CN113677505A - 三维生物打印系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了三维生物打印的系统和方法。该方法可以包括使用打印机头将生墨水液滴沉积在基材的打印表面上。所述打印表面浸入液体中。所述生物墨水滴与所述打印表面之间的第一相互作用促使所述生物墨水液滴附着到所述打表面上，所述生物墨水液滴与所述液体之间的第二相互作用，进一步促使所述物墨水液滴附着到所述打印表面上。

Description

三维生物打印系统和方法

技术领域

本申请一般涉及三维(3D)打印，特别涉及用于在液体环境中进行3D打印、打印包括管状结构的对象以及使用生物材料打印3D对象的系统和方法。

背景技术

3D打印通常是指在基材的打印表面上通过沉积材料或固化材料来创建3D对象的技术。3D生物打印已被用于打印包括组织或器官在内的生物组分。现有的3D生物打印技术通常采用固化过程来固化打印的生物组分，这可能会对细胞造成损害并降低细胞存活率。此外，打印的组织或器官的生物学功能往往受到限制，这至少部分是由于难以生成血管网络所导致的。因此，需要用于打印具有更高的细胞存活率和更强的生物学功能的3D组织或器官的系统和方法。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种在液体环境中进行三维(3D)打印的方法。该方法可以包括使用打印机头将生物墨水液滴沉积在基材的打印表面上。所述打印表面浸入液体中。所述生物墨水液滴与所述打印表面之间的第一相互作用促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上，所述生物墨水液滴与所述液体之间的第二相互作用，进一步促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上。

根据本申请的另一个方面，提供了一种用于打印包括管状结构的对象的方法。该方法可以包括使用打印机头将第一材料沉积在包括具有管状结构的支架的基材上；在将所述第一材料沉积在所述基材上的同时，供给第二材料，所述第二材料是所述管状结构内的流体。所述支架可被所述第二材料渗透，并用于允许所述第二材料到达所述第一材料。所述第二材料用于增强或保持所述第一材料的活性。

根据本申请的另一个方面，提供了一种用于打印三维(3D)对象的方法。该方法可以包括(a)在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水；(b)将沉积在所述打印表面上的所述第一细胞在第一细胞培养基中培养第一时间段；(c)在已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水；(d)将沉积在所述打印表面上的所述第二细胞在第二细胞培养基中培养第二时间段；(e)重复(a)

(d)并允许沉积的所述第一细胞和所述第二细胞凝聚以形成3D对象。

根据本申请的又一个方面，提供了一种用于三维(3D)打印的系统。该系统可以包括一个或以上打印机头，所述一个或以上打印机头用于沉积一种或以上类型的生物墨水；定位装置，所述定位装置与所述一个或以上打印机头相连，并用于驱动所述一个或以上打印头相对于基材的打印表面移动；控制模块，所述控制模块用于控制定位装置，使得所述一个或以上打印机头就位，以在浸没在液体中的所述打印表面上的一个或以上目标位置上沉积生物墨水液滴。所述液体包括一种材料，所述材料使得所述生物墨水液滴和所述打印表面之间的第一相互作用促使所述生物墨水液滴附着在所述打印表面上，所述生物墨水液滴与所述液体的第二次相互作用进一步促进了所述生物墨水液滴在所述打印表面的附着。

本申请的一部分附加特征可以在以下描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的研究或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特征对于本领域技术人员是显而易见的。本申请的特征可以通过以下讨论的详细示例中阐述的方法、工具和组合的各个方面的实践或使用来实现和获得。

附图说明

本申请将通过示例性实施例进行进一步描述。这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。附图未按比例绘制。这些实施例是非限制性的示例性实施例，在这些实施例中，各图中相同的编号表示相似的结构，其中：

图1是根据本申请一些实施例所示的示例性打印系统的示意图；

图2是根据本申请一些实施例所示的示例性计算设备的示例性硬件和/或软件组件的示意图；

图3是根据本申请一些实施例所示的示例性移动设备的示例性硬件和/或软件组件的示意图；

图4是根据本申请一些实施例所示的示例性打印机的框图；

图5是根据本申请一些实施例所示的示例性处理设备的框图；

图6A是根据本申请一些实施例所示的示例性打印机的示意图；

图6B-6D是根据本申请一些实施例所示的示例性倾斜打印机头的示意图；

图7是根据本申请一些实施例所示的3D打印的一般过程的流程图；

图8是根据本申请一些实施例所示的示例性打印过程的示意图；

图9A-9B是根据本申请一些实施例所示的具有复杂结构的示例性基材的示意图；

图10是根据本申请一些实施例所示的液体环境中的示例性打印过程的流程图；

图11是根据本申请一些实施例所示的液体环境中的示例性打印正视图的示意图；

图12是根据本申请一些实施例所示的沉积在打印表面的生物组分和液体之间的相互作用的示意图；

图13是根据本申请一些实施例所示的打印包括管状结构的对象的示例性流程图；

图14是根据本申请一些实施例所示的在支架的管状结构内供给第二材料的示意图；

图15是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的流程图；

图16是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的示意图；

图17A-17B是根据本申请一些实施例所示的打印机头沉积的生物墨水液滴的示例性照片；

图17C是根据本申请一些实施例所示的打印机头沉积的生物墨水液滴的位置的示例性示意图；

图18A是根据本申请一些实施例所示的生物墨水液滴的荧光显微镜图像；

图18B是根据本申请一些实施例所示的在打印后培养12小时后血管支架的荧光显微镜图像；

图18C是根据本申请一些实施例所示的在打印后培养24小时后血管支架的荧光显微镜图像；

图18D是根据本申请一些实施例所示的打印过程中的打印机头、支架和液体环境的图像；

图19是根据本申请一些实施例所示的机器人打印表皮细胞和手动处理表皮细胞的DNA断裂程度的示意图；

图20是根据本申请一些实施例所示的在打印后培养12小时和72小时后，手动接种的内皮细胞和机器人打印的内皮细胞在血管支架上的扫描电子显微镜图像；

图21是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的示意图；

图22是根据本申请一些实施例所示的循环3D打印过程的第一、第二、第四和第六轮之后的血管支架的荧光显微镜图像。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。然而，本领域技术人员应该明白，可以在没有这些细节的情况下实施本申请。在其它情况下，为了避免不必要地使本申请的各方面变得晦涩难懂，已经在较高的层次上描述了众所周知的方法、过程、系统、组件和/或电路。对于本领域的普通技术人员来讲，显然可以对所披露的实施例做出各种改变，并且在不偏离本申请的原则和范围的情况下，本申请中所定义的普遍原则可以适用于其他实施例和应用场景。因此，本申请不限于所示的实施例，而是符合与申请专利范围一致的最广泛范围。

本申请中所使用的术语仅出于描述特定示例实施例的目的，而非限制性的。如本申请使用的单数形式“一”、“一个”及“该”同样可以包括复数形式，除非上下文明确提示例外情形。还应当理解，如在本申请说明书中使用的术语“包括”、“包含”仅提示存在所述特征、整数、步骤、操作、组件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或以上其它特征、整数、步骤、操作、组件、部件和/或其组合的情况。

可以理解的是，本文使用的术语“系统”、“引擎”、“单元”、“模块”和/或“区块”是用于按升序区分不同级别的不同构件、元件、部件、部分或组件的方法。然而，如果可以达到相同的目的，这些术语也可以被其他表达替换。

通常，这里使用的词语“模块”、“单元”或“块”是指体现在硬件或固件中的逻辑，或者是软件指令的集合。本文描述的模块、单元或块可以被实现为软件和/或硬件，并且可以存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质或其他存储设备中。在一些实施例中，可以编译软件模块/单元/块并将其链接到可执行程序中。应当理解，软件模块可以从其他模块/单元/块或从它们自身调用，和/或可以响应检测到的事件或中断来调用。可以在计算机可读介质上提供用于在计算设备(例如，如图2所示的处理器230)上执行的软件模块/单元/块，例如光盘、数字视频光盘、闪存驱动器、磁盘或任何其他有形介质，或作为数字下载(并且可以最初以压缩或可安装格式存储，在执行前需要安装、解压缩或解密)。这里的软件代码可以被部分的或全部的储存在执行操作的计算设备的存储设备中，并应用在计算设备的操作之中。软件指令可以嵌入在固件中，例如EPROM。还应当理解，硬件模块/单元/块可以包括在连接的逻辑组件中，例如门和触发器，和/或可以包括可编程单元，例如可编程门阵列或处理器。这里描述的模块/单元/块或计算设备功能可以实现为软件模块/单元/块，但是可以用硬件或固件表示。通常，这里描述的模块/单元/块指的是逻辑模块/单元/块，其可以与其他模块/单元/块组合或者分成子模块/子单元/子块，尽管它们是物理组织或存储器件。该描述可适用于系统、引擎或其一部分。

可以理解的是，除非上下文另有明确说明，当单元、引擎、模块或块被称为在另一单元、引擎、模块或块“上”、“连接”或“耦合至”另一单元、引擎、模块或块时，其可以直接在其它单元、引擎、模块或块上，与其连接或耦合或与之通信，或者可能存在中间单元、引擎、模块或块。在本申请中，术语“和/或”可包括任何一个或以上相关所列条目或其组合。

根据以下对附图的描述，本申请的这些和其它的特征、特点以及相关结构元件的功能和操作方法，以及部件组合和制造经济性，可以变得更加显而易见，这些附图都构成本申请说明书的一部分。然而，应当理解的是，附图仅仅是为了说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围。应当理解的是，附图并不是按比例绘制的。

如本文所用，“生物墨水”是指通常具有流体形式的生物材料(通常是混合物)，其可以沉积在表面上以基于3D生物打印技术生成对象。在一些实施例中，生物墨水可以包括细胞组分和/或非细胞组分。细胞组分可以包括游离细胞、细胞聚集体、多细胞体、被包裹的细胞等或其任意组合。多细胞体可以包括例如由不同类型的细胞如内皮细胞和/或心肌细胞形成的多细胞球体。非细胞组分可以包括一种或以上细胞营养物质、包裹材料、pH缓冲剂等或其任意组合。在一些实施例中，生物墨水还可以包括支撑组分。支撑组分可以在生物墨水沉积之前或之后形成支撑结构，为打印的生物组分提供结构支撑和/或机械保护。支撑组分可能会或可能不会从生成的对象中移除。

如本文所用，“基材”是指生物墨水沉积在其上的材料。在一些实施例中，基材可以成为通过打印生成的对象的一部分。基材可以包括各种形状和/或尺寸的支架。来自生物墨水的细胞可以附着在基材上，以进一步增殖和/或分化。基材可以是人工合成的，或衍生自天然生物。附加地或替代地，基材可以包括由活细胞形成的生物组分，并且生物墨水可以沉积在生物组分上以形成3D对象。基材可以是可生物降解的或非生物降解的。在一些实施例中，基材可能不会成为要生成的对象的一部分。例如，基材可以是模具、支撑物等。在一些实施例中，基材可以是任何形状，例如球体、半球体、圆柱体、立方体、不规则形状等。在一些实施例中，基材可以具有管状结构。在一些实施例中，基材可以包括一个或以上分支和/或一个或以上弯曲结构。在一些实施例中，基材可以用亲水层(例如，水凝胶)涂覆。例如，亲水层可以包括交联或非交联的亲水性聚合物，其对生物组分例如细胞是无毒的。亲水性聚合物可以包括例如聚乳酸、聚乙烯醇、聚乙醇酸、胶原、明胶、壳聚糖等或其任意组合。在一些实施例中，亲水性或极性官能团可以接枝到打印表面上，包括羟基、羧基、氨基、磷酸基团等或其任意组合。在一些实施例中，基材的打印表面可沉积有一种或以上生物组分。

本申请提供了使用打印机打印对象的机制(其可以包括方法、系统、材料、计算机可读介质、产品等)。在一些实施例中，对象可以在液体环境中打印。例如，当打印表面浸入液体中时，打印机可以将生物墨水液滴沉积在基材的打印表面上。生物墨水液滴和打印表面之间的第一相互作用促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上，并通过生物墨水液滴和液体之间的第二相互作用进一步促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上。例如，液体可以是疏水性的，第二相互作用可以是疏水相互作用，而第一相互作用可以是亲水相互作用。在一些实施例中，对象可以包括管状结构。流体材料可以设置在基材(例如，支架)的管状结构内。支架可以被流体材料渗透。流体材料可以支持沉积在支架上的活细胞的存活。在一些实施例中，可以应用循环打印策略来生成对象。在每个循环中，可以将包含生物组分的生物墨水沉积在基材的打印表面上，然后可以培养打印的生物组分培养以使其凝聚。在一些实施例中，在不同循环中使用的生物墨水的成分可以变化。可以在多个循环之后生成具有3D结构的对象。对象可以包括部分或整个器官、组织等。

图1是根据本申请一些实施例所示的示例性打印系统的示意图。图1中所示的打印系统100可以用于根据预定的打印策略打印对象。打印系统100可以包括打印机110、网络120、一个或以上终端130、处理设备140和/或存储设备150。

在一些实施例中，打印机110可以用于根据预定的打印策略打印对象。在一些实施例中，打印策略可以包括打印机110的一个或以上打印机头的一个或以上路径、待沉积的每个生物墨水液滴的体积和/或与打印对象的打印过程相关的其他参数。在一些实施例中，打印策略还可以包括生物墨水的组成和成分，其可以与打印对象的成分相同或不同。对象可以包括非生物组分和/或生物组分。例如，非生物组分可以包括但不限于塑料、金属、合金、石膏等材料或其任意组合。生物组分可以使用一种称为“生物墨水”的墨水来打印。使用生物墨水打印的对象可以包括器官(例如，心脏、肝脏、肾脏)或其一部分、组织(例如，血管)等或其任意组合。打印机110可以是任何类型的打印机，例如喷墨打印机、激光辅助打印机、挤压打印机等。关于打印机110的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图4和图6A及其相关描述)。在一些实施例中，打印机110可以与打印系统100的一个或以上组件(例如，终端130、处理设备140、存储设备150)通信。例如，打印机110可以经由网络120从存储设备150获得预定的打印策略。

打印系统100的组件可以以各种方式连接。仅作为示例，打印机110可以通过网络120连接到处理设备140。作为另一示例，打印机110可以直接连接到处理设备140，如链接打印机110和处理设备140的虚线双向箭头所示。作为另一示例，存储设备150可以直接或通过网络120连接到处理设备140。作为又一个示例，终端130可以直接连接到处理设备140(如链接终端130和处理设备140的虚线双向箭头所示)或通过网络120连接。

网络120可以包括任何合适的网络，其能够促进用于打印系统100的信息和/或数据的交换。在一些实施例中，打印系统100的一个或以上组件(例如，打印机110、终端130、处理设备140和存储设备150)可以经由网络120与打印系统100的一个或以上其他组件传送信息和/或数据。例如，处理设备140可以经由网络120从打印机110获得图像数据。作为另一示例，处理设备140可以经由网络120从终端130获得用户指令。网络120可以是或包括公共网络(例如，互联网)、专用网络(例如，局域网(LAN))、有线网络、无线网络(例如，802.11网络、Wi-Fi网络)、帧中继网络、虚拟专用网(VPN)、卫星网络、电话网络、路由器、集线器、交换机、服务器计算机和/或其任意组合。例如，网络120可以包括电缆网络、有线网络、光纤网络、电信网络、内联网、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、公共电话交换网络(PSTN)、蓝牙TM网络、ZigBeeTM网络、近场通信(NFC)网络等或其任意组合。在一些实施例中，网络120可以包括一个或以上网络接入点。例如，网络120可以包括有线和/或无线网络接入点，例如基站和/或互联网交换点，并且打印系统100的一个或以上组件可以通过这些接入点连接到网络120以交换数据和/或信息。

终端130可以连接到打印机110、处理设备140和/或存储设备150和/或与之通信。例如，终端130可以接收用户输入的指令，并将该指令发送到打印机110和/或处理设备140。作为另一示例，终端130可以从存储设备150获得要打印的对象的3D模型，使得用户可以通过终端130查看和/或修改对象的3D模型。在一些实施例中，终端130可以包括移动设备131、平板电脑132、膝上型计算机133等或其任意组合。例如，移动设备131可以包括移动电话、个人数字助理(PDA)、游戏设备、导航设备、销售点(POS)设备、膝上型计算机、平板电脑、台式计算机等或其任意组合。在一些实施例中，终端130可以包括输入设备、输出设备等。输入设备可以包括通过键盘、触摸屏(例如、具有触觉或触觉反馈)、语音输入、眼动追踪输入、大脑监测系统或任何其他类似的输入机制输入的字母数字和其他键。通过输入设备接收的输入信息可以经由例如总线发送到处理设备140，以进一步处理。其他类型的输入设备可以包括光标控制设备，例如鼠标、轨迹球或光标方向键等。输出设备可以包括显示器、扬声器、打印机等或其任意组合。在一些实施例中，终端130可以是处理设备140的一部分。

