CN112157904B - 一种基于微小卫星的遥控全自动生物3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统。系统至少包括打印成形模块，装载有生物墨水并用于打印成形组织器官样本；荧光显微摄像装置，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，监控摄像头，用于观察和记录打印过程，监控摄像头和荧光显微摄像装置将在卫星上监测到的打印数据传输给地面站，打印成形模块根据所述地面站的指示调整打印过程。本发明的生物3D打印系统集成了远程控制的、完全密封的打印成形模块，监测打印进程的监控摄像头和观察打印的细胞结构的荧光显微摄像装置，能够在微小卫星上的微重力和真空环境中以显著减小的空间占用实现多种形式的生物3D打印，并实现原位遥感监测和远程控制，提高打印通量和成功率。

Description

一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统

技术领域

本发明属于空间卫星技术领域，尤其涉及一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统。

背景技术

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。

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。

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。

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。另外，空间卫星上的3D打印设备无法现场人工操作，需要具备良好的实施远程监测和远程控制的功能，便于地面站人员对打印过程的监测和及时调整，排除故障，调控打印进程，提高打印成功率。

不管是在先进控制策略的应用过程中还是对产品质量的直接控制过程中，一个棘手的问题是难以对产品的质量进行在线实时测量。生物3D打印也面对同样的问题，如果在打印的过程中出现了偏差，但由于没有在线检测的功能加入，操作人员及上位机并不知道出现了问题，倘若任其继续打印下去，结果就是最终的产品不合格、达不到精度要求。此问题在空间卫星中进行的生物3D打印过程中更为突出。受到空间环境中真空、微重力、温度、湿度等与地面显著不同的环境变量的影响，卫星上对3D打印过程的在线监测更为重要。基于此，在卫星上的生物3D打印过程中引入实时、准确的在线检测和反馈控制单元，就变得更为重要。

此外，在三维打印生物支架或生物组织及器官的三维实体的过程中，其成形过程受到诸多因素的影响，包括环境温度、工艺参数、叠层制造引起的应力累积、打印材料在喷头处的堵塞、打印材料中存在气泡、定位精度的下降等。所以从某种意义上来说，打印实体的成形过程具有一定的不可预知性。因此，如果对打印实体的成形过程进行实时在线检测，并进一步进行在线纠偏、智能控制，将外界干扰控制在一定的范围内，则将对最后的成形结果具有重大的意义。

公开号为CN111168990A的中国专利公开了一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置及其方法，可用于检测生物3D打印的三维实体模型。该装置可在打印过程中对被测模型进行实时检测，实时处理所测数据，并将数据处理结果反馈给控制器，控制器做出快速响应并发出控制命令，从而实现在线纠偏、在线调整参数。本发明的在线检测装置包括：生物3D运动系统、光学扫描探头、数据收集模块、三维建模模块和上位机；所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，主控制器与上位机连接。该发明还提供一种基于点坐标数据的三维建模方法。经过实时纠偏，使实际打印出来的三维实体最大程度的接近于设计实体。该发明通过光学扫描和三维建模对打印过程进行监测，在空间中的适用性不高，三维建模要求较高的计算负荷或数据传输能力，都给卫星设计提出的更高的要求。并且，该发明无法针对细胞进行针对性的监测。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统，所述系统至少包括：打印成形模块，装载有生物墨水并用于打印成形组织器官样本；荧光显微摄像装置，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，监控摄像头，用于观察和记录3D打印过程，所述监控摄像头和所述荧光显微摄像装置将在卫星上监测到的3D打印数据传输给地面站，所述打印成形模块根据所述地面站的指示调整打印过程。

根据一种优选的实施方式，所述荧光显微摄像装置由显微镜头、荧光光源、升降模块和成像模块组成，其中，荧光光源激发荧光标记物之后的图像被显微镜头捕捉，经由成像模块转换为数字信号后传输给计算机存储处理并传输给地面站，升降模块控制显微镜头与打印样品的距离进行自动对焦。

根据一种优选的实施方式，所述系统还设置有灌流换液模块，所述灌流换液模块通过导液管与所述柔性软膜密封连接，所述灌流换液模块接收地面站的指示调控打印过程的换气与换液；所述灌流换液模块由新液瓶、废液瓶、蠕动泵、阀门和换液管道组成，蠕动泵将新液瓶中的液体通过阀门输送到所述打印成形模块中，两个以上的所述打印成形模块通过软管相互连接，共用一套灌流换液系统，同时蠕动泵将收集的液体泵入废液瓶中储存。

