CN114559661A - 基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法及系统 - Google Patents

基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法及系统。方法包括：S1、构建圆柱形结构模型；S2、采用挤压式生物3D打印机对圆柱形结构模型进行切片；S3、采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；S4、以圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω；S5、重复步骤S3‑S4多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数。本发明以一个圆柱形结构模型为对象，使用较少的材料与较简单的模型得到最优的打印参数，从而为后续各种复杂结构保持较高的打印质量奠定基础。

Description

基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法及系统
技术领域
本发明涉及材料技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法。
背景技术
随着组织工程和再生医学的不断发展，科研人员希望在体外重构出三维组织/器官，生物3D打印作为一种能够精确模拟器官及组织内部结构的模型策略显得尤为重要。其中，挤压式生物3D打印是应用最为广泛的生物3D打印方法。在挤出式打印过程中，打印机通过连续挤出力可以挤出不间断的细丝，通过增大压强可以打印不同黏度的生物材料和不同浓度的细胞，由此可以制造出强度较好的组织结构。用于生物3D打印的材料属于软体材料(比如水凝胶)，当打印细长型结构或如心脏、肝脏这类精度要求高的结构时，不合理的打印参数会使打印的结构精度较低，结构较为粗糙。目前针对挤出式生物3D打印方式所形成结构的打印质量测量研究较少。因此，有必要开发一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，包括以下步骤：
S1、构建圆柱形结构模型；
S2、将所述圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机的切片工具对所述圆柱形结构模型进行切片；
S3、采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出所述圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；
S4、以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％；
S5、重复步骤S3-S4多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数。
进一步地，所述步骤S3中挤出式生物3D打印机所采用的打印材料为凝胶材料。
进一步地，所述步骤S3中挤出式生物3D打印机在平台上进行打印。
进一步地，所述步骤S3中的打印参数为喷嘴顶端保持在平台上方的距离、喷嘴平移速度、打印压强、喷嘴类型和材料的凝胶时间。
进一步地，所述步骤S4中以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择10个位置测量该圆柱形结构的高度。
进一步地，所述步骤S5中重复步骤S3-S4的次数为3次。
本发明还提供一种根据上述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法的系统，包括：
构建模块，用于构建圆柱形结构模型；
切片模块，用于将所述圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机的切片工具对所述圆柱形结构模型进行切片；
打印模块，用于采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出所述圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；
计算模块，用于以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％；
判断选择模块，用于打印模块和计算模块中的步骤多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数；
所述构建模块、切片模块、打印模块、计算模块和判断选择模块依次连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，以一个圆柱形结构模型为对象，使用较少的材料和较为简单的模型得到最优的打印参数，从而为后续各种复杂结构保持较高的打印质量奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法的流程图。
图2中2a是本发明中圆柱形结构模型的示意图，2b是圆柱形结构模型切片示意图。
图3是本发明基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法的示意图。
图4是本发明用于挤压式生物3D打印结构打印质量测定系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一
参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，包括以下步骤：
步骤S1、构建圆柱形结构模型，如图2a所示，圆柱形结构模型的半径为r，高度为h。从理论上讲，如果所设置的打印参数的打印精度足够高，则最高一层截面任意一点位置的高度应是一致的。
步骤S2、将圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机对所述圆柱形结构模型进行切片，如图2b所示。
步骤S3、采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构。
具体的，所述的挤出式生物3D打印机是在平台上进行打印的，平台可以为塑料或金属平台，所采用的打印材料为凝胶材料，比如：明胶，海藻酸钠等凝胶材料。这些材料属于软物质材料，当设定的打印参数不合理时打印完成的结构可能会出现打印结构精度较低，结构较为粗糙的问题，打印参数为喷嘴顶端保持在平台上方的距离、喷嘴平移速度、打印压强、喷嘴类型和材料的凝胶时间。
步骤S4、以圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％。
具体的，本实施例中以圆柱形结构的最上层为起点任意选择10个位置测量该圆柱形结构的高度hi，平均值H、标准差SD和半定量化参数的计算公式如下：
H＝(∑hi)/10，i＝1，；...10
SD＝{[∑(hi-H)；]/10}^(1/2)
Ω＝(SD/H)×100％
S5、重复步骤S3-S4多次，本实施例选择3次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数。
下面具体来介绍本实施例的方法，将准备好的打印材料放到27号锥形/圆柱形针咀(针咀尺寸类型有多种，比如23，25，27号等多种型号，每组型号还分为圆锥形或圆柱形针咀)的10cc针筒用于气动挤出，在室温下凝胶时间t＝30min(范围可在20-120min，但凝胶时间越久，越难挤出，需要的压强越大，打印精度越低)。对打印机设定好相关参数(包括压强P、喷嘴距离平台的高度h等)。以压强100Kpa，喷嘴顶端保持在平台上方0.4mm，6mm/s平移速度为例，打印得到所设计的圆柱体结构。
打印完成后，以最上层为起点，任选10个位置测量圆柱体结构的高度，取平均值H和标准差SD。将标准差SD除以均值H，并进行归一化，得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％。每组实验至少重复3次。半定量化参数Ω越小，则各点高度趋于一致，打印精度越高，选择半定量化参数Ω最小的打印参数以便于后续结构复杂的打印。
实施例二
参阅图4所示，本发明还提供一种根据上述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法的系统，包括：构建模块1，用于构建圆柱形结构模型；切片模块2，用于将所述圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机的切片工具对所述圆柱形结构模型进行切片；打印模块3，用于采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出所述圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；计算模块4，用于以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％；判断选择模块5，用于打印模块和计算模块中的步骤多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数；其中，构建模块1、切片模块2、打印模块3、计算模块4和判断选择模块5依次连接。
本发明以一个圆柱形结构模型为对象，使用较少的材料得到最优的打印参数，从而为后续建立各种复杂结构的同时保持较高的打印质量和打印精度奠定基础。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建圆柱形结构模型；
S2、将所述圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机的切片工具对所述圆柱形结构模型进行切片；
S3、采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出所述圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；
S4、以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％；
S5、重复步骤S3-S4多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数。
2.根据权利要求2所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中挤出式生物3D打印机所采用的打印材料为凝胶材料。
3.根据权利要求1所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中挤出式生物3D打印机在平台上进行打印。
4.根据权利要求1所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，所述步骤S3中的打印参数为喷嘴顶端保持在平台上方的距离、喷嘴平移速度、打印压强、喷嘴类型和材料的凝胶时间。
5.根据权利要求1所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，所述步骤S4中以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择10个位置测量该圆柱形结构的高度。
6.根据权利要求1所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法，其特征在于，所述步骤S5中重复步骤S3-S4的次数为3次。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于气动挤出式生物打印结构打印精度评价方法的系统，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建圆柱形结构模型；
切片模块，用于将所述圆柱形结构模型导入至挤压式生物3D打印机中，采用挤压式生物3D打印机的切片工具对所述圆柱形结构模型进行切片；
打印模块，用于采用挤出式生物3D打印机在设定的打印参数条件下打印出所述圆柱形结构模型所对应的圆柱形结构；
计算模块，用于以所述圆柱形结构的最上层为起点任意选择多个位置测量该圆柱形结构的高度，取其平均值H和标准差SD，将标准差SD除以平均值H并进行归一化得到半定量化参数Ω＝(SD/H)*100％；
判断选择模块，用于打印模块和计算模块中的步骤多次，在多个半定量化参数Ω中选择最小的半定量化参数Ω所对应的打印参数；
所述构建模块、切片模块、打印模块、计算模块和判断选择模块依次连接。
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