处理设备140可以处理从打印机110、存储设备150、终端130或打印系统100的其他组件获得的数据和/或信息。例如，处理设备140可以从存储设备150获得对象的3D模型，并确定用于打印对象的打印策略。在一些实施例中，处理设备140可以是单个服务器或服务器组。服务器组可以是集中式的，也可以是分布式的。在一些实施例中，处理设备140可以位于打印系统100的本地或远程。例如，处理设备140可以经由网络120访问来自打印机110、存储设备150和/或终端130的信息和/或数据。作为另一示例，处理设备140可以直接连接到打印机110、终端130和/或存储设备150以访问信息和/或数据。在一些实施例中，处理设备140可以在云平台上实现。例如，云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、内部云、多层云等或其任意组合。在一些实施例中，处理设备140可以由如图2所示的具有一个或以上组件的计算设备200实现。

存储设备150可以存储数据，指令和/或任何其他信息。在一些实施例中，存储设备150可以存储从处理设备140、终端130和/或存储设备150获得的数据。在一些实施例中，存储设备150可以存储处理设备140可以执行或用来执行本申请中描述的示例性方法的数据和/或指令。在一些实施例中，存储设备150可以包括大容量存储、可移动存储器、易失性读写存储器、只读存储器(ROM)等或其任意组合。示例性大容量存储器可以包括磁盘、光盘、固态驱动器等。示例性可移动存储器可以包括闪存驱动器、软盘、光盘、内存卡、压缩盘、磁带等。示例性易失性读写存储器可以包括随机存取存储器(RAM)。示例性RAM可以包括动态随机存取存储器(DRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、晶闸管随机存取存储器(T-RAM)和零电容随机存取存储器(Z-RAM)等。示例性ROM可以包括模型只读存储器(MROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、光盘只读存储器(CD-ROM)和数字多功能磁盘只读存储器等。在一些实施例中，存储设备150可以在如本申请中其他地方所描述的云平台上实现。

在一些实施例中，存储设备150可以连接到网络120以与打印系统100的一个或以上其他组件(例如，处理设备140、终端130)通信。打印系统100的一个或以上组件可以经由网络120访问存储在存储设备150中的数据或指令。在一些实施例中，存储设备150可以是处理设备140的一部分。

该描述旨在说明性，而不是限制本申请的范围。对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变化是显而易见的。本申请描述的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特征可以以各种方式组合以获得另外的和/或替代的示例性实施例。例如，存储设备150可以是数据存储，包括云计算平台、例如公共云、私有云、社区云和混合云等。作为另一示例，打印机110、处理设备140和存储设备150可以集成到单个设备中。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。

图2是根据本申请一些实施例所示的示例性计算设备的示例性硬件和/或软件组件的示意图。在一些实施例中，处理设备140可以在计算设备上实现。图2中所示的计算设备200可以包括处理器210、存储器220、输入/输出(I/O)230和通信端口240。

处理器210可以执行计算机指令(例如，程序代码)并根据本申请描述的技术执行处理设备140的功能。计算机指令可以包括，例如，执行本申请描述的特定功能的例程、程序、对象、组件、数据结构、过程、模块和功能。例如，处理器210可以获得要打印的对象的3D模型。作为另一示例，处理器210可以基于3D模型确定打印策略。在一些实施例中，处理器210可以包括一个或以上硬件处理器，例如微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、特定应用集成电路(ASIC)、特定应用指令集处理器(ASIP)、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元(PPU)、微控制器单元、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、高级RISC机(ARM)、可编程逻辑设备(PLD)，能够执行一个或以上功能的任何电路或处理器等或其任意组合。

仅仅为了说明，在计算设备200中仅描述了一个处理器。然而，需要说明的是，本申请中的计算设备200还可以包括多个处理器。因此，本申请中描述的由一个处理器执行的操作和/或方法步骤也可以由多个处理器联合或单独执行。例如，如果在本申请中，计算设备200的处理器同时执行过程A和过程B，应当理解，过程A和过程B也可以由计算设备200中的两个或以上不同的处理器联合或单独执行(例如，第一处理器执行过程A，第二处理器执行过程B，或者第一和第二处理器联合执行过程A和B)。

存储器220可以存储从打印机110、终端130、存储设备150和/或X射线成像系统100的任何其他组件获得的数据/信息。存储器220可以类似于结合图1描述的存储设备150，此处不再重复详细描述。

I/O230可以输入和/或输出信号、数据、信息等。在一些实施例中，I/O230可以使用户与处理设备140交互。在一些实施例中，I/O230可以包括输入设备和输出设备。输入设备的示例可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、录音设备等或其任意组合。输出设备的示例可以包括显示设备、扬声器、打印机、投影仪等或其任意组合。显示设备的示例可包括液晶显示器(LCD)、基于发光二极管(LED)的显示器、平板显示器、曲面屏幕、电视设备、阴极射线管(CRT)、触摸屏等或其任意组合。

通信端口240可以连接到网络(例如，网络120)以促进数据通信。通信端口240可以在处理设备140和打印机110、终端130和/或存储设备150之间建立连接。该连接可以是有线连接、无线连接、可以实现数据传输和/或接收的任何其他通信连接、和/或这些连接的任意组合。有线连接可以包括例如电缆、光缆、电话线等或其任意组合。无线连接可以包括，例如，Bluetooth^TM连接、Wi-Fi^TM连接、WiMAX^TM连接、WLAN连接、ZigBee连接、移动网络链接(例如，3G、4G、5G)等或其任意组合。在一些实施例中，通信端口240可以是和/或包括标准化的通信端口，例如RS232、RS485。在一些实施例中，通信端口240可以是专门设计的通信端口。例如，通信端口240可以根据医学数字成像和通信(DICOM)协议来设计。

图3是根据本申请一些实施例所示的示例性移动设备的示例性硬件和/或软件组件的示意图。在一些实施例中，终端130可以在移动设备上实现。图3中所示的移动设备300可以包括通信平台310、显示器320、图形处理单元(GPU)330、中央处理单元(CPU)340、I/O350、内存360和存储器390。在一些实施例中，任何其他合适的组件，包括但不限于系统总线或控制器(未示出)，也可包括在移动设备300内。在一些实施例中，可将移动操作系统370(例如，iOS^TM、Android^TM、WindowsPhone^TM)和一个或以上应用程序380从存储器390加载到内存360中，以便由CPU340执行。应用380可以包括浏览器或任何其他合适的移动应用程序，用于从处理设备140接收和渲染与图像处理有关的信息或其他信息。用户与信息流的交互可以通过I/O350实现，并经由网络120提供给处理设备140和/或打印系统100的其他组件。例如，用户交互可以包括用于打印机110的指令，以开始、暂停、继续或结束打印过程。作为另一示例，用户交互可以包括与打印过程相关的参数的设置和/或调整，例如用于校准的时间间隔、一个或以上打印机头的移动速度、待沉积的每个生物墨水液滴的体积等或其任意组合。

为了实施本申请描述的各种模块、单元及其功能，计算机硬件平台可用作本申请中描述的一个或以上组件的硬件平台。具有用户接口元素的计算机可用于实施个人计算机(PC)或任何其他类型的工作站或终端设备。若计算机被适当的程序化，计算机亦可用作服务器。

图4是根据本申请一些实施例所示的示例性打印机的框图。在一些实施例中，打印机110可以包括一个或以上打印机头402、一个或以上定位装置404、容器406、一个或以上基材固定装置408、一个或以上流体系统410、一个或以上控制器412、以及一个或以上校准组件414。

打印机头402可以用于在基材的打印表面上沉积一个或以上墨滴。在一些实施例中，墨水可以是无机的。在一些实施例中，墨水可以是生物墨水，其在本申请中用作打印机和/或打印过程的示例。在一些实施例中，一个或以上打印机头可以装载有相同或不同的生物墨水。在一些实施例中，打印机头402可以由定位装置404驱动，以基于预定的打印策略移动到基材的打印表面上的一个或以上目标位置。在一些实施例中，打印机头402可以在目标位置上沉积一个或以上生物墨水液滴。在一些实施例中，如果打印机头402移动到基材的打印表面上的目标位置，则打印机头402的前端和目标位置之间可能可以存在一定的距离(也称为第一安全距离)(例如，10μm、20μm、25μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm等)。在一些实施例中，打印机头402的前端和目标位置之间的第一安全距离可以用于防止打印机头402的前端碰撞或损坏基材。在一些实施例中，打印机头402的前端和目标位置之间的第一安全距离可以用于为生物墨水液滴提供空间。在一些实施例中，第一安全距离可以根据生物墨水液滴的尺寸来确定。

在一些实施例中，打印机头402可以包括移液管、喷嘴、生物墨水容器、温度调节器(例如，加热器或冷却器)等或其任意组合。在一些实施例中，移液管可以包括柱塞。在一些实施例中，移液管可以连接到喷嘴。在一些实施例中，移液管可以通过柱塞的移动将生物墨水从生物墨水容器加载到喷嘴和/或将加载的生物墨水分布到打印表面。在一些实施例中，柱塞的移动可以由控制器412控制。在一些实施例中，移液管可以包括泵，以将生物墨水从生物墨水容器加载到喷嘴和/或将加载的生物墨水分布到打印表面。在一些实施例中，泵可以由控制器412控制。在一些实施例中，喷嘴可以是直的或弯曲的，这可能导致打印机头402在目标位置和/或从各种角度沉积生物墨水的自由度发生变化(例如，增加)。在一些实施例中，喷嘴可以由对生物组分(例如，细胞)无毒的材料制成，包括无毒玻璃、塑料、陶瓷、金属、纤维等或其任意组合。在一些实施例中，生物墨水容器可以填充有生物墨水并为移液管和/或喷嘴提供生物墨水。在一些实施方案中，生物墨容器可以由对生物组分(例如，细胞)无毒的材料制成，包括无毒玻璃、塑料、陶瓷、金属、纤维等或其任意组合。在一些实施例中，生物墨水容器可以集成在打印机110中。在一些实施例中，生物墨水容器可以不是打印机110的一部分。例如，生物墨水容器可以安装在打印机110上，并且可以与打印机头402具有一定距离，因此，生物墨水容器可以与打印机头402的移液管或喷嘴连通以便流体流通。作为另一示例，生物墨水容器可以与打印机头402分离，因此，可以移动打印机头402以接近生物墨水容器并从生物墨水容器加载生物墨水。在一些实施例中，温度调节器可用于改变打印系统100的组件的温度。例如，温度调节器可以调节生物墨水的温度。以加热器为例，加热器可以加热生物墨水和/或将生物墨水保持在适当的温度范围内，例如但不限于36-37℃，从而可以保持生物墨水中生物组分的活性。在一些实施例中，加热器可以由控制器412控制。在一些实施例中，加热器可以包括连接到电源和温度计的一个或以上电阻器。电源可以提供流经一个或以上电阻器的电流并产生热量。在一些实施例中，加热器可以安装在围绕喷嘴、移液管和/或生物墨水容器的外表面的加热室内。例如，加热室可以填充加热流体(例如，水)，以便可以将热量均匀地传递到生物墨水，并根据温度计测量的温度将生物墨水保持在适当的温度范围内。在一些实施例中，喷嘴、移液管和/或生物墨水容器中的生物墨水可以使用安装在相同加热室中的相同加热器或使用安装在单独加热室中的单独加热器来加热。在一些实施例中，打印头402可包括加热流体系统而不是加热器，以加热生物墨水。例如，加热流体系统可以在适当的温度范围内向加热室提供加热流体，从而可以加热生物墨水。

定位装置404可以用于驱动打印机头402以移动。定位装置404可以与打印机头402连接。在一些实施例中，如果生物墨水容器与打印机头部402分离，则定位装置404可以驱动打印机头402移动到生物墨水容器。在一些实施例中，在打印过程中，定位装置404可以驱动打印机头402相对于基材的打印表面移动。在一些实施例中，定位装置404可以包括一个或以上可伸缩杆、一个或以上气缸、转盘等。在这种情况下，定位装置404可以驱动打印机头402沿X轴方向、Y轴方向和/或Z轴方向移动。X轴，Y轴和Z轴可以指3D笛卡尔坐标系中的三个轴。在一些实施例中，定位装置404可以包括连接到一个或以上打印机头402的一个或以上机械臂。机械臂可以包括多个臂单元，其逐个连接。多个臂单元中的每一个都可以围绕轴旋转，这使得打印机头402能够在各个方向上自由移动。在一些实施例中，机械臂可以连接到校准组件414的一个或以上组件，用于校准打印机头402的位置。

容器406可以用于容纳诸如但限于液体的材料。在一些实施例中，容器406还可以用于为基材提供支撑。在一些实施例中，容器406可以填充有液体。在一些实施例中，液体可以在打印过程中为基材提供液体环境。在一些实施方案中，液体可以是疏水性液体，并且可以浸没基材的打印表面。在一些实施方案中，疏水性液体可以促使生物墨水中沉积的生物组分(例如，细胞)附着到基材上。在一些实施方案中，液体可以是亲水性液体(例如，细胞培养基)，其可以支持沉积的生物组分(例如，细胞)的存活和/或促进沉积的生物组分的增殖(和/或分化)。在一些实施例中，容器406可以由对生物组分(例如，细胞)无毒的材料制成。例如，容器406可以由无毒玻璃、塑料、陶瓷、金属、纤维等或其任意组合制成。仅作为示例，容器406可以由钛制成。容器406的外表面和/或内表面可以具有各种形状，包括例如圆柱形状、立方体形状、半球形状、梯形形状、半椭圆形状、直棱柱形状、斜棱柱形状、截锥形状、截棱锥形状、鼻甲形状、截四面体形状、不规则形状等或其任意组合。

在一些实施例中，容器406可以配备有温度调节剂(例如，加热器或冷却器)。温度调节器可以用于改变打印系统100的组件的温度。例如，温度调节器可以调节容器406中的液体的温度。以加热器为例，加热器可以加热生物墨水和/或将生物墨水保持在适当的温度范围内，例如但不限于36-37℃，从而可以保持生物墨水中生物组分的活性。在一些实施例中，加热器可以由控制器412控制。在一些实施例中，加热器可以包括连接到电源和温度计的一个或以上电阻器。电源可以提供流经一个或以上电阻器的电流并产生热量。在一些实施例中，加热器可以安装在容器406内。在一些实施例中，加热器可以安装在容器406的侧壁和/或底壁上。

基材固定装置408可以用于固定基材。在一些实施例中，基材固定装置408的至少一部分可以安装在容器406上，从而将基材固定在容器406中。在一些实施例中，基材固定装置408可以包括一个或以上固定杆、一个或以上紧固件、一个或以上旋转组件等或其任意组合。在一些实施例中，固定杆可以用于固定基材。在一些实施例中，紧固件可以用于将固定杆固定在容器406上。在一些实施例中，固定杆可以由包括但不限于玻璃、塑料、陶瓷、金属、纤维等的材料制成。在一些实施例中，紧固件可以通过例如螺纹连接、胶接、粘接、螺栓连接等或其任意组合固定到容器406的内壁和/或外壁。在一些实施例中，紧固件可以由包括玻璃、塑料、陶瓷、金属、纤维等的材料制成在一些实施例中，旋转组件可包括电动机或连接到电机的连接件。在一些实施例中，固定杆的至少一部分可以穿过紧固件的通孔，并且固定杆的一端可以连接到旋转组件。在一些实施例中，旋转组件可以用于驱动固定杆旋转，并且还可以通过固定杆的旋转驱动基材旋转。在一些实施例中，旋转组件可以在打印过程和/或培养过程期间驱动基材旋转。在一些实施例中，旋转组件可以使固定杆沿着协同方向(顺时针或逆时针)同步旋转，从而使基材可以整体旋转。

仅作为示例，如图6A所示，基材固定装置408可以包括一对固定杆608(例如，第一固定杆和第二固定杆)、一对紧固件607(例如，第一紧固件和第二紧固件)和一对旋转组件609(例如，第一电机和第二电机)。具体地，第一固定杆的第一端可以与基材的第一端连接，第一固定杆的第二端可以与第一电机连接，第一固定杆可以通过第一紧固件的通孔。相应的，第二固定杆的第一端可以与基材的第二端连接，第二固定杆的第二端可以与第二电机连接，第二固定杆可以通过第二紧固件的通孔。第一电机可以驱动第一固定杆移动，进而通过第一固定杆的旋转驱动基材的第一端移动。第二电机可以驱动第二固定杆移动，进而通过第二固定杆的旋转驱动基材的第二端移动。第一电机和第二电机可以沿着协同方向同步旋转固定杆608，从而使基材可以整体旋转。

在一些实施例中，基材可以包括管状结构，并且固定杆可以是中空的。在一些实施例中，中空固定杆可以与基材的管状结构流体连通。在一些实施例中，流体系统410可以通过中空固定杆将流体(例如，细胞培养基)输入到基材的管状结构中，并通过另一个中空固定杆输出流体。