根据一种优选的实施方式，所述生物3D打印系统还设置有光源，所述光源发射至少包括第一波段、第二波段和第三波段的光，第一波段的光用于提供所述监控摄像头拍摄所需照明，第二波段的光为所述荧光显微摄像装置成像提供照明，第三波段的光用于生物墨水的固化，以上三种波段的光的波长、强度能够按照计算机或地面站的控制信号分别独立地调节。

根据一种优选的实施方式，所述培养皿中设置有测温元件，实时检测所述培养皿中的温度并传送给计算机和/或地面站，所述光源发射第四波段的光，用于根据计算机和/或地面站的控制信号调节所述打印成形模块或所述培养皿中的温度。

根据一种优选的实施方式，所述打印成形模块由被柔性软膜完全包覆的培养皿以及通过所述柔性软膜与所述培养皿相集成的喷头以完全密封的方式构成。

根据一种优选的实施方式，所述系统还设置有灌流换液模块，所述灌流换液模块通过导液管与所述柔性软膜密封连接，所述灌流换液模块接收地面站的指示调控打印过程的换气与换液。

根据一种优选的实施方式，所述系统包括多个所述打印成形模块，多个所述打印成形模块可拆卸地固定于所述系统的多工位机构中，并随所述多工位机构置根据地面台的指示执行的平移或旋转进行位置切换。

根据一种优选的实施方式，所述系统还设置有喷头驱动模块，所述喷头驱动模块与所述打印成形模块通过设置于所述打印成形模块上的第一安装块和设置于所述喷头驱动模块中的第二安装块间的磁力作用实现可拆卸的连接。

根据一种优选的实施方式，在所述打印成形模块连接到所述系统的喷头驱动模块的情况下，所述喷头能够在所述喷头驱动模块的作用下喷出预装载在所述喷头内的生物墨水进行3D打印，在所述磁性连接块与所述喷头驱动模块脱离连接的情况下，所述喷头与喷头驱动模块的驱动机构脱离连接。

根据一种优选的实施方式，多个所述打印成形模块中每个预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的。

根据一种优选的实施方式，多个所述打印成形模块中的每个分别预装有通过光交联、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的生物墨水，从而该系统能够仅通过远程控制实现空间环境中的各自独立密封条件下的复合式交联3D打印。

本发明的生物3D打印系统，集成了远程控制的、完全密封的打印成形模块，监测打印进程的监控摄像头和观察打印的细胞结构的荧光显微摄像装置，能够在微小卫星上的微重力和真空环境中以显著减小的空间占用实现多种形式的生物3D打印，能够实现卫星上3D打印的原位实时监测、信号传输和自动反馈控制，提高卫星上3D打印的效果和成功率。

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组件上的结构，不再在三维运动组件上安装固定的喷头，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组件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，多工位机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组件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是本发明的基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统的结构示意图；

图2是本发明的打印成形模块的结构示意图；

图3是本发明的多工位机构的结构示意图。

附图标记列表

100：打印成形模块 200：多工位机构 300：喷头驱动模块

400：荧光显微摄像装置 500：灌流换液模块 600：光源

700：复合成形平台模块 800：计算机

101：喷头 102：第一安装块 103：培养皿

104：柔性软膜 105：导流管

302：第二安装块

501：蠕动泵 502：新液瓶 503：废液瓶

701：成形台 702：开口 703：监控摄像头

704：切换电机

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1和3示出本实施例的一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统，所述系统至少包括：打印成形模块100，装载有生物墨水并用于打印成形组织器官样本；荧光显微摄像装置400，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，监控摄像头703，用于观察和记录3D打印过程，所述监控摄像头703和所述荧光显微摄像装置4将在卫星上监测到的3D打印数据传输给地面站，所述打印成形模块100根据所述地面站的指示调整打印过程。

优选的，荧光显微摄像装置400由显微镜头、荧光光源、升降模块和成像模块组成，荧光光源激发荧光标记物之后的图像被显微镜头捕捉，经由成像模块转换为数字信号后通过数据线传输给周围的计算机存储处理，图像也传输给单片机上的存储设备存储。升降模块控制显微镜头与样品的距离，便于自动对焦。

