CN113119445B - 一种生物3d打印方法及具有随形制冷功能的生物3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物3D打印方法。一种生物3D打印方法，其中，包括S1.获取生物体的医学影像数据并建立生物体三维模型；S2.切片软件处理生物体的三维模型，并设置打印参数，转换为打印机可以识别的机器代码；S3.设定高温喷头的工作参数；S4.在高温喷头的料筒中准备打印的生物材料；S5.开始打印，开启涡流管进行制冷；S6.控制涡流管的气流量和其所连接的万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头的距离，使材料在涡流管制冷作用下的相变时间为3s～5s，直至得到打印产物。本发明还提供一种具有随形制冷功能的3D打印设备。本发明能够对打印的结构进行指向性制冷，即根据所要打印的结构外形进行制冷，并且这种制冷方式高效、简便。

Description

一种生物3D打印方法及具有随形制冷功能的生物3D打印设备
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种生物3D打印方法及具有随形制冷功能的生物3D打印设备
背景技术
从打印成型原理分析，3D打印是一种通过特定喷头将材料或能量以挤出、喷射或发射的形式按照预定的轨迹传递到一个成型平台上，通过逐层累积最终获得三维模型的过程。对于生物3D打印，所用的材料大多数是温敏性材料，且材料的原形各异，需要在打印过程完全熔融，保证其良好的流动性，一般采用平台制冷或环境制冷的方式。生物3D打印要求成型平台具有一定的温度控制功能并提供较低的打印成型温度；或者对打印区域进行整体的环境温控，两种方式的本质都是把热量转移到另一个区域从而降低目标区域的温度。因此，如何更高效的实现能量转移是生物3D打印的一个重点发展方向。
对于打印平台制冷，在生物打印中帮助三维结构成型，其制冷是通过平台底下向上方传递，是一种梯度的能量转移，往往只能影响有限的区域，例如如果需要打印的三维结构高度超过20mm，平台制冷对高度20mm以上的结构就很难帮助它有效的成型。对于打印区域整体的环境温控，其是通过对整个环境制冷从而对打印区域内的三维结构进行冷却，是一种全面的能量转移，环境制冷对于平台制冷有一定的补充作用，但是其因为影响区域较大，往往时效性很低，需要预先开启一到两个小时才能对整个打印区域有一个有效的制冷，耗能较大，打印过程中也不能随便开启打印腔室的门，不然容易造成冷能流失，影响制冷效果。而且在打印高分子材料时，打印喷头一般需要加热使材料达到熔融状态才能挤出，环境制冷也会对喷头有温度的影响，可能会导致材料无法达到熔融状态。这两种制冷方式往往需要的辅助装置较多，导致生物打印机的机构很笨重，并且在经济上也会需要花费更多的金钱。
发明内容
为克服现有生物3D打印机的制冷方式存在的需要的辅助装置较多，整体机构很笨重，耗能大，打印过程不灵活问题，本发明提供一种生物3D打印方法及具有随形制冷功能的3D打印设备。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生物3D打印方法，其中，包括如下步骤：
S1.获取生物体的医学影像数据，然后通过三维图像重建算法或医学图像处理软件重建生物体的三维图像建立生物体三维模型。生物体的医学影像数据可以通过电子计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)来获取。
S2.使用切片软件处理步骤S1得来的生物体的三维模型，设置打印参数，转换为打印机可以识别的机器代码。在软件中将生物体三维模型进行旋转，使其尽可能的减少悬臂结构部分，然后设置生物体三维模型的打印参数，这样处理可以使打印产物减少甚至没有支撑部分，以节省成型后去除多余支撑部件的步骤。
S3.设定二区段温控高温喷头的工作参数。所谓二区段温控高温喷头，即喷头料筒和针头能够分别调节温度。
S4.将选择打印的生物材料放进二区段温控高温喷头的料筒中，设置二区段温控高温喷头的料筒和针头的加热温度和加热时间，对生物材料进行加热。
S5.待生物材料达到熔融状态以后，手动进行生物材料的预挤出，观察高温喷头挤出来的生物材料状态是否为连续的透明丝状，确认为连续的透明丝状后，或待打印完第一层后，开启涡流管进行制冷，同时调节二区段温控高温喷头的针头温度比料筒温度高5℃～10℃。由于涡流管的冷气出口非常靠近喷头，对喷头影响比其他制冷方式更大，涡流管开启后需要调整针头温度比料筒温度高，以抵消涡流管制冷的方式对于材料在喷头内部流道的影响。
