞自身的生长、聚集和增殖来实现。

步骤S5：喷头驱动模块200带动喷头501在三维运动组件的驱动下实现三维运动，挤出的细丝从培养皿503表面开始层层堆叠从而完成三维模型的挤出3D打印。

具体的，根据计算机3D模型，在辅助成形凝胶盒内打印生物墨水，计算机3D模型可以为STL或图片格式。

重复步骤S3-S5，直至完成生物3D打印实体模型的打印。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选的”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多模块串行生物3D打印装置，用于在太空中的微小卫星上进行生物3D打印，其特征在于，所述多模块串行生物3D打印装置设置有多个分别搭载有能够实现光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，交联机制不同的生物墨水并通过工位切换机构（100）的平移或旋转切换其与生物3D打印装置的余部的连接或脱离的打印成形模块（500）；所述打印成形模块（500）由培养皿（503）、密封包覆所述培养皿（503）的软膜（504）、通过所述软膜（504）与所述培养皿（503）活动连接的喷头（501）和安装在喷头（501）的外侧筒壁的第一安装块（502）构成；所述生物3D打印装置还设有成形平台上有开口（402），在喷头驱动模块（200）的切换电机驱动下带动所述培养皿（503）平移或旋转到所述开口（402）上方，所述生物3D打印装置还设有喷头驱动模块（200），到达所述开口（402）上方后，所述第一安装块（502）与所述喷头驱动模块（200）的第二安装块（202）间通过磁力将所述喷头（501）与所述喷头驱动模块（200）相连接，喷头驱动模块（200）驱动喷头（501）挤出/喷射出生物墨水完成打印1。

2.如权利要求1所述的多模块串行生物3D打印装置，其特征在于，

在所述第一安装块（502）与所述第二安装块（202）相互磁力吸引从而将所述喷头（501）固定于所述喷头驱动模块（200）上时，所述喷头驱动模块（200）驱动喷头（501）中的生物墨水的挤出/喷射。

3.如权利要求2所述的多模块串行生物3D打印装置，其特征在于，所述多模块串行生物3D打印装置还设置有机架和安装于所述机架上的三维运动组件，所述三维运动组件包括固定在所述机架上的第一运动机构、安装在所述第一运动机构上的第二运动机构以及固定在所述机架上的第三运动机构，所述第二运动机构设置有供所述喷头驱动模块（200）的安装板滑动安装于其上的导轨，从而能够所述喷头驱动模块（200）滑动设置于所述三维运动组件上。

4.如权利要求3所述的多模块串行生物3D打印装置，其特征在于，所述打印成形模块（500）采用挤压成形技术或液滴喷射技术，在采用液滴喷射技术的情况下，采用压电喷射、热喷射或气压喷射。

5.如权利要求4所述的多模块串行生物3D打印装置，其特征在于，每个所述喷头（501）中分别装载有预设量的生物墨水，所述预设量是按照各自生物墨水的物理和化学性质在打印时间内不会产生能够降低打印效果的变化所计算得到。

6.如权利要求5所述的多模块串行生物3D打印装置，其特征在于，所述工位切换机构（100）通过平移、旋转或平移和旋转相结合的方式切换所述打印成形模块（500）的位置。

7.一种微小卫星上的生物3D打印方法，其特征在于，基于权利要求1所述的3D打印装置，所述方法包括以下步骤：

驱动工位切换机构（100）使得打印成形模块（500）移动到成形台（401）的上方，第一安装块（502）和第二安装块（202）在磁力作用下吸附贴合，使得喷头（501）与喷头驱动模块（200）连接，喷头（501）在喷头驱动模块（200）的作用下挤出/喷射出生物墨水进行生物打印；

喷头挤出的生物墨水通过光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种，或其组合的交联方式固化；

喷头驱动模块（200）带动喷头（501）在三维运动组件的驱动下实现三维运动，挤出/喷射的细丝/微滴从所述培养皿（503）表面开始层层堆叠从而完成三维模型的挤出3D打印；

重复上述步骤直至完成生物3D打印实体模型的打印，

所述生物3D打印方法还包括：完成生物3D打印实体模型的打印后，断开第一安装块（502）和第二安装块（202）的连接，完成打印后可进行换气与换液，实现含细胞三维结构的培养；

完成上述步骤后，驱动工位切换机构（100）使得多工位中下一个工位的打印成形模块（500）移动到成形台（401）的上方，以进行下一个模块的打印成型，如此循环，多个工位串行逐个打印，直至全部工位完成打印。

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