优选的，监控摄像头703与设备所带的单片机等相连接，设置在打印模块针头的侧面，用于记录三维打印过程，所拍摄的影响数据传输给单片机上的存储设备存储。

优选的，打印成形模块通过设备所带的单片机系统进行控制，预先设定好打印的模式、相关工艺参数，当地面发出的信号被卫星接收，经由卫星计算机传输给单片机接收后，预先设定的程序启动完成预定的打印。

优选地，打印成形模块100由被柔性软膜104完全包覆的培养皿103以及通过柔性软膜104与培养皿103相集成的喷头101以完全密封的方式构成。优选的，柔性软膜104包覆喷头101的储液部，与喷头101的针头不接触。在三维运动组件的带动下，喷头101在柔性软膜104的弹性允许的范围内移动，在3D打印过程中，打印成形模块100始终保持密封，隔绝外部环境变量的干扰。

优选地，系统还设置有灌流换液模块500。灌流换液模块500通过导流管105与柔性软膜104密封连接。灌流换液模块500接收地面站的指示调控打印过程的换气与换液。优选的，灌流换液模块500至少包括蠕动泵501、新液瓶502和废液瓶503。

优选的，如图1所示，灌流换液模块由新液瓶502、废液瓶503、蠕动泵501、阀门和换液管道组成。蠕动泵501将新液瓶502中的液体通过阀门输送到打印成形模块中，各个打印成形模块通过软管相互连接，共用一套灌流换液系统，同时蠕动泵501将收集的液体泵入废液瓶503中储存。

优选的，所述系统还设置有换气模块。换气模块由新气瓶、废气瓶，换气蠕动泵、换气阀门和换气管道组成。换气蠕动泵将新气瓶中的气体通过换气阀门输送到打印成形模块100中，各个打印成形模块100通过软管相互连接，共用一套换气系统，同时换气蠕动泵将收集的气体泵入废气瓶中储存。

优选地，系统包括多个打印成形模块100。多个打印成形模块100可拆卸地固定于系统的多工位机构200中，并随多工位机构200根据地面台的指示执行平移或旋转进行打印成形模块100的位置切换。优选的，自动切换方式采用电机驱动工位在平面内旋转、平移或旋转平移复合运动。

多工位机构200设置有多个与培养皿103匹配并能够套设在培养皿103外侧筒壁的孔，在切换电机704的驱动下带动孔中的培养皿103平移或旋转。打印成形模块100与喷头驱动模块6通过第一安装块102与第二安装块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102与第二安装块上设置相同形状的环形磁体，便于切换时的对准。

优选地，系统还设置有喷头驱动模块300。喷头驱动模块300与打印成形模块100通过设置于打印成形模块100上的第一安装块102和设置于喷头驱动模块300中的第二安装块间的磁力作用实现可拆卸的连接。根据一种具体实施方式，第一安装块102和第二安装块为永磁体。根据另一种具体实施方式，第一安装块102和第二安装块通过电磁作用相互吸引连接或者排斥脱离。

优选地，在打印成形模块100连接到系统的喷头驱动模块300的情况下，喷头101能够在喷头驱动模块300的作用下挤出预装载在喷头101内的生物墨水进行3D打印。

优选地，多个打印成形模块100中每个预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的。

优选地，多个打印成形模块100中的每个分别预装有通过光交联、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的生物墨水，从而该系统能够仅通过远程控制实现空间环境中的各自独立密封条件下的复合式交联3D打印。

优选的，所述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，所述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。

优选地，多个打印成形模块100中的每个连接有独立的远程控制的控温模块。控温模块接收地面站的指示对每个打印成形模块100按照各自的打印要求分别控温。

优选地，多个打印成形模块100中每个通过独立的导流管105与灌流换液模块500分别连通，每个打印成形模块100中的气体或液体是相同的或是不同的。

优选的，生物3D打印系统还设置有光源600。根据一种具体实施方式，生物3D打印系统设置有集成式多功能光源。光源600能够提供照明供监控摄像头703拍摄，也能够为荧光显微摄像装置400提供照明，同时能够提供生物墨水交联固化所需的照明。通过该设置方式，一方面进一步提高空间利用率，还能够提高能量利用效率。优选的，光源600能够根据地面站的指示调节照射强度、波长、辐照位置和角度，以配合打印进程。优选的，光源600照射到培养皿103底部的有效光功率为0～100mW/cm²，优选为1～20mW/cm²。