流体系统410可以用于向打印机110的一个或以上组件提供一种或以上流体。在一些实施例中，流体系统可以包括泵、流体入口、流体出口、以及配置在流体入口和出口之间的一个或以上流体通道。在一些实施例中，流体系统410可以包括第一流体系统和第二流体系统。在一些实施例中，如图6A所示，第一流体系统可以用于将第一材料提供到打印机头402中。在一些实施例中，第一材料可以指用于打印对象的生物墨水。例如，第一流体系统可以向打印机头402的生物墨水容器供给第一材料。作为另一示例，第一流体系统可以经由例如连接到打印机头402的喷嘴的管向打印机头402提供生物墨水。第一材料可以自动或半自动地装载到打印机头402。在一些实施例中，多个第一流体系统可以用于向打印机头402提供具有不同成分的第一材料。在一些实施例中，操作者可以手动将第一材料装载到打印机头402。在一些实施例中，如图6A所示，第二流体系统可以用于在打印过程或培养过程期间向基材(例如，支架)的管状结构供给第二材料。在一些实施例中，基材可被第二材料渗透。在一些实施例中，第二材料可以包括细胞培养基、真实血液、人造血液等或其任意组合。在一些实施例中，第二材料不包括任何细胞。

控制器412可以用于控制打印机110的一个或以上组件(例如，打印机头402、定位装置404、基材固定装置408、流体系统410和/或校准组件414)的操作。例如，控制器412可以通过控制与打印机头402连接的定位装置404的移动来调整打印机头402的位置。作为另一示例，控制器412可以向流体系统412发送信号以开始、暂停、继续或停止第一材料加载到打印机头402中和/或第二材料在基材中的流动。作为另一示例，控制器412可以向基材固定装置408的旋转部件发送信号以控制基材的旋转。作为又一示例，控制器412可以向校准组件414发送信号以控制打印机头402的位置的校准。

在一些实施例中，控制器412可以包括一个或以上硬件模块。在一些实施例中，硬件模块可以包括连接的逻辑单元(例如，门、触发器等)和/或可编程单元(例如，可编程门阵列或处理器)。在一些实施例中，控制器412可以包括信号处理电路、存储器电路、一个或以上处理器、一个或以上单片微计算机等或其任意组合。在一些实施例中，控制器412的至少一部分可以集成在打印机110的一个或以上打印电路板中。

校准组件414可以用于校准打印机头402的位置。在一些实施例中，校准组件414可以减少或消除打印机头402(或打印机头402的喷嘴)的实际位置和识别位置之间的误差，使得打印机头402的实际位置可以与打印机头402的识别位置一致。打印机头402的识别位置可以指由打印系统100的一个或以上组件(例如，打印系统100的处理设备140)识别、记录或检测的打印机头402的位置。在一些实施例中，可以在打印过程之前实施一个或以上第一校准过程。在某些实施例中，只有一个第一校准过程。在一些实施例中，可以在打印过程期间执行一个或以上第二校准处理。在一些实施例中，第一校准过程和第二校准过程可以基于相同的校准单元或不同的校准单元来执行。

在一些实施例中，校准组件414可以包括第一校准单元和第二校准单元。第一校准单元可以用于在打印过程之前校准打印机头402的位置。第二校准单元可以用于在打印过程期间校准打印机头402的一个或以上位置。在一些实施例中，第一校准单元可以包括位于预设校准位置的校准器。控制器412可以通过调整机械臂的一个或以上臂单元来控制打印机头402的喷嘴移动到校准器。处理设备140可以识别打印机头402的识别位置，并基于打印机头402的实际位置(即，预设校准位置)校准打印机头402的识别位置。机器人臂的每个臂单元可以以这种方式或其他方式校准。

第二校准单元可以包括一个或以上传感器，该传感器用于在打印过程期间检测打印机头402的实时位置。示例性传感器可以包括相机、位置传感器等或其任意组合。在一些实施例中，位置传感器可以包括光学位置传感器、磁性位置传感器、超声波位置传感器、雷达传感器等或其任意组合。仅作为示例，位置传感器可以包括一个或以上发射器和一个或以上接收器。一个或以上发射器可以向打印机头402发射电磁波(例如，红外线、激光射线)、声波(例如，超声波)或其他信号。接收器可以接收由打印机头402反射的电磁波和/或声波，因此可以基于发射器和接收器的位置确定打印机头402的实时位置。在一些实施例中，一个或以上反射器可以安装在打印机头上，用于反射电磁波、声波或其他信号。在一些实施例中，第二校准单元可以代替第一校准单元在打印过程之前执行校准过程。

需要说明的是，以上对打印机110的描述仅用于说明目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，打印机110可以包括一个或以上附加组件。例如，打印机110还可以包括通信组件，该通信组件用于从一个或以上终端130和/或处理设备140发送或接收数据。在一些实施例中，可以省略或不包括流体系统410。实质上，打印机110可以包括如图4所示的一个或以上组件。例如，打印机110可以仅包括打印机头402、或定位装置404、或基材固定装置408、或控制器412、或校准组件414，或者这些组件的任意组合。在一些实施例中，容器406和/或流体系统410也可以被认为是打印机110的一部分。在一些实施例中，校准组件414可以包括商业校准工具或设备。

图5是根据本申请一些实施例所示的示例性处理设备的框图。处理设备140可以包括获取模块502、目标位置确定模块504、路径确定模块506和控制模块508。在一些实施例中，处理设备140可以在打印系统100的各种组件(例如，图2所示的计算设备200的处理器210、图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)上实现。

获取模块502可以用于获取与打印系统100相关的信息。在一些实施例中，获取模块502可以从打印系统100的一个或以上组件获取数据。例如，获取模块502可以从校准组件414获取与打印机头402的实际位置相关联的信息。作为另一示例，获取模块502可以从存储设备150获取与待打印的对象(和/或可以从其上执行打印的基材)有关的几何模型。在一些实施例中，几何模型可以是3D模型。在一些实施例中，可以基于一个或以上成像技术获得或重建3D模型，包括例如计算机断层扫描(CT)成像、磁共振(MR)成像、结构光立体成像等。在一些实施例中，可以通过测量待打印的对象(和/或可以在其上执行打印的基材)来获得3D模型。

在一些实施例中，获取模块502可以从例如存储设备150、终端130或外部数据源获取或接收基材的打印表面上的一个或以上目标位置。在一些实施例中，获取模块502可以从例如存储设备150、终端130或外部数据源获取或接收用于打印机头402的一个或以上路径。在一些实施例中，获取模块502可以通过例如终端130获取或接收用户(或操作者)提供的一个或以上指令。

目标位置确定模块504可以用于确定基材的打印表面上的一个或以上目标位置。打印机头402可以将生物墨水沉积在一个或以上目标位置上。在一些实施例中，可以基于几何模型来确定一个或以上目标位置。在一些实施例中，目标位置可以均匀地分布在几何模型的表面上。在一些实施例中，目标位置确定模块504可以基于例如几何模型表面的图像分割、用户输入、打印系统100的默认设置等，来识别几何模型表面上的一个或以上目标区域。在一些实施例中，目标位置确定模块504可以确定目标区域中的目标位置。例如，位置可以均匀地分布在目标区域中。在一些实施例中，目标位置确定模块504可以确定一个或多个目标位置。在一些实施例中，打印机头402可以基于目标位置确定模块504的确定，在不同的目标位置组上沉积不同的生物墨水。在一些实施例中，两个相邻位置之间可以存在距离。在一些实施例中，目标位置确定模块504可以基于打印表面的尺寸(例如，目标区域的尺寸)和/或生物墨水液滴的尺寸来确定两个相邻目标位置之间的距离。例如，在一些实施例中，两个相邻目标位置之间的距离可以不小于生物墨水液滴的直径，以避免两个或以上生物墨水液滴的融合。距离可以是例如500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1100μm、1200μm、1300μm、1400μm、1500μm等。在一些实施方案中，两个或以上生物墨水液滴的融合可以沉积的生物组分(例如，细胞)更难以附着到基材上。

路径确定模块506可以用于确定打印机头402的一个或以上路径。在一些实施例中，路径可以包括从打印表面的初始位置到第一目标位置的路径、或者从打印表面的第一目标位置到第二目标位置的路径、或者打印机头从初始位置到一系列目标位置以顺序方式的路径。在一些实施例中，打印机头402的路径可以是空间曲线。在一些实施例中，可以基于几何模型、一个或以上目标位置、打印机头402的当前位置和/或打印机头402的自由度来确定路径。例如，路径确定模块506可以基于打印机头的当前位置、打印表面上的目标位置和打印机头的自由度通过几何计算来确定路径。在一些实施例中，如果使用两个或以上打印机头402同时在不同的目标位置沉积生物墨水，则路径确定模块506还可以对两个或以上打印机头402的路径执行碰撞检查。如果预测到可能的碰撞，则路径确定模块506可以修改打印机头402的一个或以上路径。

控制模块508可以用于控制处理设备140的一个或以上操作。在一些实施例中，控制模块508可以根据用户(或操作者)提供的指令或存储设备150中存储的指令使获取模块获取与打印系统100相关的信息。在一些实施例中，控制模块508可以根据用户提供的指令或存储设备150中存储的指令使目标位置确定模块504确定打印表面上的目标位置。在一些实施例中，控制模块508可以根据用户提供的指令或存储在存储设备150中的指令使路径确定模块506确定打印机头402的路径。在一些实施例中，控制模块508可以与控制器412通信(或协作)以控制打印机110的一个或以上组件来执行操作。

仅仅是示例，如果获取模块502接收到终端130的在基材上打印的指令，则控制模块508可以使目标位置确定模块504确定打印上的目标位置表面，使路径确定模块506确定打印机头402的路径，与控制器412通信以生成打印机头402的控制信号，以及使打印机头402基于所确定的路径移动并将生物墨水沉积在目标位置上。

在一些实施例中，控制模块508可以实现为软件模块，并且可以存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质或其他存储设备中。例如，控制模块508可以存储在处理设备140中。在一些实施例中，可以编译软件模块并将其链接至可执行程序中。可以在计算机可读介质上提供配置用于在计算设备(例如，计算设备120的处理器)上执行的软件模块，例如光盘、数字视频光盘、闪存驱动器、磁盘或任何其他有形介质、或作为数字下载(并且最初可以以压缩或可安装的格式存储，在执行之前需要安装、解压或解密)。此类软件代码可以部分或全部储存于执行计算设备的内存设备中，并且由计算设备执行。软件指令可以嵌入固件，例如，可擦可编程只读内存。在一些实施例中，处理设备140的控制模块508可以与打印机110的控制器412集成。

需要说明的是，以上对处理装设备140的描述仅用于举例说明，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，处理设备140可以包括一个或以上附加模块。例如，处理设备140还可以包括存储模块，用于将上述模块生成的数据存储在处理设备140中。在一些实施例中，目标位置确定模块504和/或通路确定模块506可以被省略或在外部处理设备上实现。

图6A是根据本申请一些实施例所示的示例性打印机的示意图。图6A所示的打印机600可以用于打印对象。打印机600可以包括打印机头602、机械臂604、容器606、基材固定装置、第一流体系统610、第二流体系统611、控制器612。

仅用于说明，图6A中仅示出了一个打印机头602和一个机械臂604。然而，应当注意，打印机600可以具有多于一个以上的打印机头602，其中每个打印机头602可以连接到机械臂604。在一些实施例中，机械臂604可以包括多个臂单元(例如，2臂单元、3臂单元、4臂单元、5臂单元、6臂单元、7臂单元、8臂单元、9臂单元、10个臂单位等)。多个臂单元中的每一个可以围绕至少一个轴旋转。在一些实施例中，机械臂604可以包括与多个臂单元对应的多个轴(例如，2轴、3轴、4轴、5轴、6轴、7轴、8轴、9轴、10轴等)。例如，机械臂604可以包括三个臂单元和三个对应的轴。图6A所示的机械臂604为6轴机械臂。控制器612可以控制机械臂604驱动(和/或引导)打印机头602，以相对于基材605的打印表面移动。打印机头602可以在机器人臂604的引导下接近打印表面上的一个或多个目标位置。在一些实施例中，控制器612可以通过打印机头602的喷嘴603控制打印机头602以沉积一个或多个生物墨水液滴。在一些实施例中，控制器612可以控制第一流体系统611以向打印机头602供给第一材料。第一材料可以指待打印在基板605上的生物墨水。具体地，第一材料可以包括细胞培养基和多个生物组分(例如，细胞)。第一流体系统611可以经由连接到打印机头602的喷嘴603的管(未示出)向打印机头602提供生物墨水。第一材料可以自动加载到打印机头602。在一些实施例中，控制器612可以控制校准组件(例如，图4中所示的校准组件414)在打印过程之前和/或期间校准打印机头602的位置。打印机头602的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图4及其描述)。

基材605可以通过基材固定装置固定在容器606中。图6A所示的基材605可以包括具有管状结构的支架。在一些实施例中，基材605可以具有各种形状和/或尺寸。例如，基材605可以是长方体、圆柱体、球体、任何多面体、或在生物体等中出现的任何不规则形状等或其任意组合。在一些实施例中，基材605可以具有复杂的结构。例如，基材605可以包括一个或以上分支结构(参见图9A)、一个或以上弯曲结构(参见图9B)等或其任意组合。作为另一示例，基材605可以包括形成血管网络的多个管状结构。

如图6A所示，基板固定装置可以包括一对固定杆608(例如，第一固定杆和第二固定杆)，一对紧固件607(例如，第一紧固件和第二紧固件)和一对旋转组件609(例如，第一电机和第二电机)。具体地，第一固定杆的第一端可以与基材的第一端连接，第一固定杆的第二端可以与第一电机连接，第一固定杆可以通过第一紧固件的通孔。相应的，第二固定杆的第一端可以与基材的第二端连接，第二固定杆的第二端可以与第二电机连接，第二固定杆可以通过第二紧固件的通孔。控制器612可以控制第一电机驱动第一固定杆移动，进而通过第一固定杆的旋转驱动基材的第一端移动。控制器612可以控制第二电机驱动第二固定杆移动，进而通过第二固定杆的旋转驱动基材的第二端移动。控制器612可以控制第一电机和第二电机在协同方向上同步旋转固定杆608，从而使基材可以整体旋转。

基材605可以包括管状结构，并且固定杆可以是中空的。在一些实施例中，中空固定杆可以与基材605的管状结构流体连通。如图6A所示，控制器612可以控制第二流体系统610在打印过程或培养过程期间向基材605的管状结构供给第二材料。如图6A所示，第二材料可以从入口613提供在基材605的管状结构中，并且可以从管状结构输出到出口614。在一些实施例中，基材605可被第二材料渗透。在一些实施例中，第二材料可以包括细胞培养基、真实血液、人造血液等或其任意组合。在一些实施例中，第二材料不包括任何细胞。在一些实施例中，第二材料可以到达基材605上沉积的生物组分和/或支持生物组分的存活。

在一些实施例中，液体可以装载到容器606中。在一些实施例中，液体可以在打印过程中为基材605提供液体环境。在一些实施例中，液体可以是疏水性液体。在打印过程之前，液体可以浸没基材605的打印表面。如图6A所示，容器606的内表面可以具有半椭圆形、半球形状、梯形等形状(即，内表面的底侧可以短于内表面的上侧)，以节省液体消耗。容器606的其他形状和尺寸也可以应用于本申请。

图6B-6D是根据本申请一些实施例所示的示例性倾斜打印机头的示意图。如图6B所示，打印机头602可以相对于基材605的打印表面倾斜，并且可以从各种角度接近基材605的打印表面上的目标位置。因此，生物墨水液滴可以从各种角度沉积在基材605的打印表面上。在一些实施例中，打印机头602可以相对于基材605的轴向方向倾斜(参见图6C)。在一些实施例中，打印机头602可以相对于基材605的横向方向倾斜(参见图6D)。如图6C和6D所示，打印机头602的倾斜角α可以指喷嘴603和垂直方向(由垂直的点划线示出)之间的角度。在一些实施例中，控制器612可以通过调节机械臂604来改变打印机头602的倾斜角α。在一些实施例中，基材605可以包括斜面或曲面(如图6D所示)。

需要说明的是，上述图6A-6D中的描述仅用于说明的目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。例如，可以应用弯曲的喷嘴以从倾斜角α沉积生物墨水。作为另一示例，机械臂604可以与校准组件(例如相机或位置传感器)耦合。

图7是根据本申请一些实施例所示的3D打印的一般过程的流程图。在一些实施例中，图7所示的过程700的一个或以上操作可以在打印系统100中实现。例如，过程700的至少一部分可以以指令的形式存储在存储设备150中，并且由处理设备140(例如，如图2所示的计算设备200的处理器210，如图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)调用和/或执行。作为另一示例，过程700的至少一部分可以由打印机110执行。