S6.控制涡流管的气流量和其所连接的万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头之间的距离，使材料在涡流管制冷作用下从熔融状态变为固态的相变时间为3s～5s，直至得到打印产物。涡流管的气流量和其所连接的万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头的距离对于材料的冷却时间有决定性作用，通过调节涡流管的气流量、万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头的距离，使材料从熔融状态变为固态在涡流管制冷作用下具有适宜的相变时间，使得材料可以保持原来的韧性和力学强度，以满足生物打印的需求，而材料在高温下急速冷却，容易变脆，韧性和塑性降低，失去力学强度。
采用涡流管制冷可产生比压缩空气温度低40℃以内的洁净气流，结构简单，操作方便，造价便宜，免维护，无活动部件，无电气件，运行安全可靠，产冷气迅速，并可通过阀门快速调节气流量，冷气通过万向喷气管集中喷到打印机喷头处。进一步的，本发明的生物3D打印方法过程中，视材料的打印状态，可以随时手动调整阀门开关及万向喷气管，调整材料打印过程的相变时间，使生物3D打印更加灵活高效。
优选的，还包括如下步骤：
开启打印前，在打印平台贴附一层双面胶或者其他利于生物材料贴附的胶带；
打印完毕后，用铲刀轻轻铲入打印物底部与打印平台贴胶的连接处，缓慢推进，将打印产物取出。
优选的，还包括如下步骤：
将打印产物放进培养皿，在其表面涂抹细胞悬液，放入经过灭菌后的培养基，放进细胞培养箱，用以观察打印产物的生长过程。
进一步的，所述步骤S2中，设定打印速度为5mm/s～15mm/s、打印层厚为0.05mm～0.3mm。打印参数的设置是为了使得打印出的生物体模型与通过电子计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)取得的生物体医学影像数据一致。
进一步的，所述二区段温控高温喷头为气动螺杆挤出式喷头，所述步骤S3中，设定挤出气压为0.2MPa～0.3MPa，螺杆挤出速度为0.1ml/min～0.5ml/min。
进一步的，所述步骤S4中，设置所述二区段温控高温喷头的料筒和针头加热温度均为140℃～180℃，加热时间为20min～30min。
进一步的，所述步骤S5中，所述涡流管进气量为0.05m3/min～0.12m3/min，所述空压机的输入气压为0.4Mpa～0.8Mpa，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头下方5mm～10mm位置处；和/或，涡流管输出的冷风接触到材料时温度为4℃～10℃，冷风风速为2m/s～3m/s。
进一步的，所述步骤S6中，打印产物为血管模型，直径为4mm～10mm，壁厚为0.2mm～1mm，高度为50mm，可以用于体外细胞培养实验或者动物植入实验。
进一步的，所述生物材料为聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、左旋聚乳酸(PLLA)或明胶中的一种。
本发明还提供一种具有随形制冷功能的生物3D打印设备，其中，包括用于喷射3D打印材料的二区段温控高温喷头以及设在所述二区段温控高温喷头外侧的涡流管，所述涡流管进气端接空压机的输出端，所述涡流管输出端接万向喷气管，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头位置的下方。这样，就相当于在高温喷头外部设置了一个涡流管的外挂装置，可以在打印熔融状态下的高分子材料或其他生物材料时，将挤出来的材料随形冷却，易于打印出自己想要的结构，不需要再设计复杂的打印平台制冷以及打印环境制冷。通过此设备，可以用来打印以往制冷方式很难打印出来的高度超过20mm的组织模型，是一个应用在生物打印领域里面的一种新的制冷成型方式。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的生物3D打印方法，一方面，无需预冷步骤且由于制冷集中至成型关键部位，实现高效的能量转移，降低打印的成本；另一方面，打印过程对材料冷却固化程度的控制灵活简便，同时保证了打印产物具有一定的力学性能。
本发明的具有随形制冷功能的3D打印设备在高温喷头外部设置了一个涡流管制冷的外挂装置，解决了因为添加平台制冷模块或环境温控模块导致的生物3D打印机结构复杂笨重，设备成本高昂的问题。
进一步地，还解决了平台制冷影响区域较小，无法对高度20mm以上的打印结构进行制冷，帮助结构成型的问题；解决了环境温控耗能大，时效性低以及影响喷头温度造成堵塞的问题。
附图说明
图1是本发明提供的3D打印方法中步骤S1建立的血管三维模型的示意图。
图2是本发明提供的3D打印方法中步骤S2采用上位机切片软件处理血管三维模型的示意图。