优选的，生物3D打印系统的光源600发射至少包括第一波段、第二波段和第三波段的光。第一波段的光用于提供监控摄像头703拍摄所需照明。第二波段的光为荧光显微摄像装置成像400提供照明。第三波段的光用于生物墨水的固化。以上三种波段的光的波长、强度能够按照地面站的控制信号分别独立地调节，从而获得精准地监测信号并以此准确控制打印和固化交联进程。监控摄像头703和荧光显微摄像装置400采集的信号实时传输给地面站并进行存储。优选的，第一波段、第二波段和第三波段中的一种或多种部分重叠。

优选的，光源600和控温模块集成为一体，或者说，利用光源600执行控温功能。光源600发射第四波段的光，用于调节打印成形模块100或培养皿103中的温度。优选的，培养皿103中设置测温元件，实时检测培养皿103中的温度并传送给计算机和地面站。优选的，第四波段与第一波段、第二波段和第三波段中的一种部分重叠。

优选的，三维运动组件、光源600、多工位机构200、荧光显微摄像装置400、灌流换液模块500分别与计算机800信号连接，通过计算机800接收地面站指示控制打印过程。优选的，本发明的打印成形模块100的打印方式是喷射、压电、注射或挤压打印中的一种或多种。优选地，打印成形模块100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。

本发明通过模块化的设计，将生物3D打印设备的功能元件进行模块化封装和组合。设置有多个独立密封的打印成形模块，每个在地面站的操控指示下独立工作，实现集成的复合交联打印，尤其能够避免单个喷头故障对整个打印过程造成的影响。通过设置荧光显微摄像装置和监控摄像头对打印过程进行原位实时监控，便于地面站实时掌握打印过程并以此远程调控打印进度和模式，例如根据打印情况远程控制换气、换液和温控参数，或者进行打印喷头的切换，从而能够完全远程地、以较小的占有空间和重量负荷完成多个独立打印进程，提高打印质量和效率。

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。多工位机构切换结构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。多工位机构200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。多工位机构200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组件上的结构，不再在三维运动组件上安装固定的喷头，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100，每个打印成形模块100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组件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，多工位机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。

考虑到太空独特环境的影响，实现空间三维打印必须在高度密封的环境中进行。已有的空间三维打印专利通常采用整体全密闭的结构设计，这增加了系统的复杂度和实现难度。此外，如果要在打印过程中实现细胞的培育、增殖、分化等操作，需要对细胞生存的液体和气体环境及时进行换液和换气操作，考虑到相对于整个设备的体积(～200*100*100mm)，最终打印出的含细胞结构尺寸相对小得多(～10*10*10mm)，因此若对整个打印设备进行温度、气体环境等进行控制，往往需要更大功率，更大体积的相关设备，也造成了实验成本的上升，这与紧凑化的结构设计理念相违背。针对此问题和紧凑化的设计要求，本专利提出了一种集成化的封闭打印体系，此体系可以模块化地封装，将此打印成形模块安装固定在所述的多工位机构200中，可以实现多工位切换打印。

所述的封闭打印成形模块集成了由单个或多个(阵列)喷头、磁吸安装块构成的打印喷头部件，由含有细胞培养液的培养皿构成的成形腔部件，和由带有管道结构的柔性密封软膜部件。由于柔性软膜有一定的弹性，因此喷头可以在软膜弹性允许的范围内移动，喷头部件如上文所述可以快速与三维运动组件连接和释放以完成三维结构的打印。柔性软膜一方面起到密封整个打印系统的作用，另一方面其上带有的管道可以通过软管与换液机构、换气机构等相连接，从而可以实现含细胞打印结构的后续换气和换液操作，也可以单独对打印成形模块进行恒温和恒压控制，保障细胞实验的顺利进行。由于整个打印成形模块体积相对小得多，因而需要的换气换液和温控设备的功率和体积也可以尽量缩小，从而可以实现紧凑化设计。相对于对整个设备空间进行温度、气体、气压控制，对集成化的打印模块进行控制难度大大降低，所需要的功率消耗也更小。

此外，已有的空间打印专利如需要大批量打印多个结构，往往需要送料机构对喷头进行供料，采用模块化的打印方法可以在切换时更新喷头，新喷头内预装有打印所需量的生物墨水，因而可以省去复杂的送料系统结构，大大降低了系统的空间尺寸和控制复杂度。