在701中，处理设备140(例如，获取模块502)可以获得与对象相关的模型。在一些实施例中，与对象相关的模型可以是基于一种或以上成像技术获得或重建的几何模型(例如，重建的3D模型)，包括例如CT成像、MR成像、单光子发射计算机断层扫描(SPET)、结构光立体成像等。在一些实施例中，可以通过测量对象(和/或可以在其上执行打印的基材)来获得与对象相关的模型。在一些实施例中，对象可以是待打印的生物对象。例如，对象可以包括心脏、肝脏、肾脏、肺、胃、肠道、胰腺、膀胱、咽、喉、胆囊、淋巴结、脾脏、神经、骨、皮肤、肿瘤等或其一部分。在一些实施例中，重建的3D模型可以被分割成多个层，用于确定打印机头402的路径。在一些实施例中，对象可以是可以在其上执行打印的基材。例如，对象可以包括支架(例如，血管支架、肝脏支架、心脏支架、神经支架等)。

在703中，处理设备140可以确定打印策略。在一些实施例中，策略可以包括与一种或以上生物墨水的类型、每种类型的生物墨水的量、生物墨水的打印顺序等相关的策略。在一些实施例中，打印策略可以包括与打印机头402相关的策略。例如，打印策略可以包括要使用的打印机头402的数量。如果将使用多个打印机头402，则打印策略可以包括多个打印机头402是否同时或交替地沉积生物墨水，或者多个打印机头402沉积生物墨水的执行顺序。在一些实施例中，打印策略可以包括基材的打印表面上的一个或以上目标位置、打印机头402的一个或以上路径、和/或与打印过程相关的一个或以上参数。与打印过程相关的参数可以包括但不限于打印机头402相对于打印表面的定位、每个待沉积的生物墨水液滴的体积、打印机头402从目标位置到下一个目标位置的移动速度、校准的时间间隔、停止或暂停打印过程的时间点等或其任意组合。

在705中，可以制备生物墨水。在一些实施例中，生物墨水可以自动、半自动或手动制备。生物墨水的成分可以根据待打印的对象来确定。生物墨水可以包括如本申请其他地方所述的细胞组分和非细胞组分。在一些实施方案中，生物墨水可以包括活细胞。在一些实施例中，细胞可以包括未分化干细胞、中间分化干细胞、终末分化细胞或其任意组合。在一些实施例中，细胞可以包括心脏细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胃细胞、胰腺细胞、胆囊细胞、膀胱细胞、脾细胞、气管细胞、神经细胞、骨细胞、肠细胞、上皮细胞、肌细胞、成纤维细胞、分泌细胞、纤毛细胞、脂肪细胞、血细胞、免疫细胞、癌细胞等或其任意组合。在一些实施方案中，内皮细胞可以包括血管内皮细胞、淋巴管内皮细胞等或其任意组合。在一些实施方案中，非细胞组分可以包括细胞培养基、真实血液、人造血等或其任意组合。仅用于说明，对于打印血管，生物墨水可以包括细胞培养基(或真实血液、人造血)内皮细胞和/或平滑肌细胞等或其任意组合。

在707中，3D打印机可以在基材上执行打印。在一些实施例中，3D打印机可以是图4所示的打印机110和/或图6A所示的打印机600。在一些实施例中，生物墨水可以经由第一流体系统611提供给打印机头402。在一些实施例中，3D打印机可以控制打印机头402以根据打印策略将一个或以上生物墨水液滴沉积在基材的打印表面上的一个或以上目标位置上。在一些实施例中，控制器412和/或控制模块508可以通过控制连接到打印机头402的机械臂的移动来控制打印机头402的移动。在一些实施例中，打印机头402的位置可以在打印过程之前和/或期间由校准组件414校准。

在709中，可以执行打印后过程。在一些实施例中，打印后过程可以允许沉积的细胞附着到基材上或允许沉积的细胞增殖和凝聚以形成一个或以上组织、一个或以上器官、或者它们的一部分或其任意组合。例如，在打印后过程中，包括沉积细胞的基材可以保持静止状态一段时间(例如，20分钟、30分钟、40分钟、1小时、2小时)。在此期间，沉积的细胞，尤其是活细胞，可以牢固地附着在基材上并且不会轻易从基材上脱落。作为另一示例，在打印后过程中，可以将包括沉积细胞的基材转移到生物反应器中进行孵育，其中可以提供细胞培养基以支持沉积细胞的增殖和/或分化。

图8是根据本申请一些实施例所示的示例性打印过程的示意图。在一些实施例中，图8所示的过程800的一个或以上操作可以在图1所示的打印系统100中实现。例如，过程800的至少一部分可以以指令的形式存储在存储设备150中，并且由处理设备140(例如，如图2所示的计算设备200的处理器210，如图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)调用和/或执行。作为另一示例，过程800的至少一部分可以由打印机110执行。

在801中，处理设备140(例如，获取模块502)可以接收与打印表面上的一个或以上目标位置相关的信息。打印表面可以是基材的表面。在一些实施例中，获取模块502可以从例如存储设备150、终端130或外部数据源接收与打印表面上的目标位置相关的信息。在一些实施例中，目标位置确定模块504可以基于与基材相关的几何模型来确定与打印表面上的目标位置相关的信息。与基材相关的几何模型可以包括诸如基材的尺寸、基材的表面形态等信息。在一些实施例中，获取模块502可以从目标位置确定模块504获取与目标位置相关的信息。在一些实施例中，相邻目标位置之间的距离可以基于打印表面的尺寸和/或生物墨水液滴的尺寸来确定。在一些实施例中，相邻目标位置之间的距离可以大于阈值，以避免一个以上生物墨水液滴的聚集。在一些实施例中，阈值可以基于液滴的体积来确定。例如，相邻目标位置之间的距离可以大于液滴的直径。

在一些实施例中，打印表面可以是支架的表面，例如血管支架，肝脏支架，心脏支架，神经支架等。支架可以成为要打印的物体的一部分。在一些实施例中，打印表面可以是模具的表面，支撑物等。模具和/或支撑物可用于收集沉积的生物墨水。在一些实施方案中，沉积的生物组分可以聚结以形成通过自组装效应打印的物体。在一些实施例中，打印表面可包括生物组分。生物组分可以包括生长在基材上的细胞和/或沉积在基材上的细胞。在一些实施例中，打印表面可以是水平表面或倾斜表面。在一些实施例中，打印表面可以是平面和/或曲面。

在803中，处理设备140(例如，路径确定模块506)可以基于该信息确定打印机头402到打印表面上的一个或以上目标位置的路径。在一些实施例中，打印机头402的路径可以包括与打印机头402的运动相关的多个运动参数。在一些实施例中，运动参数可以包括打印机头402从初始位置到目标位置和/或从目标位置到下一目标位置的移动方向和速度。在一些实施例中，路径确定模块506可以基于基材的几何模型、一个或以上目标位置、打印机头402的当前位置和/或打印机头402的自由度来确定路径。在一些实施例中，打印机头402的运动可以由控制器412控制。在一些实施例中，可以通过调节定位装置404的移动来实现对打印机头402的控制。在一些实施例中，定位装置404可以包括连接到打印机头402的机械臂。在一些实施例中，机械臂可以包括多个臂单元。在一些实施例中，打印机头402的路径还可以包括每个臂单元的移动方向和速度。

在一些实施例中，多个打印机头402可以连接到多个机械臂。多个打印机头402可以独立地移动并同时和/或交替地沉积生物墨水。处理设备140可以确定多个打印机头402的多个路径。在一些实施例中，处理设备140(例如，路径确定模块506)还可以对多个路径执行碰撞检查。如果存在可能的碰撞，则处理设备140可以调整多个路径中的一个或以上路径。

在805中，打印机110的校准组件414可以校准打印机头402相对于打印机110的位置。在一些实施例中，校准过程可以在打印过程之前实施以消除或减少打印机头402的实际位置和识别位置(也称为检测位置)之间的误差。可以基于打印机头402的实际位置来调整打印机头402的检测位置。在一些实施例中，校准组件414可以包括第一校准单元。在一些实施例中，第一校准单元可以包括位于预设校准位置的校准器。在一些实施例中，在打印过程之前，控制器412可以通过调整定位装置(例如，机械臂的一个或以上臂单元)来控制打印机头402的喷嘴移动到校准器，使得打印机头402的实际位置可以与预设的校准位置相同。在一些实施例中，校准组件414可以包括第二校准单元。在一些实施例中，第二校准单元可以包括一个或以上传感器。在一些实施例中，在打印过程中，一个或以上传感器可以检测打印机头402的实时位置。示例性传感器可以包括相机、位置传感器等或其任意组合。

在807中，可以将生物墨水加载到打印机110。在一些实施例中，生物墨水可以经由第一流体系统(例如，图6所示的第一流体系统611)加载到打印机110。第一流体系统可以连续地或不连续地为打印机头402提供生物墨水。例如，第一流体系统611可以连续地向打印机110提供生物墨水，使得打印机110不必暂停打印过程来重新加载生物墨水。作为另一示例，第一流体系统611可以在打印机头402用完生物墨水之后重新加载生物墨水。在一些实施例中，操作者可以手动将生物墨水加载到打印机110。在一些实施例中，如果打印机头110用完生物墨水，控制器412可以暂停打印过程，并且可以在生物墨水重新加载到打印机110之后恢复打印过程。

在809中，控制器412可以基于所确定的路径控制打印头402依次接近一个或多个目标位置。在一些实施例中，控制器412可控制定位装置404以根据所确定的路径驱动打印头402接近一个或以上目标位置。

在811中，控制器412可以改变打印机头402的轴向方向。在一些实施例中，基材可以具有复杂的结构。打印机头402可以从各种角度沉积生物墨水(如图9A-9B所示)。例如，打印机头402的轴向可以在打印过程之前或期间从垂直方向改变到倾斜方向。在一些实施例中，控制器412可以通过调整连接到打印头402的定位装置404(例如，图6A中所示的机械臂604)来改变打印头402的轴向方向(例如，倾斜打印头402)。在一些实施例中，控制器412可以在打印过程中将打印机头402的轴向改变一次或以上，以将生物墨水沉积在打印表面的不同目标位置上。在一些实施例中，可以省略操作811。在一些实施例中，打印机头402的轴向可以在打印过程之前和/或期间保持不变。在一些实施例中，打印机头402的喷嘴(例如，图6中所示的喷嘴603)可以由另一个喷嘴代替以改变打印角度(例如，6C和6D中所示的倾斜角α)。例如，可以用弯曲的喷嘴代替直流喷嘴。

在如图813中，打印机头402可以在一个或以上目标位置上沉积一个或以上生物墨水液滴。在一些实施例中，生物墨水液滴的沉积可由控制器412控制。在一些实施例中，可以在打印过程中使用两个或以上打印机头。在一些实施例中，打印机头可以用相同或不同的生物墨水加载。在一些实施例中，打印机头可以同时或交替地将生物墨水沉积在基材的打印表面上。在一些实施方案中，生物墨水液滴可以具有预定体积(例如，1μl、1.5μL、2μL、5μL、10μL等)。在一些实施例中，用户(例如，操作者)可以经由终端130查看和/或调整生物墨水液滴的体积。在一些实施方案中，每个生物墨水液滴的体积可以是相同或不同的。例如，可以将包括多细胞体的生物墨水液滴的体积设置为大于包括游离细胞的生物墨水液滴。在一些实施例中，控制器412可以通过控制连接到打印机头402的定位装置404的移动来控制打印机头402的移动。

在815中，可以培养沉积在打印表面上的生物组分。在一些实施例中，沉积的生物组分可以包括细胞，例如但不限于活细胞。在一些实施例中，可以培养沉积的细胞以允许细胞增殖和/或分化。例如，细胞可以凝聚形成3D结构组织。作为另一示例，沉积的生物组分可以包括未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。未分化干细胞和/或中间分化干细胞可以在适当的条件下分化成其他类型的细胞。例如，可以在用于培养沉积的生物组分的培养基中加入可以诱导未分化干细胞和/或中间分化干细胞分化的试剂。在一些实施例中，待打印的对象可以具有管状结构(例如，血管或血管网络)。例如，待打印的对象可以是包括血管网络的心脏。在一些实施例中，可以培养沉积的生物组分用于血管生成。在一些实施例中，可以省略操作815。在一些实施例中，待打印的对象可以不包括细胞。例如，对象可以是用于移植的3D结构支架，例如人造皮肤、人造颅骨、人造心包等。

需要说明的是，以上对流程800的描述仅用于举例说明，并不用于限制本申请的范围。对于本领域普通技术人员来说，可以在本申请的观点下对过程800进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，可以以任何顺序执行操作801到811。在一些实施例中，可以添加或省略过程800的一个或以上操作。例如，可以省略操作811和/或815。

图9A-9B是根据本申请一些实施例所示的具有复杂结构的示例性基材的示意图。在一些实施例中，基材605可以具有管状结构。在一些实施例中，基材605可以包括血管或血管网络。如图9A所示，基材605可以具有一个或以上分支。在一些实施例中，待打印的对象可以具有连接到基材605的管状结构的血管或血管网络。例如，血管网络可以包括相互连接的多个毛细血管。血管网络的至少一部分(例如，一个或以上毛细血管)可以连接到基材605的管状结构。仅作为示例，打印机头402可以将生物墨水沉积在一个或以上分支上，以获得连接到基材605的管状结构的一个或以上毛细血管。在一些实施例中，打印机头402可以从一个或以上打印角度将生物墨水沉积在分支表面上的一个或以上目标位置上。如图9A所示，倾斜角α可以指喷嘴603与垂直方向(垂直点划线示出)之间的角度。在一些实施例中，基材605可以具有不同的直径并且可以弯曲(如图9B所示)。在一些实施例中，打印机头402可以在基材605的弯曲表面上的一个或以上目标位置上沉积生物墨水，而不接触基材605的其他部分。在这种情况下，处理设备140可以在打印过程之前根据基材605的几何模型确定打印机头402的路径，和/或检查打印机头402在路径上的位置，使得打印机头402不会接触基材605的其他部分。在一些实施例中，基材605的打印表面可以是不规则的。例如，基材605可以包括如图9A所示的一个或以上分支和/或如图9B所示的一个或以上弯曲结构。

在一些实施例中，在打印过程中，控制器412可以针对基材605的不同目标位置(例如，在不同的分支或弯曲结构上)改变打印机头402的倾斜角度α，这可以为在具有复杂结构的基材605上打印提供更大的自由度。在一些实施例中，如果在打印过程期间需要改变打印机头402的倾斜角α，则控制器412可以暂停打印过程，将打印机头402从当前目标位置移动到距基材605具有第二安全距离(例如，10cm、20cm、30cm、40cm、50cm等)的某个位置，改变打印机头402的倾斜角α，和/或将打印机头402移动到下一个目标位置。在一些实施例中，处理设备140可以在打印过程之前在确定打印机头402的路径时，考虑打印机头402的倾斜角α的变化。

需要说明的是，上述图9A-9B的描述仅用于说明的目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。例如，基材605可以是任何形状，例如长方体、球体、半球体、圆柱、任何不规则形状等。

图10是根据本申请一些实施例所示的液体环境中的示例性打印过程的流程图。在一些实施例中，图10所示的过程1000的一个或以上操作可以在图1所示的打印系统100中实现。例如，过程1000的至少一部分可以以指令的形式存储在存储设备150中，并且由处理设备140(例如，如图2所示的计算设备200的处理器210，如图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)调用和/或执行。作为另一示例，过程1000的至少一部分可以由打印机110执行。

在1001中，可以固定基材。在一些实施例中，基材可以通过基材固定装置(例如，图6A所示的基材固定装置608)固定。在一些实施例中，基材固定装置608的至少一部分可以安装在容器上并将基材固定在容器中。基材可以以各种方式由基材固定装置608固定。例如，基材的每一端可以通过基材固定装置608的固定杆固定。基材固定装置608和基材的固定的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图4和6及其描述)。

在1003中，液体可以装载在容器中(例如，图6A中所示的容器606)。在一些实施例中，液体可以在打印过程中为基材提供液体环境(参见图11)。在一些实施例中，液体可以是疏水性液体，并且可以浸没基材的打印表面。在一些实施方案中，液体可以是导电液体，例如适当浓度的电解质溶液(例如，浓度为0.9g/100ml的生理盐水)，可以维持沉积在基材上的生物组分的渗透平衡。在一些实施例中，液体可以在打印过程之前由操作员或由流体系统(未示出)装载到容器中。

在1005中，打印机头402可以在基材的打印表面上沉积一个或以上生物墨水液滴。在一些实施例中，在打印过程中可以将打印表面浸入液体中。在一些实施例中，打印机头402的喷嘴的至少一部分也可以浸入装载在容器606中的液体中。在一些实施例中，一个或以上打印机头402可以根据一个或以上预定路径同时或交替地在打印表面上沉积相同或不同的生物墨水。在一些实施例中，控制器412可以通过调整连接到一个或以上打印机头402的一个或以上定位设备404来控制一个或以上打印机头402的移动。