图3是本发明提供的3D打印方法中步骤S6得到的打印血管实物图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
一种生物3D打印方法，其中，包括如下步骤：
S1.获取生物体的医学影像数据，然后通过三维图像重建算法或医学图像处理软件重建生物体的三维图像建立生物体三维模型，如图1所示；生物体的医学影像数据可以通过电子计算机断层扫描(CT)来获取。
S2.通过上位机切片软件处理步骤S1得来的生物体的三维模型，在软件中将生物体三维模型进行旋转，使其尽可能的减少悬臂结构部分，然后设置生物体三维模型的打印参数，然后将其切片，转换为打印机可以识别的机器代码，如图2所示。
S3.设定二区段温控高温喷头的工作参数；所谓二区段温控高温喷头，即喷头料筒和针头能够分别调节温度。
S4.将选择打印的生物材料放进二区段温控高温喷头的料筒中，设置二区段温控高温喷头的料筒和针头的加热温度和加热时间，对生物材料进行加热。
S5.待生物材料达到熔融状态以后，手动进行生物材料的预挤出，观察高温喷头挤出来的生物材料状态是否为连续的透明丝状，确认为连续的透明丝状后，或待打印完第一层后，开启涡流管进行制冷，同时调节二区段温控高温喷头的针头温度比料筒温度高5℃。
S6.控制涡流管的气流量、其所连接的万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头的距离，使材料从熔融状态变为固态在涡流管制冷作用下相变时间为3s，直至得到打印产物，得到的打印产物如图3所示。
本实施例中，开启打印前，在打印平台贴附一层双面胶或者其他利于生物材料贴附的胶带。打印完毕后，用铲刀轻轻铲入打印物底部与打印平台贴胶的连接处，缓慢推进，将打印产物取出。
本实施例中，还包括如下步骤：
将打印产物放进培养皿，在其表面涂抹细胞悬液，放入经过灭菌后的培养基，放进细胞培养箱，用以观察打印产物的生长过程。
本实施例中，所述步骤S2中，设定打印速度为5mm/s、打印层厚为0.2mm。打印参数的设置是为了使得打印出的生物体模型与通过电子计算机断层扫描(CT)取得的生物体医学影像数据一致。
本实施例中，所述二区段温控高温喷头为气动螺杆挤出式喷头，所述步骤S3中，设定挤出气压为0.2MPa，螺杆挤出速度为0.2ml/min。
本实施例中，所述步骤S4中，设置所述二区段温控高温喷头的料筒和针头加热温度均为160℃，加热时间为25min。
本实施例中，所述步骤S5中，所述涡流管进气量为0.05m3/min，所述空压机的输入气压为0.4Mpa，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头下方10mm位置处；和/或，涡流管输出的冷风接触到材料时温度为4℃到10℃，冷风风速为2～3m/s。
本实施例中，所述步骤S6中，打印产物为血管模型，直径为4mm，壁厚为0.4mm，高度为50mm，可以用于体外细胞培养实验或者动物植入实验。
本实施例中，所述生物材料为聚己内酯(PCL)。
实施例2
一种生物3D打印方法，其中，包括如下步骤：
S1.获取生物体的医学影像数据，然后通过三维图像重建算法或医学图像处理软件重建生物体的三维图像建立生物体三维模型；生物体的医学影像数据可以通过磁共振成像(MRI)来获取。
S2.通过上位机切片软件处理步骤S1得来的生物体的三维模型，在软件中将生物体三维模型进行旋转，使其尽可能的减少悬臂结构部分，然后设置生物体三维模型的打印参数，然后将其切片，转换为打印机可以识别的机器代码。
S3.设定二区段温控高温喷头的工作参数；所谓二区段温控高温喷头，即喷头料筒和针头能够分别调节温度。
S4.将选择打印的生物材料放进二区段温控高温喷头的料筒中，设置二区段温控高温喷头的料筒和针头的加热温度和加热时间，对生物材料进行加热。
S5.待生物材料达到熔融状态以后，手动进行生物材料的预挤出，观察高温喷头挤出来的生物材料状态是否为连续的透明丝状，确认为连续的透明丝状后，或待打印完第一层后，开启涡流管进行制冷，同时调节二区段温控高温喷头的针头温度比料筒温度高8℃。
S6.控制涡流管的气流量和其与高温喷头针头的距离对于材料的冷却时间，使材料从熔融状态变为固态在涡流管制冷作用下相变时间为4s，直至得到打印产物，得到的打印产物。
本实施例中，所述步骤S2中，设定打印速度为10mm/s、打印层厚为0.05mm。打印参数的设置是为了使得打印出的生物体模型与通过磁共振成像(MRI)取得的生物体医学影像数据一致。
本实施例中，所述二区段温控高温喷头为气动螺杆挤出式喷头，所述步骤S3中，设定挤出气压为0.25MPa，螺杆挤出速度为0.1ml/min。
本实施例中，所述步骤S4中，设置所述二区段温控高温喷头的料筒和针头加热温度均为140℃，加热时间为30min。