由于整个打印系统集成了三维打印的绝大部分基本要素，因此在提前预制好生物墨水的情况下可以安装在多工位机构200上，发送打印指令后可以直接开始打印，实现即插即用，一旦出现意外随时可以切换到下一个工位继续进行打印。

综上所述，集成化封闭打印模块具有集成度高、模块化的特点，可以“即插即用”快速实现三维结构打印，与所述多工位机构相配合可以大大提高空间打印的效率，降低系统的复杂度的同时节约设备的空间和功率消耗。

实施例2

本实施例提供了一种基于微小卫星的遥控空间生物3D打印系统，如图1和3所示，包括机架；三维运动组件，安装于机架上；在三维运动组件上滑动设置一喷头驱动模块300；复合成形平台模块700，固定设置在所述机架上；荧光显微摄像装置400，固定设置在所述复合成型平台模块700的下方，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像；多工位机构200，固定设置在所述复合成型平台模块700上，所述多工位机构200上安装有多个打印成形模块100；喷头驱动模块300，可拆卸地固定设置在所述三维运动组件上，用于向复合成形平台模块3执行挤出成形以打印3D模型；灌流换液模块500，安装在机架底部，通过导管与所述多工位机构200上的打印成形模块100连接，实现打印过程的换气与换液功能。

优选的，三维运动组件包括：第一运动机构，水平固定在机架上；第二运动机构，水平滑动连接在的第一运动机构上；安装滑板，水平滑动连接在第二运动机构上，打印喷头安装块安装在所述安装滑板上。优选的，前述固定均为可拆卸，可移动的固定方式。

优选的，在位于复合成形平台700的上方的机架上安装有第三运动机构，在第三运动机构上连接复合成型平台。使用时，复合成形平台700随第三运动机构上下往复运动，从而带动打印成形模块100上下运动，从而实现挤出三维结构成型打印。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，所述复合成形平台模块700包括：成形台701，与所述三维运动组件中的第三运动机构相连接，可随第三运动机构在Z轴方向上下运动，成形台上挖有一开口702；监控摄像头703，固定在所述成形台701上，用于观察和记录3D打印过程；所述工位旋转机构5固定在成形台701上方，成形台701下方固定有切换电机704，用于驱动多工位机构200平移或旋转以切换工位。

优选的，荧光显微摄像装置400固定设置在所述复合成型平台模块700上的开口702的下方。荧光显微摄像装置400可发射固定波长的激发光线，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，实现打印过程的原位监测和图像传输。

优选的，多工位机构200固定设置在复合成形平台模块700上方。多工位机构200安装有多个打印成形模块100，可一次搭载并打印成形多个组织器官样本，能够实现基于复合式交联，如光交联、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。

优选的，成形台701的开口702中嵌设有培养皿103，培养皿103上使用柔性的柔性软膜104包覆，以实现整个培养皿103的密封。优选的，柔性软膜104通过导流管105与灌流换液模块500连接以实现打印过程的换气与换液。

优选的，打印成形模块100主要包括：喷头101，设置在培养皿103上方；第一安装块102，安装在喷头101外侧筒壁上，帮助实现打印成形模块100与所述喷头驱动模块6的连接；培养皿103，培养皿103上使用柔性的软膜104包覆，以实现整个培养皿103的密封。优选的，软膜104通过导流管105与灌流换液模块500连接以实现打印过程的换气与换液。优选的，培养皿能够嵌入成形台701的开口702中。

优选的，喷头驱动模块300主要包括安装板，安装在第二运动机构的导轨上，可在导轨上自由滑动；第二安装块，安装在安装板上，中部挖有半圆槽，用于固定安装喷头101；导轨，安装在安装板表面；压头，安装在导轨上，用于装卡喷头101的推杆，实现喷头的挤出；喷头驱动机构，安装在安装板背部，驱动喷头挤出/喷射生物墨水。

优选的，第一安装块102和第二安装块通过磁力吸引连接。优选的，第一安装块102和第二安装块设置为永磁体。第一安装块102和第二安装块通过电磁实现连接和分离。

优选的，灌流换液模块500安装在机架底部，通过导管与导流管105连接，通过固定在底部的气泵实现打印过程的换气与换液，从而可以实现打印、培养、组织构建的功能集成。

进一步地，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。

实施例3

本实施例提出了一种利用本发明的卫星生物3D系统的空间三维打印方法，包括以下步骤：

制备生物墨水

将一定质量的明胶-甲基丙烯酸(GelMA)粉末溶解在PBS中，70℃加热3小时至GelMA粉末完全溶解后，制成0.1g/ml GelMA溶液。再添加0.005g/ml的光引发剂(I2959，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，106797-53-9，英力，中国)粉末溶于0.1g/ml GelMA溶液中，向其中再添加2％的纳米黏土，制成GelMA生物墨水。