在一些实施例中，可以通过第一次相互作用和/或第二次相互作用来促使生物墨水液滴附着到基材的打印表面上(参见图11)。在本申请中，如果生物墨滴的显着部分(例如，超过10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、或95％)，尤其是生物墨水液滴的固体成分(例如，生物墨水中的生物组分)附着在打印表面上，则认为生物墨水液滴附着在打印表面上。在一些实施例中，液滴附着到打印表面上仅仅或主要由第一相互作用促使。在一些实施例中，液滴附着到打印表面上仅仅或主要由第二相互作用促使。在一些实施例中，由第一相互作用和第二相互作用作为合力促使液滴附着到打印表面上。第一相互作用可以是生物墨水液滴与基材的打印表面之间的相互作用。第二相互作用可以是生物墨水液滴与液体之间的相互作用。在一些实施例中，第一相互作用可以是生物墨水液滴和基材的打印表面之间的吸引力。在一些实施例中，第二相互作用可以是生物墨水液滴和液体之间的排斥力。在一些实施例中，在液体环境中打印可以避免引入固化过程，固化过程可能对生物组分造成损害并大大降低生物组分的存活率。

在一些实施方案中，第一相互作用可以是亲水性相互作用、极性相互作用、电相互作用、磁相互作用等或其任意组合。在一些实施例中，第二相互作用可以是疏水性相互作用、浮力等或其任意组合。在一些实施例中，液体可以是疏水性液体。在一些实施例中，疏水性液体可以包括矿物油和对生物组分(例如细胞)无害的任何其他类型的疏水性液体。在一些实施例中，基材的打印表面可以是亲水的。在一些实施例中，生物墨水液滴和打印表面之间的第一相互作用可以是亲水性相互作用。在一些实施例中，生物墨水液滴和液体之间的第二相互作用可以是疏水性相互作用。在一些实施例中，沉积的生物组分(例如，细胞)可以包括极性官能团。在一些实施例中，基材的打印表面可以用极性官能团接枝，以增加生物墨水液滴和打印表面之间的极性相互作用。在一些实施例中，沉积的生物组分(例如，细胞)可以用带电或磁化的纳米颗粒标记。在一些实施例中，可以将电场或磁场施加到基材以促进生物墨水液滴附着到基材的打印表面上。

在1007中，可以除去液体。在打印过程完成之后，可以例如通过使用液体泵送装置除去液体。需要说明的是，可以以适当的去除速率去除液体，以防止或减少对沉积的生物组分的机械损伤。例如，如果在去除液体的过程中液体流动太快，则较大的剪切力可能会对沉积的生物组分造成机械损伤。

在1009中，可以洗涤沉积的打印表面。在一些实施例中，在去除液体之后，容器606的内壁和/或已沉积细胞的打印表面上可能存在一些残留的液体。在一些实施例中，容器606和/或已沉积细胞的打印表面可以通过一种或以上洗涤液洗涤。在一些实施例中，容器606和已沉积细胞的打印表面可以通过不同的液体洗涤。在一些实施例中，容器606和/或已沉积细胞的打印表面可以被洗涤至少两次。在一些实施例中，洗涤液可以包括亲水性液体、疏水性液体或细胞培养基。例如，亲水性液体可以包括乙醇、磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液、或生理盐水(NS)溶液等。在一些实施例中，洗涤液可以添加到容器606中，并且可以浸没已沉积细胞的打印表面。在一些实施例中，洗涤液可以添加到容器606中，并且可以不浸没已沉积细胞的打印表面。在一些实施例中，残留液体可以是疏水性液体(例如，矿物油)，并且可以在将洗涤液装载到容器中之后漂浮在洗涤液的顶部。在一些实施方案中，可以例如使用液体泵送装置去除洗涤液和残留液体。

仅作为示例，在第一次洗涤时，可以将乙醇装入容器606中以去除容器606内壁上的至少一部分残余矿物油。具体地，相对少量的乙醇可以沿着容器606的内壁装载到容器606，但可能不会到达已沉积细胞的打印表面。可以除去乙醇和至少一部分残余矿物油。在第二次洗涤中，可以将PBS溶液装载到容器606中，并且可以浸没已沉积细胞的打印表面。残余矿物油(如果有)可以漂浮在PBS溶液的顶部。可以除去PBS溶液和至少一部分残余矿物油(如果有)。在第三次洗涤中，可将细胞培养基装载到容器606中，并且可以浸没已沉积细胞的打印表面。残余矿物油(如果有)可以漂浮在细胞培养基的顶部。可以除去细胞培养基和至少一部分残余矿物油(如果有)。在一些实施例中，第一次洗涤可以重复一次或以上。在一些实施例中，第二次洗涤可以重复一次或以上。在在一些实施例中，第三次洗涤可以重复一次或以上。

在1011中，可以培养沉积在打印表面上的生物组分。如结合图8的操作815所描述的，可以在用于细胞增殖、细胞分化、细胞凝聚、细胞迁移等或其任意组合的打印过程之后培养沉积在打印表面上的生物组分。在一些实施例中，基材固定装置608可以从容器606移除。在一些实施例中，基材以及基材固定装置608的至少一部分(例如，固定杆)可以被转移到装载有细胞培养基的培养容器中。在一些实施方案中，基材可以从基材固定装置608移除并放置在装载有细胞培养基的培养容器中。在一些实施例中，可以将细胞培养基装入容器606中并且可以将沉积的生物组分浸入培养基中。在一些实施例中，细胞培养基可以包括一种以上营养物和/或一种或以上因子(或抑制剂)，其可以支持细胞在沉积的生物组分中的存活。在一些实施例中，因子(或抑制剂)可包括肾上腺髓质素、自分泌运动因子、睫状神经营养因子、表皮生长因子(EGF)、细胞凋亡抑制剂等。在一些实施例中，细胞培养基可以包含一种或以上血管生成因子，其可诱导一种或以上细胞聚结以形成一种或以上毛细血管。例如，血管生成因子可以包括血管内皮生长因子(VEGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血管生成素、基质金属蛋白酶(MMP)、δ样配体4(DII4)、3类信号素(SEMA3)等或其任意组合。

在一些实施方案中，培养容器或容器606可以放置在生物反应器中，并且沉积的生物组分可以在适当的温度下培养一段时间。例如，沉积的生物组分可以在37℃下培养。在一些实施例中，沉积的生物组分可以培养2小时、4小时、8小时、24小时、48小时、3天、5天等。在一些实施例中，可以每8小时、16小时、24小时等用新鲜细胞培养基更换细胞培养基。

需要说明的是，以上对流程1000的描述仅用于说明目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以在本申请的观点下对过程1000进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，基材固定装置608可以包括一个或以上旋转组件(例如，电机)。在一些实施例中，旋转组件可以在打印过程(例如，在操作1005中)或培养过程(例如，在操作1011中)中使基材旋转。例如，在基材的打印表面上的第一区域沉积有生物组分之后，旋转组件可以使基材旋转，使得打印表面上的第二区域(例如，与第一区域相对的第二区域)可以暴露于打印机头402。作为另一示例，可以在培养过程中旋转基材，以促进沉积的生物组分和细胞培养基之间的物质交换。在一些实施例中，基材可以在培养过程中的以一定时间间隔手动旋转。在一些实施例中，可以在过程1000中添加801到811的一个或以上操作，并且可以在操作1005之前执行。

图11是根据本申请一些实施例所示的液体环境中的示例性打印正视图的示意图。如图11所示，机械臂1101可以与打印机头1102连接，并且可以驱动打印机头1102接近基材1104。液体1103可以装载在容器1109中。液体1103可以为打印过程提供液体环境。基材1104和打印机头1102的喷嘴的至少一部分可以浸入液体1103中。一个或以上墨滴(例如，生物墨水)可以沉积在液体环境中并附着到基材1104的打印表面。生物墨水液滴的附着可以由生物墨水液滴和基材1104之间的第一相互作用促进，并且可以进一步由生物墨水液滴和液体之间的第二相互作用促进。在一些实施例中，液体1103可以是疏水性液体，因此，第一相互作用可以是亲水性相互作用，第二相互作用可以是疏水相互作用。

在一些实施例中，基材1104可以通过基材固定装置固定。仅作为示例，基材固定装置可以包括两个固定杆1106，其经由一个或以上连接件1105连接到基材1104的两端。在一些实施例中，基材固定装置可以包括一个或以上紧固件1110，和/或一个或以上旋转组件1107。在一些实施例中，紧固件1110可以与容器1109密封以防止液体泄漏。可以在本申请的其他地方找到对基材固定装置的更多描述(例如，图4和6及其描述)。

图12是根据本申请一些实施例所示的沉积在打印表面上的生物组分和液体之间的相互作用的示意图。如图12所示，一种或以上生物组分1202可以通过打印机头402沉积在打印表面1201上。在在一些实施例中，打印表面1201可以是曲面或斜面。在生物组分1202可以适当地附着到打印表面1201之前，沉积的生物组分1202可能由于重力(或者沉积的生物组分1202在重力作用下可能难以附着到打印表面1201)或其他力(例如，浮力)而倾向于从打印表面1201掉落。在一些实施例中，生物组分1202和打印表面1201可以浸入液体中。液体可包括多个液体分子1203。在一些实施例中，生物组分1202可以是亲水的，而液体可以是疏水的。在一些实施例中，围绕生物组分1202的液体分子1203可以提供疏水性相互作用(如图12中的多个箭头所示)以促使沉积的生物组分附着到打印表面1201(例如，具有排斥力)。在一些实施方案中，基材的打印表面可以是亲水的。在一些实施例中，还可以通过生物组分1203和打印表面1201之间的亲水性相互作用(例如，具有吸引力)以促使生物组分1202附着到打印表面1201。例如，可以使用亲水性聚合物合成基材，例如聚乳酸、聚乙烯醇、聚乙醇酸、胶原、明胶、壳聚糖等或其任意组合。作为另一示例，基材可以用亲水层(例如，水凝胶)涂覆。例如，亲水层可以包括交联或非交联亲水性聚合物，其对生物组分如细胞是无毒的。亲水性聚合物可以包括聚乳酸、聚乙烯醇、聚乙醇酸、胶原、明胶、壳聚糖等或其任意组合。作为另一示例，亲水性或极性官能团(例如，羟基、羧基、氨基、磷酸基等)可以接枝到打印表面1201上。在一些实施例中，打印表面1201可以沉积有一种或以上生物组分。此处描述的亲水性和疏水性相互作用仅用作示例，并且可能打印表面是疏水性的并且沉积材料周围的液体是亲水性的。只要一种或两种相互作用促进沉积材料的附着，第一和第二相互作用可以是任何类型的力。此外，完全有可能有两种以上的相互作用在3D打印过程中发挥作用，这些相互作用可以促进沉积材料的附着。

需要说明的是，上述图12的描述仅用于说明，并不用于限制本申请的范围。对于本领域普通技术人员来说，在本申请的观点下，可以对图12进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。例如，生物组分1202和液体之间的相互作用可以包括浮力，其在图12中未示出。

图13是根据本申请一些实施例所示的打印包括管状结构的对象的示例性流程图。在一些实施例中，图13所示的过程1300的一个或以上操作可以在图1所示的打印系统100中实现。例如，过程1300的至少一部分可以以指令的形式存储在存储设备150中，并且由处理设备140(例如，如图2所示的计算设备200的处理器210，如图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)调用和/或执行。作为另一示例，过程1300的至少一部分可以由打印机110执行。在一些实施例中，待打印的对象可以是人造血管、尿道、淋巴管、或其一部分或其任意组合等。在一些实施例中，待打印的对象可以具有血管网络。例如，对象可以是器官组织的一部分，例如心脏、肝脏、肾脏、肺、胃、肠道、胰腺、膀胱、咽、喉、胆囊、淋巴结、脾等。在一些实施例中，血管网络可以包括多个长度和/或直径不同的管状结构。在一些实施例中，对象的管状结构可以提供流体材料，以向对象的至少一部分提供营养、氧气和/或其他成分，以保持对象的活性和/或功能。

在1301中，打印机头402可以在包括具有管状结构的支架的基材上沉积第一材料。在一些实施例中，第一材料可以指生物墨水。在一些实施例中，基材可以包括支架。在一些实施例中，支架可以包括管状结构。在一些实施例中，第一材料可以包括一种或以上生物组分和/或可支持生物组分存活的细胞培养基。在一些实施例中，生物组分可以包括体细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。在一些实施例中，生物组分可以包括心脏细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胃细胞、胰腺细胞、胆囊细胞、膀胱细胞、脾细胞、气管细胞、神经细胞、骨细胞、癌细胞、肠细胞、上皮细胞、肌肉细胞、成纤维细胞、分泌细胞、纤毛细胞、脂肪细胞、血细胞、免疫细胞等或其任意组合。在一些实施例中，生物组分可以包括游离细胞。在一些实施例中，生物组分可以包括多细胞体。例如，多细胞体可包括由内皮细胞和心脏细胞形成的多细胞球体。

在一些实施例中，一个或以上打印机头402可以根据一个或以上预定路径在基材的打印表面的一个或以上目标位置上沉积相同或不同的第一材料。在一些实施例中，流体系统(例如，图6A所示的第一流体系统611)可以向打印机头402供给第一材料。关于第一材料的沉积的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图7中的操作707、图8中的操作813及其描述)。

在1303中，流体系统(例如，图6A中所示的第二流体系统610)可以在打印机头402将第一材料沉积在基材上的同时在管状结构内供给第二材料。在一些实施例中，支架可以被第二材料渗透并且可以允许第二材料到达第一材料。例如，管状结构可以是多孔的。第二材料可以通过支架的管状结构中的孔到达第一材料。在一些实施例中，第二材料可以用于增强或维持第一材料的活性。如本申请所用，“活性”可以指生物活性、化学活性等。在一些实施例中，生物活性可以包括细胞存活、细胞附着、细胞整合、细胞迁移、细胞增殖、细胞分化等或其任意组合。在一些实施例中，第二材料可以包括细胞培养基、真实血液、人造血等或其任意组合。

在1305中，可以培养沉积在打印表面上的生物组分。在一些实施例中，在培养过程中，可以提供细胞培养基以浸没生物组分和/或支持生物组分的存活。在一些实施方案中，可以用一种或以上生物组分沉积打印表面。在一些实施例中，细胞培养基可以从外周生物组分渗透和/或扩散到内部生物组分。关于生物组分沉积在打印表面上之后的培养过程的更多描述可以在本公开的其他地方找到(例如，图7中的操作709、图8中的操作815、图10中的操作1011及其描述)。在一些实施例中，可以省略操作1305。

在1307中，第二材料可以在管状结构内提供，同时培养沉积在打印表面上的生物组分。在一些实施例中，在支架的管状结构内提供的第二材料可被管状结构渗透并到达沉积的生物组分的一部分(例如，从内部生物组分到外围生物组分，参见图14)。这可以促进沉积的生物组分保持增殖和/或分化的活性。在一些实施例中，在培养过程中，可以旋转基材(例如，同时在管状结构内供给第二材料)。在一些实施例中，可以省略操作1307。

需要说明的是，上述过程1300的描述仅用于说明目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以在本申请的观点下对过程1300进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，在液体环境中打印物体的过程1000可以与例如在液体环境中打印具有管状结构的对象的过程1300结合。在一些实施例中，可以在操作1301之前执行操作801至811中的一个或以上。

图14是根据本申请一些实施例所示的在支架的管状结构内供给第二材料的示意图。如图14所示，第一材料1401可能已经沉积在包括具有管状结构的支架1403上。在一些实施例中，第一材料1401可以是包括生物组分(例如，细胞)的生物墨水。在一些实施例中，可以在打印过程和/或培养过程期间在管状结构内供给第二材料1402。例如，第二材料1402可以从管状结构的一侧流到管状结构的另一侧，如图14中的箭头所示。第二材料1402可以用于维持和/或增强第一材料1401的活性。在一些实施例中，支架1403可被第二材料1402渗透，并且第二材料1402可以到达沉积在支架1403的打印表面上的第一材料1401。在一些实施例中，可以存在包括与第一材料1401相关联的多个毛细血管的血管网络。在一些实施例中，毛细血管的至少一部分可以连接到管状支架。在一些实施例中，第二材料1402可以能够通过血管网络到毛细管的至少一部分以维持和/或增强第一材料和/或其他生物组分的活性。例如，第二材料1402可以是可以以例如1ml/min的平均流速通过血管网络的培养基。

需要说明的是，上述图14的描述仅用于说明，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，管状结构可以是复杂结构。例如，管状结构的直径可以变化。作为另一示例，管状结构的一部分可以是直的，而管状结构的一部分可以是弯曲的。

