CN115416283A - 针对皮肤表皮层模型的生物3d打印制备系统及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统及3D打印方法，系统包括生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置等；生物墨水存储装置包括上下多层生物墨水存储结构，每层生物墨水存储结构均对应包括生物墨水存储机架、第一丝杠步进电机、直线导轨等；生物墨水提取装置包括提取装置固定架、第二丝杠步进电机、注射器筒体等；四轴龙门模组装置包括X轴模组、双Y轴模组、Z轴模组。本发明能实现使用注射器按需、快速的提取生物3D打印当中需要的生物墨水，并将墨水输送至目标位置，进行皮肤表皮层生物模型的构建；还可实现自动化提取打印皮肤表皮层药筛模型的生物墨水，并实现自动化、高通量皮肤表皮层药筛模型的打印。

Description

针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统及3D打印方法

技术领域

本发明涉及机械制造和生物制造技术领域，更具体地说，涉及一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统及3D打印方法。

背景技术

3D打印技术(增量制造技术)是近年来发展起来的一种新型机械制造技术，也是生物制造领域的一种新兴技术，为组织工程学提供了有利的办法。组织工程是目前较为热门的一门交叉学科，其目的主要有两个，一是构建体外组织模型用于病理研究或构建用于药物筛选的体外生物模型，二是构建能够用于人体移植的器官。但目前的组织工程技术尚处于实验室阶段(利用生物3D打印作为实现途径)。

自然界中复杂的生物组织都是自下而上组装起来的，需要不同细胞的共同作用，同时不同区域的细胞种类和细胞浓度也存在差异。为了满足利用生物3D打印技术打印的组织器官，不仅要与自然人体生物组织形状相似，同时需要有与自然人体生物组织的相似功能。组织器官的功能实现依赖于不同细胞间相互的信息交流。

在对于人体皮肤组织的研究中，将人体自然皮肤组织分为表皮层、真皮层、皮下组织，表皮层由角质形成细胞、黑色素细胞、层黏连蛋白、纤维连接蛋白、Merke l细胞等组成，其中角质形成细胞的作用是防止病原体、热、紫外辐射和水分流失对皮肤环境的破坏，是构成皮肤组织表皮层的主要功能细胞。一般采用角质形成细胞及其胶原来构建简单的皮肤表皮层组织模型。

目前构建皮肤表皮层组织模型时，一般采用商用的生物3D打印机，但是无论采用单喷头的生物3D打印机还是多墨盒生物3D打印机，每次只能在打印机的打印平台上，构建一个生物组织模型，而用作药筛的皮肤组织模型，往往需要测试不同药物及其不同浓度的组合对于皮肤表皮层组织的影响，因此在进行药物筛选时，需要很多的相同的皮肤表皮层组织模型。并且利用商用的生物3D打印机，构建完成皮肤表皮层组织模型，需要将皮肤模型转移至培养皿中进行药物筛选。利用人工从生物3D打印平台至培养皿的过程，需要保证在转移过程中，不破坏皮肤表皮层的3D结构，需要耗费很大的人力。

皮肤表皮层模型的打印的具体工艺过程：

1.通过3D建模软件，对皮肤表皮层结构进行建模，得到STL模型文件，然后通过前置系统处理后生成打印路径文件，并得到成形的G代码；

2.选择打印皮肤表皮层模型的生物墨水，分别按照合适的比例配置成溶液，制成备用；

3.将材料加入生物3D打印系统喷头的无菌注射器中，利用计算机的控制软件，控制喷头的挤压/喷射运动；

4.在生物3D打印机的打印平台上，将按需从喷头中挤出的各种生物墨水材料相互黏连在一起，最终生成具有生物活性的皮肤表皮层生物3D打印模型。

为了使得打印的组织器官具有人体自然生物组织相似的的功能，则生物3D打印系统所用的生物墨水，包括组成人体自然组织的多细胞群、生长因子、营养物质及适合组织打印的基质生物材料。

目前利用生物3D打印系统时，生物墨水的选择与提取一般都是通过人工操作注射器来完成提取，然后加入到生物3D打印系统的墨盒当中，最后利用生物3D打印机来完成生物组织的打印。但是当构建复杂的生物组织模型时，打印过程中需要用到的生物墨水种类很多，采用人工提取所需的生物墨水的方法，效率低下，并且重复操作容易造成工作人员的疲劳。

而且，目前利用生物3D打印技术在构建复杂生物组织模型之前，需要专业的工作人员识别各种所需的生物墨水，并且将打印所需生物墨水按需添加到生物3D打印机的各个墨盒当中，并且在提取不同的生物墨水时，为了避免不同生物墨水之间交叉污染，每当提取一次打印所需的生物墨水时，都需要更换不同的注射器，或者在特定的清洗结构中，对注射器进行清洗，操作步骤十分繁杂。

发明内容

本发明的目的是针对目前已有技术存在的缺陷，提供一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统及3D打印方法，其具体技术方案如下：