将待打印的乳腺癌干细胞消化、计数、离心，用GelMA生物墨水重新吹打悬浮后得到细胞密度为4*10⁶个/ml的含细胞GelMA生物墨水。

打印及交联

将含有所制备凝胶的喷头安装在所采用生物3D打印装置的挤出成型模块上，并用磁吸机构夹紧固定。

利用空间生物3D打印装置，以经上述步骤获得的生物墨水为原料，基于预设的计算机模型和打印路径，以4mm/s的喷头移动及1.2ml/h的喷射速度，在凝胶中进行生物3D打印。打印完毕后，用10mW/cm2的405nm波长蓝光，照射培养皿103所在区域30秒，使得生物墨水可实现光固化交联。打印完成后在培养皿103中按预先设计的培养条件进行培养和开展生物学检测实验。

实施例4

本实施例与实施例3相比，区别在于，本实施例的生物墨水的组成成分不同。具体的，本实施例提出的一种空间生物三维方法包括：

制备生物墨水

将一定质量的普朗尼克F127(Sigma，P2443)粉末，氯化钙粉末和羧甲基纤维素(Aladdin，取代度1.2)溶解在去离子水中，6℃放置60小时至普朗尼克F127粉末完全溶解，制得含40％质量体积比的普朗尼克F127，1％质量体积比的氯化钙及2％质量体积比的羧甲基纤维素复合成分的溶液，将溶液装入培养皿103中。

将一定质量的明胶粉末(Sigma，G1890)和海藻酸钠粉末(Sigma，A06502)溶解在生理盐水中，70℃震荡加热3小时至明胶和海藻酸钠粉末完全溶解后，制成含有0.1g/ml明胶和0.01g/mL海藻酸钠复合成分的生物墨水。

将待打印的乳腺癌干细胞消化、计数、离心，用上述方法所得的生物墨水重新吹打悬浮后得到4*10⁶个/ml的含细胞生物墨水。

打印及交联

将含有所制备凝胶的喷头安装在所采用生物3D打印装置的挤出成型模块上，并用磁吸机构夹紧固定。

利用生物3D打印装置，以经上述步骤获得的生物墨水为原料，基于预设的计算机模型和打印路径，以4mm/s的喷头移动及1.2ml/h的喷射速度，在培养皿103进行生物3D打印。打印完毕后，培养皿103中的钙离子成分会渗透到生物墨水中，使得生物墨水中的海藻酸钠成分发生离子交联固化。打印完成后在培养皿103中按预先设计的培养条件进行培养和开展生物学检测实验。

实施例5

本实施例与实施例3和4相比，区别在于，本实施例的细胞组成成分不同，所采用的细胞为结直肠癌干细胞。具体的，本实施例提出的一种空间三维打印方法包括：

制备生物墨水

将一定质量的明胶-甲基丙烯酸(GelMA)粉末溶解在PBS中，70℃加热3小时至GelMA粉末完全溶解后，制成0.1g/ml GelMA溶液。再添加0.005g/ml的光引发剂(I2959，2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，106797-53-9，英力，中国)粉末溶于0.1g/ml GelMA溶液中，向其中再添加2％的纳米黏土，制成GelMA生物墨水。

将待打印的结直肠癌干细胞消化、计数、离心，用GelMA生物墨水重新吹打悬浮后得到细胞密度为4*10⁶个/ml的含细胞GelMA生物墨水。

打印及交联

将含有所制备凝胶的喷头安装在所采用生物3D打印装置的挤出成型模块上，并用磁吸机构夹紧固定。

利用空间生物3D打印装置，以经上述步骤获得的生物墨水为原料，基于预设的计算机模型和打印路径，以4mm/s的喷头移动及1.2ml/h的喷射速度，在凝胶中进行生物3D打印。打印完毕后，用10mW/cm²的405nm波长蓝光，照射培养皿103所在区域30秒，使得生物墨水可实现光固化交联。打印完成后在培养皿103中按预先设计的培养条件进行培养和开展生物学检测实验。