图15是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的流程图。在一些实施例中，图15所示的过程1500的一个或以上操作可以在图1所示的打印系统100中实现。例如，过程1500的至少一部分可以以指令的形式存储在存储设备150中，并且由处理设备140(例如，如图2所示的计算设备200的处理器210，如图3所示的移动设备300的GPU330或CPU340)调用和/或执行。作为另一示例，过程1500的至少一部分可以由打印机110执行。

在1501中，打印机头402可以在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水。在一些实施例中，第一细胞可以包括体细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞或其任意组合。在一些实施例中，体细胞可以包括心脏细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胃细胞、胰腺细胞、胆囊细胞、膀胱细胞、脾细胞、气管细胞、神经细胞、骨细胞、癌细胞、肠细胞、上皮细胞、肌肉细胞、成纤维细胞、分泌细胞、纤毛细胞、脂肪细胞、血细胞、免疫细胞等或其任意组合。在一些实施例中，第一细胞可以包括一种或以上类型的体细胞。例如，第一细胞可以包括第一类体细胞和第二类体细胞。在一些实施例中，第一类体细胞可以包括内皮细胞。在一些实施例中，第二类体细胞可以包括心肌细胞、肝细胞、肺细胞、肾细胞、脾细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。在一些实施例中，体细胞可以包括游离细胞。在一些实施方案中，体细胞可以包括多细胞体。例如，多细胞体可以包括由内皮细胞和心肌细胞形成的多细胞球体。在一些实施例中，如结合图10所述，打印机头402可以在浸入液体环境中的基材的打印表面上沉积一个或以上第一生物墨水液滴。在一些实施例中，液体环境可以包括疏水性液体，并且可以促使沉积的第一生物墨水液滴附着到打印表面。在一些实施例中，基材可以具有包括管状结构的支架。在一些实施例中，如结合图13所描述的，可以在管状结构内提供作为流体的材料(例如，细胞培养基、真实血液、人造血或其任意组合)以维持或增强沉积的第一细胞的活性。在一些实施例中，可以在打印过程期间旋转基材。

在1503中，沉积在打印表面上的第一细胞可以在第一细胞培养基中培养第一时间段。在一些实施例中，沉积的第一细胞可以在生物反应器中培养。例如，沉积的第一细胞可以在37℃下培养。在一些实施例中，沉积的第一细胞可以培养2小时、4小时、8小时、24小时、48小时、3天、5天等。在一些实施例中，可以每8小时、16小时、24小时等用新鲜细胞培养基替换第一细胞培养基。在一些实施例中，可以将一种或以上血管生成因子引入第一细胞培养基中以诱导沉积的第一细胞聚结以形成多个毛细血管。在一些实施例中，在包括第一液体的液体环境中将第一细胞沉积在打印表面上之后，容器中的第一液体可以被第一细胞培养基替换。例如，第一液体可以从容器中移除并且第一细胞沉积在打印表面上，第一细胞和容器可以被洗涤，并且第一细胞培养基可以被装载到容器中。关于洗涤沉积的第一细胞和容器的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图10及其描述)。在一些实施例中，可以在培养过程中旋转基材。在一些实施例中，当培养第一细胞以维持沉积的第一细胞的活性时，可以在管状结构内提供作为流体的材料(例如，细胞培养基、真实血液、人造血或其任意组合)。

在1505中，打印机头402可以在沉积的打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水。在一些实施例中，已沉积细胞的打印表面可包括沉积的第一细胞。在一些实施例中，第二细胞可以包括体细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞或其任意组合。在一些实施例中，体细胞可以包括心肌细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胃细胞、胰腺细胞、胆囊细胞、膀胱细胞、脾细胞、气管细胞、神经细胞、骨细胞、癌细胞、肠细胞、上皮细胞、肌肉细胞、成纤维细胞、分泌细胞、纤毛细胞、脂肪细胞、血细胞、免疫细胞等或其任意组合。在一些实施例中，第二细胞可以包括一种或以上类型的体细胞。例如，第二细胞可以包括第一类体细胞和第二类体细胞。在一些实施例中，第一类体细胞可以包括内皮细胞。在一些实施例中，第二类体细胞可以包括心肌细胞、肝细胞、肺细胞、肾细胞、脾细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。在一些实施例中，体细胞可以包括游离细胞。在一些实施例中，体细胞可以包括多细胞体。例如，多细胞体可以包括由内皮细胞和心肌细胞形成的多细胞球体。在一些实施例中，如结合图10所述，打印机头402可以在浸入液体环境中的基材的打印表面上沉积一个或以上第二生物墨水液滴。在一些实施例中，液体环境可以包括疏水性液体，并且可以促使沉积的第二生物墨水液滴附着到打印表面。在一些实施例中，基材可以具有包括管状结构的支架。在一些实施例中，如结合图13所描述的，可以在管状结构内提供作为流体的材料(例如，细胞培养基、真实血液、人造血或其任意组合)以维持或增强沉积的第一细胞和/或沉积的第二细胞的活性。在一些实施例中，可以在打印过程期间旋转基材。

在一些实施例中，第一生物墨水和第二生物墨水可以具有相同或不同的成分。在一些实施例中，第一生物墨水和第二生物墨水可以包括相同或不同类型的细胞培养基。在一些实施例中，第一细胞和第二细胞可以包括一种或以上相同类型的细胞。在一些实施例中，第一细胞每种类型的细胞的百分比与第二个细胞的相应类型的细胞百分比相同或不同。例如，第一细胞可以包括90％的内皮细胞和10％的心肌细胞，而第二细胞可以包括20％的内皮细胞和80％的心肌细胞。作为另一示例，第一细胞和第二细胞可以包括多细胞体，并且第一细胞和第二细胞的多细胞体可以都包括90％的心肌细胞和10％的内皮细胞。在一些实施例中，第一细胞和第二细胞可以包括一种或以上不同类型的细胞。例如，第一细胞可以包括游离内皮细胞，而第二生物墨水可以包括心肌细胞。

在1507中，沉积在打印表面上的第二细胞可以在第二细胞培养基中培养第二时间段。在一些实施例中，沉积的第二细胞可以在生物反应器中培养。例如，沉积的第二细胞可以在37℃下培养。在一些实施例中，沉积的第二细胞可以培养2小时、4小时、8小时、24小时、48小时、3天、5天等。在一些实施例中，可以每8小时、16小时、24小时等用新鲜细胞培养基替换第二细胞培养基。在一些实施例中，可以将一种或以上血管生成因子引入第一细胞培养基中以诱导沉积的第二细胞聚结以形成多个毛细血管。在一些实施例中，在包括第二液体的液体环境中将第二细胞沉积在打印表面上之后，容器中的第二液体可以被第二细胞培养基替换。例如，第二液体可以从容器中移除并且第二细胞沉积在打印表面上，第二细胞和容器可以被洗涤，并且第二细胞培养基可以被装载到容器中。在一些实施例中，第一液体和第二液体可以相同或不同。关于洗涤沉积的第二细胞和容器的更多描述可以在本申请的其他地方找到(例如，图10及其描述)。在一些实施例中，可以在培养过程中旋转基材。在一些实施例中，当培养第二细胞以维持沉积的第二细胞和/或沉积的第一细胞的活性时，可以在管状结构内提供流体材料(例如，细胞培养基、真实血液、人造血或其任意组合)。

在一些实施例中，第一细胞培养基和第二细胞培养基可以包括相同或不同的成分。在一些实施例中，培养第一细胞的第一时间段和培养第二细胞的第二时间段可以相同或不同。

在1509中，用户和/或处理设备140可以确定是否满足条件。响应于不满足条件的确定，过程1500可返回到操作1501并重复操作1501至1507。在一些实施例中，操作1501至1507可以重复至少两次，以允许沉积的第一细胞和第二细胞凝聚以形成3D对象。在一些实施例中，基材可以包括管状结构(例如，血管或血管网络)，并且多个毛细管的至少一部分可以与管状结构连接，使得第一细胞培养基或第二个细胞培养基可以穿过管状结构到达多个毛细管的至少一部分。响应于条件被满足的确定，过程1500可以进行到1511。在1511中，可以结束对打印过程。在一些实施例中，用于打印的生物墨水可以不同于先前打印循环中使用的生物墨水。例如，在第一打印循环中，可以沉积第一生物墨水和第二生物墨水，而在第二打印循环中，第三生物墨水和第四生物墨水可以分别沉积在打印表面上。

在一些实施例中，条件可以与打印的生物组分的体积和/或厚度有关。例如，如果操作者观察到打印的生物组分的体积大于体积阈值(例如，1cm3、5cm3)，则操作者可以确定满足条件并确定结束打印过程。作为另一示例，如果操作者观察到打印的生物组分的厚度大于厚度阈值(例如，3mm、5mm、10mm)，则操作者可以确定满足条件。作为另一示例，相机(例如，校准组件414的相机)可以获得基材上打印的生物组分的图像。处理设备140可以确定打印的生物组分的体积和/或厚度是否满足条件。

在在一些实施例中，条件可以包括是否生成毛细血管和/或血管网络。例如，操作者可以获得打印的生物组分的样本，并对打印的生物组分的样本进行组织学染色。如果观察到多个毛细管和/或血管网络，则操作者可以确定条件满足。在一些实施例中，条件可包括第一细胞和第二细胞是否凝聚。如果第一细胞和第二细胞在打印生物组分的样品中彼此凝聚，则可以满足条件。在一些实施例中，条件可以与打印的生物组分的整体功能相关。在一些实施例中，操作者可以测试打印的生物组分的整体功能。例如，如果要打印的对象是心脏，则操作者可以在心脏泵血时测试血压。如果血压大于阈值，则可以满足条件。作为另一示例，如果要打印的对象是肾脏或肝脏，则可以利用用于培养打印生物组分的细胞培养基来分析与肾脏或肝脏功能相关的一种或以上成分的浓度。如果成分的浓度落在正常范围内，则可以满足条件，并且可以结束打印过程。

需要说明的是，上述图15的描述仅用于说明，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，在打印循环中可以仅使用第一生物墨水和第二生物墨水中的一种。例如，打印循环可以仅包括操作1501、1503和1509。也就是说，在培养第一细胞之后，用户或处理设备140可以确定是否满足条件(即，可以省略操作1507)。响应于条件满足的确定，打印过程可以在1511结束。在一些实施例中，可以省略操作1503。也就是说，在1505沉积第二生物墨水之后，可以在1507培养第一细胞和第二细胞。在一些实施例中，打印过程可以包括多个打印循环，在多个打印循环的一个或以上打印循环中，可以执行操作1505和/或1507，而在多个打印循环的其他打印循环中，可以跳过或省略操作1505和/或1507。在一些实施方案中，在一个或以上打印循环中第一细胞和/或第二细胞沉积在打印表面上之后，一层或以上粘合材料(例如，水凝胶)可以沉积在打印细胞(第一细胞和/或第二细胞)上以促进打印细胞的固定和/或增殖。

图16是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的示意图。如图16所示，打印机头402的喷嘴1601可以将第一生物墨水1602沉积在基材1604的一个或以上目标位置上。第一生物墨水1602可以包括第一细胞1605。一层或以上第一细胞1605可以附着到基材1604。仅作为示例，图16中仅示出了一层第一细胞1605。然后可以将沉积的第一细胞1605培养第一时间段用于某些细胞活动，例如但不限于细胞增殖和/分化。如本申请所用，细胞层可以是指连续的、基本连续或不连续的细胞片。喷嘴1601可以在基材1604上的一个或以上目标位置上沉积第二生物墨水1603。第二生物墨水1603可以沉积在沉积的第一细胞1605的表面上。第二单元1606的一个或多个层可以附接到第一单元1605。仅作为示例，在图2中仅示出了一层第二单元1606。16。可以培养第二细胞1606，用于第二次细胞活性，例如但不限于细胞增殖和/分化。在下一个印刷循环中，第一生物墨水1602和第二生物墨水1603可以依次沉积在沉积的第二单元1606和/或沉积的第一单元1605的表面上。在多个印刷循环和培养过程之后，沉积的第一细胞1605和沉积的第二细胞1606可以聚结以形成器官，组织或其一部分的3D结构。第一生物墨水1602的更多描述，第一细胞1605，第二生物墨水1603，第二单元1606可以在本公开的其他地方(例如，图15以及其描述)。

在一些实施例中，第一生物墨水1602和第二生物墨水1603可以沉积在液体环境中。在一些实施方案中，液体环境可包括液体(例如，疏水液体)。在一些实施方案中，可以在每个培养过程之前去除液体，并且可以在每个培养过程(图16中未示出)之前洗涤第一细胞1605和第二单元1606。在一些实施例中，第一生物墨水1602和第二生物墨水1603可以具有相同或不同的成分。在一些实施例中，用于培养第一细胞1605的第一时间段和用于培养第二细胞1606的第二时间段可以相同或不同。

需要说明的是，以上关于图16的描述仅用于说明目的，并不用于限制本申请的范围。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的描述，做出各种各样的变化和修改。然而，这些变化和修改不脱离本申请的范围。在一些实施例中，第二扫描方向可以通过其他方式确定。例如，喷嘴1601可以是弯曲的而不是如图16所示的直的。作为另一示例，打印机头402的一个或以上喷嘴1601可以同时或交替地沉积第一细胞1605和/或第二细胞1606。

示例

示例1在液体环境中沉积的细胞

该实施例表明，在疏水性液体环境中的3D打印可以减少打印过程中对细胞的机械损伤，并促使细胞附着在基材的打印表面上。

材料

本实施例中使用了血管内皮细胞、细胞培养基、磷酸盐缓冲液(PBS)、疏水性液体、水凝胶、聚乳酸溶液和生物墨水。疏水性液体为细胞打印提供疏水性液体环境。在本实施例中，矿物油用作疏水性液体。根据以下操作制备生物墨水：将初级和/或分化的人脑微血管内皮细胞在细胞培养基中37℃培养24h，得到血管内皮细胞培养物；向血管内皮细胞培养物中加入5％胶原蛋白、10％基底胶、5nMY-27632、5ng/ml碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和10ng/ml血管内皮生长因子(VEGF)，以获得生物墨水。

支架准备

使用血管支架用作打印的基材。基于静电纺丝制备血管支架。使用聚乳酸溶液来制备支架。血管支架的表面涂覆有30％基底胶溶液，并在37℃下孵育，形成覆盖血管支架表面的水凝胶层，然后打印。水凝胶层具有亲水性，有利于沉积在血管支架上的细胞的固定和增殖。

机械臂

打印机包括机械臂。机械臂安装在打印机上。打印机的机械臂连接到打印机头。机器人臂是一个六轴机器人臂，包括六个臂单元逐一连接。每个臂单元可以绕轴移动360度。因此，打印机头可以在围绕基材的打印表面的3D空间中的任何平面内或穿过任何平面的任何方向自由移动。

打印机头

打印机的打印机头用于根据确定的路径在基材的打印表面的一个或以上目标位置上沉积一滴或以上生物墨水液滴。打印机头包括移液管，用于接收和分布生物墨水。打印机头可操作地连接到控制模块、温度控制器和体积控制单元。将生物墨水装入移液管并暂时储存在移液管中。通过调节体积控制单元的旋钮，可以调节加载到移液管中的生物墨水的总体积。移液管用于通过移液管的喷嘴分布生物墨水液滴。温度控制器包括加热装置，可以将加载的生物墨水保持在37℃。控制模块用于控制移液管在打印表面的每个目标位置上分布一定体积的液滴。在本实施例中，液滴的体积设置为1μL。在打印机头分布完所有加载在喷嘴中的生物墨水后，打印机头可以重新加载喷嘴中的生物墨水。喷嘴可以在多次装载/分布操作后更换。打印机头自动从生物墨水加载装置重新加载生物墨水。生物墨水装载装置包括生物墨水容器和用于对齐移液管和生物墨水容器的支架。

打印过程中的液体环境

打印过程在疏水性液体环境中进行。疏水性液体环境由填充在容器中的疏水性液体(在本实施例中使用矿物油作为疏水性液体)提供。基材通过固定在容器上的基材固定装置固定。在打印过程中，将基材的打印表面浸入疏水性液体中。在印刷期间，打印机头的喷嘴的至少一部分也浸入疏水性液体中。矿物油和沉积细胞之间的疏水性相互作用促进了沉积细胞附着在基材的亲水表面上。矿物油对沉积细胞的存活、增殖和功能没有负面影响。容器与温度控制器相连。温度控制器用于在打印过程中将矿物油的温度保持在37℃。

路径确定

在打印过程之前，处理器基于与待打印的基材相关的3D模型确定打印机头的路径。通过测量基材获得基材的模型。为3D模型构建了3D坐标系。打印机的控制模块获取与基材的打印表面上的目标位置相关的信息。控制模块基于获取的信息、基材的D模型的坐标和基材相对于打印机的位置来确定打印机头的路径。基于打印表面的尺寸和生物墨水液滴的尺寸，将相邻的两个生物墨水液滴沉积目标位置之间的距离设置为1mm。设置距离以防止液滴相互聚集，这可能会影响细胞与基材打印表面的附着。