本实施例中，所述步骤S5中，所述涡流管进气量为0.08m3/min，所述空压机的输入气压为0.6Mpa，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头下方5mm位置处；和/或，涡流管输出的冷风接触到材料时温度为4℃到6℃，冷风风速为2～3m/s。
本实施例中，所述步骤S6中，打印产物为神经导管模型，直径为7mm，壁厚为0.7mm，高度为65mm，可以用于体外细胞培养实验或者动物植入实验。
本实施例中，所述生物材料为聚乳酸(PLA)。
实施例3
一种具有随形制冷功能的3D打印设备，其中，包括用于喷射3D打印材料的二区段温控高温喷头以及设在所述二区段温控高温喷头外侧的涡流管，所述涡流管进气端接空压机的输出端，所述涡流管输出端接万向喷气管，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头位置的下方。这样，就相当于在高温喷头外部设置了一个涡流管的外挂装置，可以在打印熔融状态下的高分子材料或其他生物材料时，将挤出来的材料随形冷却，易于打印出自己想要的结构，不需要再设计复杂的打印平台制冷以及打印环境制冷。通过此设备，可以用来打印以往制冷方式很难打印出来的高度超过20mm的组织模型，是一个应用在生物打印领域里面的一种新的制冷成型方式。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取生物体的医学影像数据，然后通过三维图像重建算法或医学图像处理软件重建生物体的三维图像，建立生物体三维模型；
S2.使用切片软件处理步骤S1得来的生物体的三维模型，设置打印参数，转换为打印机可以识别的机器代码；
S3.设定二区段温控高温喷头的工作参数；
S4.将选择打印的生物材料放进二区段温控高温喷头的料筒中，设置二区段温控高温喷头的料筒和针头的加热温度和加热时间，对生物材料进行加热；
S5.待生物材料达到熔融状态以后，手动进行生物材料的预挤出，观察高温喷头挤出来的生物材料状态是否为连续的透明丝状，确认为连续的透明丝状后，或待打印完第一层后，开启涡流管进行制冷，同时调节二区段温控高温喷头的针头温度比料筒温度高5℃～10℃；
S6.控制涡流管的气流量和其所连接的万向喷气管的喷嘴与高温喷头针头之间的距离，使材料在涡流管制冷作用下从熔融状态变为固态的相变时间为3s～5s，直至得到打印产物。
2.根据权利要求1所述的生物3D打印方法，其特征在于，还包括如下步骤：
开启打印前，在打印平台贴附一层双面胶或者其他利于生物材料贴附的胶带；
打印完毕后，用铲刀轻轻铲入打印物底部与打印平台贴胶的连接处，缓慢推进，将打印产物取出。
3.根据权利要求2所述的生物3D打印方法，其特征在于，还包括如下步骤：
将打印产物放进培养皿，在其表面涂抹细胞悬液，加入经过灭菌后的培养基，放进细胞培养箱。
4.根据权利要求3所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2中，设定打印速度为5mm/s～15mm/s、打印层厚为0.05mm～0.3mm。
5.根据权利要求1～3任一所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述二区段温控高温喷头为气动螺杆挤出式喷头，所述步骤S3中，设定挤出气压为0.2MPa～0.3MPa，螺杆挤出速度为0.1ml/min～0.5ml/min。
6.根据权利要求1～3任一所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S4中，设置所述二区段温控高温喷头的料筒和针头加热温度均为140℃～180℃，加热时间为20min～30min。
7.根据权利要求1～3任一所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述涡流管进气量为0.05m3/min～0.12m3/min，空压机的输入气压为0.4Mpa～0.8Mpa，所述万向喷气管的喷嘴对准所述高温喷头的针头下方5mm～10mm位置处；和/或，涡流管输出的冷风接触到材料时温度为4℃～10℃，冷风风速为2m/s～3m/s。
8.根据权利要求1～3任一所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述步骤S6中，打印产物为血管模型，直径为4mm～10mm，壁厚为0.2mm～1mm，高度为50mm。
9.根据权利要求1～3任一所述的生物3D打印方法，其特征在于，所述生物材料为聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)或明胶中的一种。
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