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 (8)

1.一种基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，在保证微小卫星空间尺寸要求的情况下，所述系统至少包括：

打印成形模块（100），装载有生物墨水并用于打印成形组织器官样本；

荧光显微摄像装置（400），用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，

监控摄像头（703），用于观察和记录3D打印过程，

所述监控摄像头（703）和所述荧光显微摄像装置（400）将在卫星上监测到的3D打印数据传输给地面站，所述打印成形模块（100）根据所述地面站的指示调整打印过程，

所述系统还设置有灌流换液模块（500），所述灌流换液模块（500）通过导流管（105）与柔性软膜（104）密封连接，所述灌流换液模块（500）接收地面站的指示调控打印过程的换气与换液；多个打印成形模块（100）中每个通过独立的导流管（105）与灌流换液模块（500）分别连通，每个打印成形模块（100）中的气体或液体是相同的或是不同的；

打印成形模块（100）主要包括：喷头（101），设置在培养皿（103）上方；第一安装块（102），安装在喷头（101）外侧筒壁上，帮助实现打印成形模块（100）与所述喷头驱动模块（300）的连接；

所述喷头驱动模块（300）与所述打印成形模块（100）通过设置于所述打印成形模块（100）上的第一安装块（102）和设置于所述喷头驱动模块（300）中的第二安装块（302）间的磁力作用实现可拆卸的连接；

所述打印成形模块（100）由被柔性软膜（104）完全包覆的培养皿（103）以及通过所述柔性软膜（104）与所述培养皿（103）相集成的喷头（101）以完全密封的方式构成；

所述柔性软膜（104）通过导流管（105）与灌流换液模块（500）连接以实现打印过程的换气与换液，培养皿能够嵌入成形台（701）的开口（702）中。

2.如权利要求1所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，所述荧光显微摄像装置（400）由显微镜头、荧光光源、升降模块和成像模块组成，其中，

荧光光源激发荧光标记物之后的图像被显微镜头捕捉，经由成像模块转换为数字信号后传输给计算机存储处理并传输给地面站，

升降模块控制显微镜头与打印样品的距离进行自动对焦。

3.如权利要求2所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，

所述灌流换液模块（500）由新液瓶（502）、废液瓶（503）、蠕动泵（501）、阀门和换液管道组成，蠕动泵（501）将新液瓶（502）中的液体通过阀门输送到所述打印成形模块（100）中，两个以上的所述打印成形模块（100）通过软管相互连接，共用一套灌流换液系统，同时蠕动泵（501）将收集的液体泵入废液瓶（503）中储存。

4.如权利要求3所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，所述生物3Ｄ打印系统还设置有光源（600），所述光源（600）发射至少包括第一波段、第二波段和第三波段的光，第一波段的光用于提供所述监控摄像头（703）拍摄所需照明，第二波段的光为所述荧光显微摄像装置成像（4）提供照明，第三波段的光用于生物墨水的固化，以上三种波段的光的波长、强度能够按照计算机或地面站的控制信号分别独立地调节。

5.如权利要求4所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，所述培养皿（103）中设置有测温元件，实时检测所述培养皿（103）中的温度并传送给计算机（10）和/或地面站，所述光源（600）发射第四波段的光，用于根据计算机和/或地面站的控制信号调节所述打印成形模块（100）或所述培养皿（103）中的温度。

6.如权利要求1所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，

所述系统包括多个所述打印成形模块（100），多个所述打印成形模块（100）可拆卸地固定于所述系统的多工位机构（200）中，并随所述多工位机构（200）根据地面台的指示执行平移或旋转进行所述打印成形模块（100）的位置切换。

7.如权利要求6所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，在所述打印成形模块（100）连接到所述系统的挤出成形模块（300）的情况下，所述喷头（101）能够在所述喷头驱动模块（300）的作用下挤出预装载在所述喷头内的生物墨水进行3D打印。

8.如权利要求7所述的基于微小卫星的遥控全自动生物3Ｄ打印系统，其特征在于，多个所述打印成形模块（100）中的每个分别预装有通过光交联、热交联、电交联、化学交联和离子交联中的一种或多种交联方式固化的生物墨水，从而该系统能够仅通过远程控制实现空间环境中的各自独立密封条件下的复合式交联3D打印。

Images