校准

在打印前进行校准，以减少打印机头喷嘴实际位置与识别位置之间可能出现的误差。通过调节机器人臂的一个或以上臂单元，打印机头的喷嘴被移动到预设的校准位置。控制模块识别打印机头的喷嘴的所识别位置。基于实际位置(即，预设的校准位置)校准所识别位置。机械臂的每个臂单元都以这种方式校准。上述操作至少重复五次以校准打印头的位置。

在打印过程中，基于安装在机械臂上的位置传感器检测到的红外线识别打印机头的实际位置，如果检测到位置漂移，则调整打印机头喷嘴的实际位置，从而实时校准打印机头喷嘴的实际运动轨迹，校正打印机头喷嘴的运动漂移。

打印过程

温度控制器加热矿物油，并将矿物油保持在37℃。将基材的打印表面浸入矿物油中。机械臂由控制模块驱动，相应地，打印机头根据预定路径移动。打印机头的喷嘴接近基材的打印表面上的目标位置。打印机头的喷嘴和打印表面都浸入矿物油中。控制模块控制打印机头的移液管，以将生物墨水液滴沉积在打印表面的目标位置上。生物墨水液滴与打印表面之间的亲水性相互作用促使生物墨水液滴附着在打印表面上。生物墨水液滴与矿物油之间的疏水性相互作用进一步促使生物墨水液滴附着在打印表面上。生物墨水中的细胞附着在打印表面并进一步固定在打印表面上。

打印机头的喷嘴按照确定的路径依次移动并接近基材打印表面上的下一个目标位置。控制模块控制打印机头的移液管在打印表面的下一个目标位置上沉积另一生物墨水液滴。多个血管内皮细胞以类似的方式沉积在基材的打印表面上的多个目标位置上。

图17A-17B是根据本是一些实施例所示的打印机头沉积的生物墨液滴的示例性照片。图17C是根据本申请一些实施例所示的打印机头沉积的生物墨水液滴的位置示的例性示意图。如图17A-17C所示，当基材1701的打印表面和打印机头(未示出)的喷嘴浸入矿物油中时，打印机头将生物墨水液滴1702、1703和1704沉积在培养皿中的基材1701上的不同目标位置。喷嘴的前端与打印表面上的目标位置之间的距离为1mm。如图17B所示，生物墨水液滴1702、1703和1704附着在基材1701的打印表面上，可能是由于生物墨水和矿物油之间的疏水性相互作用、矿物油提供的浮力和重力。在生物墨水和矿物油之间的均匀疏水性相互作用下，生物墨水液滴1702、1703和1704在矿物油中具有球状形状。生物墨水液滴1705、1706和1707直接沉积在培养皿的表面上。如图17A所示，在生物墨水和矿物油之间的均匀疏水性相互作用下，生物墨水液滴1705、1706和1707在矿物油中也具有球状形状。在图17C中，基材1701上的生物墨滴1702、1703和1704的位置以纵截面、垂直视图和侧视图示出。坐标系用于确定基材1701的打印表面上的目标位置。X轴是水平轴，Y轴是垂直轴，Z轴是基材1701的纵轴。这些结果表明，沉积在疏水性液体环境中的生物墨水液滴可以接近基材1701的打印表面以进行附着。

洗涤过程

在打印过程之后，将矿物油从容器和基材的打印表面上除去。在容器中加入乙醇以去除容器表面的一些残余矿物油。在容器中加入PBS，将打印的细胞浸入基材的打印表面上，进一步洗涤容器表面和基材的打印表面上的部分残余矿物油。使用泵去除漂浮在PBS表面上的其他剩余矿物油。然后除去容器中的PBS。

打印细胞的培养过程

容器用细胞培养基填充，并将基材的打印表面上的打印细胞浸入细胞培养基中。将容器和打印细胞置于生物反应器中。将打印的细胞在37℃下培养48小时。每48小时更换一次细胞培养基。

将细胞附着到打印表面上

研究沉积细胞与基材打印表面的附着。用绿色荧光蛋白(GFP)标记人脑微血管内皮细胞，并用于制备生物墨水。按照本实施例中先前描述的程序，在液体环境中将生物墨水沉积在基材上。如本实施例中先前所述，对基材上打印的生物组分进行培养。使用荧光显微镜(Leica荧光显微镜(DMI3000b))观察打印前的生物墨水液滴和打印后培养12小时和24小时后的基材(血管支架)。图18A是根据本申请一些实施例所示的生物墨水液滴的荧光显微镜图像。绿色部分是细胞合成的GFP，表示细胞的位置。图18B是根据本申请一些实施例所示的培养后12小时后血管支架的荧光显微镜图像。图18C是根据本申请一些实施例所示的培养后24小时后血管支架的荧光显微镜图像。如图18B-18C所示，沉积的细胞和从沉积的细胞增殖的细胞附着在血管支架的打印表面上。在图18B的中央区域的放大图中，每个虚线框表示来自生物墨水液滴的细胞聚集体，并且来自不同生物墨水液滴的细胞聚集体聚结并融合形成3D结构。图18A-18B中比例尺的长度为50μm，图18C中比例尺的长度为2.5mm。图18D是根据本申请一些实施例所示的打印过程中的打印机头1801、支架1802和液体环境1803的图像。这些结果表明，在液体环境中沉积在打印表面上的细胞和从沉积细胞增殖的细胞可以成功地附着在血管支架上。

示例2具有管状结构的打印对象

该实施例表明，在打印过程中在对象的管状结构内提供细胞培养基可以促进打印细胞的增殖和血管网络的形成。

材料

本实施例中使用的材料与实施例1中所述相似。用于制备生物墨水的细胞是HeLa细胞(即，人脑微血管内皮细胞(EC))。

支架准备

使用包括管状结构的血管支架用作用于打印的基材。基于静电纺丝制备血管支架。聚乳酸溶液用于制备支架。血管支架表面涂有30％的基底胶溶液，在37℃温育，形成覆盖血管支架表面的水凝胶层，然后打印。水凝胶层具有亲水性，有利于沉积在基材上的细胞的固定和增殖。

用固定杆固定血管支架的每一端。每个固定杆都连接到电机。血管支架两侧的固定杆是中空的。两个电机可以同步旋转。两个电机由打印机的控制模块控制。管道通过每个固定杆内的流体通路连接到血管支架上。

打印机头

材料的制备与实施例1类似。

路径确定

路径的确定与实施例1类似。

校准

校准的执行与实施例1类似。

打印过程

机器人机械臂由控制模块驱动，相应地，打印机头根据预定路径移动。打印机头的喷嘴接近基材的打印表面上的目标位置。控制模块控制打印机头的移液管，将生物墨水液滴沉积在打印表面的目标位置上。流体系统在沉积生物墨水的同时在血管支架的管状结构内提供细胞培养基。流体系统包括泵，该泵应用于驱动细胞培养基的流动。泵与打印机的控制模块相连。打印机的控制模块控制细胞培养基流动的开始和停止，以及细胞培养基流过管状结构的流速。在本实施例中，打印过程中细胞培养基的流速设置为1ml/min。

与旋转组件耦合的两个电机驱动旋转组件旋转并诱导血管支架旋转。打印机头的喷嘴按照确定的路径依次移动并接近基材的打印表面上的下一个目标位置。控制模块控制打印机头的移液管，以在打印表面的下一个目标位置上沉积另一生物墨水液滴。多个血管内皮细胞以类似的方式沉积在基材的打印表面上的多个目标位置上。

打印细胞的培养过程

将打印的细胞和血管支架置于生物反应器中。在培养过程中，流体系统在血管支架的管状结构内提供细胞培养基。本实施例培养过程中，细胞培养基的流速设定为1ml/min。本实施例培养过程中，血管支架以0.2r/min的转速旋转。

打印后检测细胞

研究了使用移液管手动将细胞沉积在血管支架上并根据本实施例中先前描述的程序使用打印系统将细胞沉积在血管支架上后的细胞损伤情况。根根据本示例中先前描述的程序使用打印系统沉积的EC被称为“机器人打印的EC”。手动沉积的EC被称为“手动处理的EC”或“手动接种的EC”。在打印后分别使用TUNEL套件测试机器人打印的EC和手动处理的EC的DNA断裂程度。在TUNEL测试中，EC阴性对照组不加标记处理，EC阳性对照组采用DNaseI处理。图19是根据本申请一些实施例所示的机器人打印的EC和手动处理的EC的DNA断裂程度的示意图。如图19所示，机器人打印EC的三个重复组的DNA断裂程度分别为0.1％、0.1％和0.2％，显着低于手动处理EC的DNA断裂程度(0.3％)。这些结果表明，根据本实施例中先前描述的程序使用打印系统打印EC不会导致EC过度凋亡。

手动接种的EC和机器人打印在血管支架上的EC在打印后在37℃下用5％的CO₂培养72小时。使用扫描电子显微镜(SEM)研究了手动接种的EC和机器人在培养12小时和72小时后在血管支架上打印的EC的形态。结果如图20所示。图20是根据本申请一些实施例所示的在打印后培养12小时和72小时后，手动接种的内皮细胞和机器人打印的内皮细胞在血管支架上的扫描电子显微镜图像。图20中比例尺的长度为100μm。如图20所示，机器人打印的EC和手动接种的EC的形态和增殖相似，这表明根据本示例中先前描述的程序使用打印系统打印EC不会对细胞形态和增殖产生负面影响。本实施例中的TUNEL测试结果和SEM图像表明，与手动接种的EC相比，根据本实施例中先前描述的程序使用打印系统打印EC可以实现较低程度的细胞损伤。

示例3由循环3D打印生成的3D对象

本实施例表明，可以通过循环3D打印获得具有血管网络的3D对象。

材料

本实施例中使用了人脑微血管内皮细胞、心肌细胞、第一细胞培养基、第二细胞培养基、磷酸盐缓冲盐水(PBS)、疏水性液体、水凝胶、聚乳酸溶液、第一生物墨水和第二生物墨水。疏水性液体为细胞打印提供疏水性液体环境。在本实施例中使用矿物油作为疏水性液体。根据以下操作制备第一生物墨水：将第一细胞(即10-20％原代和/或分化人脑微血管内皮细胞和80-90％原代和/或分化人心肌细胞)在第一细胞培养基中在37℃条件下培养24小时，得到第一细胞培养物；将5％胶原蛋白、10％基底胶、5nMY-27632、5ng/mlbFGF和10ng/mlVEGF加入到第一次细胞培养物中以获得第一生物墨水。第二生物墨水以与第一生物墨水类似的方式制备。

支架制备

支架的制备与实施例2类似。

机械臂

机械臂的制备与实施例1类似。

打印机头

打印机头的制备与实施例1类似。

打印过程中的液体环境

液体环境的制备与实施例1类似。

路径确定

路径的确定与实施例1类似。

校准

校准的执行与示实施例1类似。

循环3D打印过程

图21是根据本申请一些实施例所示的示例性循环3D打印过程的示意图。如图21所示，第一细胞和第二细胞的打印环境是液体环境。将打印机头喷嘴前端和基材的打印表面浸入矿物油中。在3D打印循环中，使用打印机将细胞沉积在基材上。打印机配备了六轴机械臂，用于驱动打印机头以沉积第一细胞或第二细胞。沉积第一细胞或第二细胞后，从容器中除去矿物油，并洗涤血管支架和容器的打印表面。然后将第一细胞培养基或第二细胞培养基加入到容器中。将容器置于生物反应器中，将沉积在血管支架上的生物组分在37℃下用5％的CO₂培养24小时。培养生物组分后，去除第一细胞培养基或第二细胞培养基，洗涤血管支架和容器的打印表面。将矿物油加入到容器中以形成用于打印第一细胞或第二细胞的液体环境。重复3D打印循环6轮。在以下描述中提供了循环3D打印过程的详细信息。

温度控制器加热矿物油，并将矿物油保持在37℃。将血管支架的打印表面浸入矿物油中。打印机头的移液管装有第一生物墨水。机械臂由控制模块驱动，相应地，打印头根据预定路径移动。打印机头的喷嘴接近血管支架的打印表面上的目标位置。打印机头的喷嘴和打印表面都浸入矿物油中。控制模块控制打印机头的移液管，将第一生物墨水液滴沉积在打印表面的目标位置。第一生物墨水液滴与打印表面之间的亲水性相互作用促使第一生物墨水液滴附着到打印表面。第一生物墨水液滴和矿物油之间的疏水性相互作用进一步促使第一生物墨水液滴附着到打印表面。流体系统在沉积第一生物墨水的同时在血管支架的管状结构内提供第一细胞培养基。流体系统包括泵，该泵用于驱动第一细胞培养基的流动。泵与打印机的控制模块相连。打印机的控制模块控制第一细胞培养基流动的开始和停止，以及第一细胞培养基流过管状结构的流速。在本实施例中，打印过程中第一细胞培养基的流速设置为1ml/min。第一生物墨水中的细胞附着在打印表面上并进一步固定在打印表面上。连接到旋转组件的两个电机驱动旋转组件旋转并诱导血管支架旋转90度。打印机头的喷嘴按照确定的路径依次移动并接近血管支架的打印表面上的下一个目标位置。控制模块控制打印机头的移液管，将另一第一生物墨水液滴沉积在打印表面的下一个目标位置。以类似的方式将一层第一细胞沉积在血管支架的打印表面上。

在沉积第一细胞后，将矿物油从容器和血管支架的打印表面上除去。在容器中加入乙醇以去除容器表面的一些残余矿物油。在容器中加入PBS，将打印的第一细胞浸入血管支架的打印表面，进一步洗去容器表面和血管支架的打印表面上的部分残余矿物油。使用泵除去漂浮在PBS表面上的其他剩余矿物油。然后除去容器中的PBS。

将容器填充有第一细胞培养基，将打印在血管支架的打印表面上的第一细胞浸入第一细胞培养基中。将容器和打印的第一细胞置于生物反应器中。将打印的第一细胞在37℃下以5％的CO₂培养24小时。在培养过程中，流体系统在血管支架的管状结构内提供第一细胞培养基。在本实施例中，在培养过程中，第一细胞培养基的流速设置为1ml/min。在本实施例中，在培养过程中，血管支架以0.2r/min的转速旋转。

在培养过程之后，将容器和打印的第一细胞从生物反应器中取出。从容器和血管支架的打印表面去除第一细胞培养基。将矿物油重新装入容器中，将血管支架的打印表面浸入矿物油中。打印机头的移液管装有第二生物墨水。机械臂由控制模块驱动，相应地，打印机头根据预定路径移动。打印机头的喷嘴接近血管支架的打印表面上的目标位置。打印机头的喷嘴和打印表面都浸入矿物油中。控制模块控制打印机头的移液管，将第二生物墨水液滴滴在打印表面的目标位置。第二生物墨水液滴与打印表面之间的亲水性相互作用促使第二生物墨水液滴附着到打印表面。第二生物墨水液滴与矿物油之间的疏水性相互作用进一步促使第二生物墨水液滴附着到打印表面。在沉积第二生物墨水的同时，流体系统在血管支架的管状结构内提供第二细胞培养基。在本实施例中，打印过程中第二细胞培养基的流速设置为1ml/min。第二生物墨水中的细胞附着在打印表面上并进一步固定在打印表面上。与旋转组件耦合的两个电机驱动旋转组件旋转并诱导血管支架旋转90度。打印机头的喷嘴按照确定的路径依次移动并接近血管支架的打印表面上的下一个目标位置。控制模块控制打印机头的移液管，将另一第二生物墨水液滴沉积在打印表面的下一个目标位置。以类似的方式将一层第二细胞沉积在血管支架的打印的第一细胞上。

在沉积第二细胞后，将矿物油从容器和血管支架的打印表面上除去。在容器中加入乙醇以去除容器表面的一些残余矿物油。在容器中加入PBS，将打印的第二细胞浸入血管支架的打印表面，进一步洗去容器表面和血管支架的打印表面上的部分残余矿物油。使用泵除去漂浮在PBS表面上的其他剩余矿物油。然后除去容器中的PBS。

向容器装入第二细胞培养基，将打印在血管支架的打印表面上的第二细胞浸入第二细胞培养基中。将容器和打印的第二细胞置于生物反应器中。将打印的第二细胞在37℃下培养24小时。在培养过程中，流体系统在血管支架的管状结构内提供第二细胞培养基。在本实施例中，在培养过程中，第二细胞培养基的流速设置为1ml/min。在本实施例中，在培养过程中，血管支架以0.2r/min的转速旋转。

第一细胞的打印、第一细胞的培养、第二细胞的打印和第二细胞的培养的过程至少循环两次。在显微镜下观察每个3D打印循环后获得的培养的第一细胞和第二细胞。当打印的细胞不是宏观的或体积小于1cm3时，基于打印的细胞执行另一个3D打印循环的操作。当打印的细胞体积大于1cm3时，循环3D打印结束，从而获得打印的3D对象。

不同轮次打印后打印细胞的分析

用GFP标记人脑微血管内皮细胞，用红色荧光蛋白(RFP)标记人心肌细胞。标记的人脑微血管内皮细胞和人心肌细胞用于制备生物墨水。根据循环3D打印过程，按照本实施例之前描述的程序，将生物墨水沉积在液体环境中的血管支架上。使用荧光显微镜(Leica荧光显微镜(DMI3000B))在循环3D打印过程的第1、2、4和第6轮后观察血管支架的表面。结果如图22所示。

图22是根据本申请一些实施例所示的循环3D打印过程的第1、2、4和第6轮之后的血管支架的荧光显微镜图像。图22中比例尺的长度为50μm。在第一轮打印后，观察到附着在血管支架上的人脑微血管内皮细胞(绿色)和人心肌细胞(红色)。在第二轮和第四轮打印后，在血管支架上观察到更多附着的人脑微血管内皮细胞和人心肌细胞。在第六轮打印后，观察到打印的生物组分形成的3D结构。这些结果表明，本示例中描述的循环3D打印方法可用于打印3D对象。

对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对本申请进行各种改变和修改。以这种方式，如果本申请的修改和变化在所附权利要求及其等同物的范围内，则本申请可以旨在包括这样的修改和变化。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于阅读此申请后的本领域的普通技术人员来说，上述发明披露仅作为示例，并不构成对本申请的限制。虽然此处并未明确说明，但本领域的普通技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。例如“一个实施例”、“一实施例”、和“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特性。因此，应当强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或以上提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或以上实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域的普通技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的过程、机器、产品或物质的组合，或对其任何新的和有用的改进。因此，本申请的各方面可以完全由硬件、完全由软件(包括固件、常驻软件、微代码等)或组合软件和硬件实现来实现，在本文中可以称为“模块”、“单元”、“组件”、“设备”或“系统”。此外，本申请的各方面可以采用包含在一个或以上计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有在其上包含的计算机可读程序代码。

计算机可读信号介质可以包含一个内含有计算机程序代码的传播数据信号，例如，在基带上或作为载波的一部分。此类传播信号可以有多种形式，包括电磁形式、光形式等或任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通信、传播或传输供使用的程序。包含在计算机可读信号介质上的程序代码可以使用任何合适的介质传输，包括无线、有线、光纤电缆等，或者前述的任何合适的组合。

用于执行本申请的各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或以上编程语言的任意组合编写，包括面向对象的编程语言，例如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，传统的过程编程语言，例如“C”编程语言、VisualBasic、Fortran2003、Perl、COBOL2002、PHP、ABAP，动态编程语言，例如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言。该程序代码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户计算机，或者可以与外部计算机建立连接(例如，通过使用网络服务提供商的网络)或在云计算环境中或作为服务提供，例如，软件服务(SaaS)。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

类似地，应当理解，在本申请的实施例的前述描述中，有时将各种特征组合在单个实施例、图或对其的描述中以简化本申请，有助于理解各种实施例中的一个或以上。然而，本申请的该方法不应被解释为反映所声称的待扫描对象物质需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

Claims (88)

1.一种在液体环境中进行三维(3D)打印的方法，包括：

使用打印机头将生物墨水液滴沉积在基材的打印表面上，所述打印表面浸入液体中，其特征在于，

所述生物墨水液滴与所述打印表面之间的第一相互作用促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上；以及

所述生物墨水液滴与所述液体之间的第二相互作用，进一步促使所述生物墨水液滴附着到所述打印表面上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材包括组织支架。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物墨水液滴包括活的生物组分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物墨水液滴包括多个细胞。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述细胞包括内皮细胞。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内皮细胞包括血管内皮细胞或淋巴内皮细胞，或其任意组合。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述细胞包括心肌细胞、肾细胞、肝细胞、肺细胞、胃细胞、胰腺细胞、胆囊细胞、膀胱细胞、脾细胞、气管细胞、神经细胞、骨细胞或癌症细胞，或其任意组合。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述细胞包括肠细胞、上皮细胞、肌肉细胞、成纤维细胞、分泌细胞、纤毛细胞、脂肪细胞、血细胞或免疫细胞，或其任意组合。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述细胞包括未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一相互作用包括亲水性相互作用。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一相互作用包括极性相互作用。

12.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二相互作用包括疏水性相互作用。

13.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二相互作用包括非极性相互作用。

14.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体包括疏水性液体。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述疏水性液体包括矿物油。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材用于为生物组分提供支撑或用作生物器官的一部分。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材由生物相容性材料制成。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述生物相容性材料是可生物降解的。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括非生物组分或生物组分，或其任意组合。

20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括一种或以上物质，所述物质用于促使所述生物墨水液滴附着到所述基材的所述打印表面上。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述一种或以上物质包括水凝胶。

22.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括多个细胞。

23.根据权利要求1-22中任一项所述的方法，进一步包括：

接收与所述打印表面上的一个或以上目标位置有关的信息；

基于所述信息确定所述打印机头到所述打印表面上的所述一个或以上目标位置的路径；以及

控制所述打印机头基于所述确定的路径依次接近所述一个或以上目标位置。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述打印表面上的所述一个或以上目标位置包括：

第一目标位置和第二目标位置，所述第一目标位置和所述第二目标位置彼此相邻以沉积所述生物墨水；其特征在于，

基于所述打印表面的尺寸或所述生物墨水液滴的尺寸确定所述第一目标位置和所述第二目标位置之间的距离。

25.一种用于打印包括管状结构的对象的方法，包括：

使用打印机头将第一材料沉积在包括具有管状结构的支架的基材上；以及

在将所述第一材料沉积在所述基材上的同时，供给第二材料，所述第二材料是所述管状结构内的流体，其特征在于，

所述支架可被所述第二材料渗透，并用于允许所述第二材料到达所述第一材料；以及

所述第二材料用于增强或保持所述第一材料的活性。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一材料包括一种或以上生物组分。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述一种或以上生物组分包括体细胞、未分化干细胞，分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。

28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括细胞培养基、真实血液、人造血液、内皮细胞或平滑肌细胞，或其任意组合。

29.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述对象包括器官的一部分或全部。

30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述对象包括人造血管。

31.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一材料包括多个活细胞，所述第二材料用于支持所述活细胞的存活，所述第二材料包括细胞培养基、真实血液、人造血液或内皮细胞，或其任意组合。

32.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，包括管状结构的所述对象包括血管支架或血管网络。

33.根据权利要求25-32中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材用于为生物组分提供支撑或用作生物器官的一部分。

34.根据权利要求25-33中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材由生物相容性材料制成。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述生物相容性材料是可生物降解的。

36.根据权利要求25-35中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的打印表面包括非生物组分或生物组分，或其任意组合。

37.根据权利要求25-36中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的打印表面包括一种或以上物质，所述物质用于促使所述第一材料附着到所述基材的所述打印表面上。

38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述一种或以上物质包括水凝胶。

39.根据权利要求25-38中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的打印表面包括多个细胞。

40.根据权利要求25-39中任一项所述的方法，进一步包括：

接收与所述基材的打印表面上的一个或以上目标位置有关的信息；

基于所述信息确定所述打印机头到所述打印表面上的所述一个或以上目标位置的路径；以及

控制所述打印机头基于所述确定的路径依次接近所述一个或以上目标位置。

41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述打印表面上的所述一个或以上目标位置包括：

第一目标位置和第二目标位置，所述第一目标位置和所述第二目标位置彼此相邻以沉积所述生物墨水；其特征在于，

基于所述打印表面的尺寸或所述生物墨水液滴的尺寸确定所述第一目标位置和所述第二目标位置之间的距离。

42.一种用于打印三维(3D)对象的方法，包括：

(a).在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水；

(b).将沉积在所述打印表面上的所述第一细胞在第一细胞培养基中培养第一时间段；

(c).在已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水；

(d).将沉积在所述打印表面上的所述第二细胞在第二细胞培养基中培养第二时间段；以及

(e).重复

并允许沉积的所述第一细胞和所述第二细胞凝聚以形成3D对象。

43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水包括：

在浸没在第一液体中的所述打印表面上沉积包括所述第一细胞的所述第一生物墨水。

44.如根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水，进一步包括：

从沉积在所述打印表面上的所述第一细胞中除去所述第一液体；以及

洗涤沉积在所述打印表面上的所述第一细胞。

45.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，将所述第一液体装入容器中，并且所述方法进一步包括：

用所述容器中的所述第一细胞培养基替换所述第一液体。

46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，所述用所述容器中的所述第一细胞培养基替换所述第一液体包括：

从所述容器中除去所述第一液体和沉积在所述打印表面上的所述第一细胞；

洗涤所述容器和沉积在所述打印表面上的所述第一细胞；以及

将所述第一细胞培养基装入所述容器中。

47.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述在已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水包括：

在第二液体中的已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水。

48.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述在已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水包括：

从沉积在所述打印表面上的所述第二细胞中除去所述第二液体；以及

洗涤沉积在所述打印表面上的所述第二细胞。

49.根据权利要求47所述的方法，其特征在于，将所述第二液体装入容器中，并且所述方法进一步包括：

用所述容器中的所述第二细胞培养基替换所述第二液体。

50.根据权利要求49所述的方法，其特征在于，所述用所述容器中的所述第二细胞培养基替换所述第二液体包括：

从所述容器中除去所述第二液体和沉积在所述打印表面上的所述第二细胞；

洗涤所述容器和沉积在所述打印表面上的所述第二细胞；以及

将所述第二细胞培养基装入所述容器中。

51.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述第一细胞或所述第二细胞包括一种或以上类型的体细胞。

52.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，所述一种或以上类型的体细胞包括第一类体细胞和第二类体细胞，所述第一类体细胞包括内皮细胞，所述第二类体细胞包括心肌细胞、肝细胞、肺细胞、肾细胞、脾细胞、未分化干细胞、中间分化干细胞或终末分化细胞，或其任意组合。

53.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述第一细胞和所述第二细胞包括一种或以上相同类型的细胞。

54.根据权利要求53所述的方法，其特征在于，所述第一细胞的每种类型细胞的百分比与所述第二细胞的对应类型细胞的百分比相同或不同。

55.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述第一细胞和所述第二细胞包括一种或以上不同类型的细胞。

56.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述第一生物墨水或所述第二生物墨水还包括细胞培养基。

57.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，允许沉积的所述第一细胞和所述第二细胞凝聚以形成3D对象包括：

通过将一个或以上血管生成因子引入所述第一细胞培养基中，诱导沉积的所述第一细胞或细胞聚结以形成多个毛细血管。

58.根据权利要求57所述的方法，其特征在于，所述基材包括管状支架，所述多个毛细血管的至少一部分与所述管状支架连接，使得所述第一细胞培养基或所述第二细胞培养基能够通过所述管状支架到达所述多个毛细血管的至少一部分。

59.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述基材包括血管支架或血管网络。

60.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述在基材的打印表面上沉积包括第一细胞的第一生物墨水包括：

在所述血管支架或所述血管网络内供给材料的流体，同时在所述血管支架或所述血管网络上沉积包括所述第一细胞的所述第一生物墨水，其特征在于，

所述血管支架或所述血管网络可被所述细胞培养基渗透，并用于允许

所述细胞培养基到达所述第一细胞。

61.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述将沉积在所述打印表面上的所述第一细胞在第一细胞培养基中培养第一时间段包括：

在培养所述第一细胞的同时在所述血管支架或所述血管网内提供所述第一细胞培养基的流体，其特征在于，

所述血管支架或所述血管网络可被所述第一细胞培养基渗透，并用于允许所述第一细胞培养基到达所述第一细胞。

62.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述在已沉积第一细胞的所述打印表面上沉积包括第二细胞的第二生物墨水包括：

在所述血管支架或所述血管网络内提供材料的流体，同时在所述血管支架或所述血管网络上沉积包括所述第二细胞的所述第二生物墨水，其特征在于，

所述血管支架或所述血管网络可被所述细胞培养基渗透，并用于允许所述细胞培养基到达所述第二细胞。

63.根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述将沉积在所述打印表面上的所述第二细胞在第二细胞培养基中培养第二时间段包括：

在培养所述第二细胞的同时在所述血管支架或所述血管网络内提供所述第二细胞培养基的流体，其特征在于，

所述血管支架或所述血管网络可被所述第二细胞培养基渗，并用于允许所述第二细胞培养基到达所述第二细胞。

64.根据权利要求60或权利要求62所述的方法，其特征在于，所述材料包括细胞培养基、真实血液或人造血液，或其任意组合。

65.根基权利要求42-64中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材用于为生物组分提供支撑或用作生物器官的一部分。

66.根据权利要求42-65中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材由生物相容性材料制成。

67.根据权利要求66所述的方法，其特征在于，所述生物相容性材料是可生物降解的。

68.根据权利要求42-67中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括非生物组分或生物组分，或其任意组合。

69.根据权利要求42-68中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括一种或以上物质，所述一种或以上物质用于促使所述第一材料附着到所述基材的所述打印表面上。

70.根据权利要求69所述的方法，其特征在于，所述一种或以上物质包括水凝胶。

71.根据权利要求42-70中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材的所述打印表面包括多个细胞。

72.根据权利要求42-71中任一项所述的方法，进一步包括：

接收与所述打印表面上的一个或以上目标位置有关的信息；

基于所述信息确定所述打印机头到所述打印表面上的所述一个或以上目标位置的路径；以及

控制所述打印机头基于所述确定的路径依次接近所述一个或以上目标位置。

73.根据权利要求72所述的方法，其特征在于，所述打印表面上的所述一个或多以上目标位置包括：

第一目标位置和第二目标位置，所述第一目标位置和所述第二目标位置彼此相邻以沉积所述生物墨水；其特征在于，

基于所述打印表面的尺寸或所述生物墨水液滴的尺寸确定所述第一目标位置和所述第二目标位置之间的距离。

74.一种用于三维(3D)打印的系统，包括：

一个或以上打印机头，所述一个或以上打印机头用于沉积一种或以上类型的生物墨水；

定位装置，所述定位装置与所述一个或以上打印机头相连，并用于驱动所述一个或以上打印头相对于基材的打印表面移动；

控制模块，被配置为：

控制定位装置，使得所述一个或以上打印机头就位，以在浸没在液体中的所述打印表面上的一个或以上目标位置上沉积生物墨水液滴；

其特征在于，所述液体包括一种材料，所述材料使得所述生物墨水液滴和所述打印表面之间的第一相互作用

促使所述生物墨水液滴附着在所述打印表面上，所述

生物墨水液滴与所述液体的第二次相互作用进一步促进了所述生物墨水液滴在所述打印表面的附着。

75.根据权利要求74所述的系统，还包括容器，所述容器用于容纳所述液体以浸没所述打印表面。

76.根据权利要求74所述的系统，其特征在于，所述第一相互作用包括亲水性相互作用。

77.根据权利要求74所述的系统，其特征在于，所述第二相互作用包括疏水性相互作用，所述液体包括疏水性液体。

78.根据权利要求74所述的系统，其特征在于，所述定位装置包括机械臂。

79.根据权利要求78所述的系统，其特征在于，所述机械臂可围绕多个轴旋转。

80.根据权利要求78所述的系统，所述机械臂是六轴机械臂。

81.根据权利要求78-80中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制模块进一步用于：

通过操作所述定位装置改变所述一个或以上打印机头的轴向，使得所述一个或以上打印机头的轴向与3D空间中的垂直方向不同。

82.根据权利要求74-80中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制模块进一步用于：

接收与所述打印表面上的所述一个或多个目标位置有关的信息；

基于所述信息确定所述一个或以上打印机头到所述打印表面上的所述一个或以上目标位置的路径；以及

控制所述定位装置以驱动一个或以上打印机头基于所述确定的路径依次接近所述一个或以上目标位置。

83.根据权利要求82所述的系统，进一步包括校准组件，所述校准组件用于校准所述一个或以上打印机头的位置。

84.根据权利要求83所述的系统，其特征在于，所述校准组件包括相机或位置传感器，所述位置传感器用于检测所述一个或以上打印机头的所述位置。

85.根据权利要求84所述的系统，其特征在于，所述位置传感器用于基于一个或以上红外线检测所述一个或以上打印机头的所述位置。

86.根据权利要求83或84所述的系统，其特征在于，所述控制模块进一步用于：

从校准组件获取与所述一个或以上打印机头的所述位置相关的信息；

基于所述信息确定所述一个或以上打印机头的所述位置；以及

基于所述确定的位置将所述一个或以上打印机头调整到目标位置或调整所述一个或以上打印机头的所述路径。

87.根据权利要求82所述的系统，其特征在于，所述一个或以上打印机头的所述路径是空间曲线。

88.根据权利要求74-87中任一项所述的系统，其特征在于，所述打印表面是3D空间中的曲面。

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