一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，包括生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置、控制系统；

生物墨水存储装置包括上下多层生物墨水存储结构，每层生物墨水存储结构均对应包括生物墨水存储机架、第一丝杠步进电机、直线导轨、直线导轨滑块、孔板卡槽、存储标准孔板、第一丝杠步进电机螺母，多层生物墨水存储机架通过两侧竖杆实现上下连接；在每一层生物墨水存储结构中，直线导轨固定在生物墨水存储机架上，直线导轨上配合滑动安装有直线导轨滑块；孔板卡槽的底面与直线导轨滑块相固定，顶面与存储标准孔板配合固定；第一丝杠步进电机水平安装在生物墨水存储机架上，且第一丝杠步进电机的电机轴上配合安装的第一丝杠步进电机螺母与孔板卡槽相连接；控制系统控制第一丝杠步进电机旋转推动第一丝杠步进电机螺母，进而带动孔板卡槽以及存储标准孔板实现推出及回收运动；

生物墨水提取装置包括提取装置固定架、第二丝杠步进电机、注射器筒体、注射器活塞、注射器针头、第二丝杠步进电机螺母，第二丝杠步进电机固定在提取装置固定架的上端，且其电机轴朝下设置；第二丝杠步进电机的电机轴上配合安装的第二丝杠步进电机螺母与注射器活塞相连接，注射器筒体配合套装于注射器活塞外部，且注射器筒体与提取装置固定架相连接；控制系统控制第二丝杠步进电机旋转推动第二丝杠步进电机螺母，进而带动注射器活塞实现注射器的吸取及挤出运动；注射器筒体的下方连接有注射器针头；

四轴龙门模组装置包括X轴模组、双Y轴模组、Z轴模组，双Y轴模组包括平行设置且同步运动的两个Y轴模组，X轴模组的两端分别与两个Y轴模组上的Y轴滑块相连接；Z轴模组连接X轴模组上的X轴滑块，Z轴模组上的Z轴滑块连接生物墨水提取装置中的提取装置固定架；X轴模组、双Y轴模组、Z轴模组均由各自对应的伺服电机驱动，且伺服电机由控制系统进行控制；

生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置整体安装于一平台上，该平台上还设置有清洗槽以及安装收集目标孔板的安装卡槽；通过四轴龙门模组装置控制的生物墨水提取装置能够对应运动至清洗槽、收集目标孔板以及相应存储标准孔板的上方。

通过采用上述技术方案，本发明一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统包括生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置、控制系统，生物墨水存储装置采用存储标准孔板，储存打印皮肤表皮层生物墨水；生物墨水提取装置设置在四轴龙门模组装置的Z轴滑块上，随四轴龙门模组装置的Z轴滑块上下移动；生物墨水提取装置主要由丝杠步进电机与无菌注射器组成，通过丝杠步进电机控制无菌注射器完成生物墨水的吸取或挤出工作。本发明结合皮肤表皮层模型生物3D打印工艺，实现了针对皮肤表皮层药筛模型的高通量生物3D打印。本发明提供的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，能实现使用注射器按需、快速的提取生物3D打印当中需要的生物墨水，并将墨水输送至目标位置，进行皮肤表皮层生物模型的构建；还可实现自动化提取打印皮肤表皮层药筛模型的生物墨水，并实现自动化、高通量皮肤表皮层药筛模型的打印。

优选地，直线导轨、直线导轨滑块、孔板卡槽以及存储标准孔板均对应设有多个且数量一致，多个直线导轨排列固定在生物墨水存储机架上，多个孔板卡槽的底面与对应的直线导轨滑块相固定，且相邻两孔板卡槽之间相互连接；存储标准孔板通过过渡配合固定在对应的孔板卡槽上；孔板卡槽包括普通孔板卡槽和带角码结构孔板卡槽，带角码结构孔板卡槽上的角码结构与对应的第一丝杠步进电机螺母通过螺丝、螺母锁紧连接。

优选地，直线导轨的两端还安装有导轨滑块限位块。

优选地，生物墨水提取装置还包括注射器活塞夹具、注射器活塞夹具盖、注射器筒体夹具、注射器筒体夹具盖；注射器筒体夹具的外侧面上设置有能够适配容置注射器筒体的凹槽，注射器筒体夹具盖通过螺丝或螺母套固定在注射器筒体夹具上，以对位于凹槽内的注射器筒体夹固，实现注射器筒体的周向与轴向固定；注射器筒体夹具远离注射器筒体夹具盖的一侧与提取装置固定架相固连，第二丝杠步进电机的电机轴伸入注射器筒体夹具的内腔之中；注射器活塞夹具的其中一端与第二丝杠步进电机螺母连接，另外一端与注射器活塞的上端连接，注射器活塞夹具盖通过螺丝或螺母套固定在注射器活塞夹具上，以对注射器活塞的上端夹固，实现注射器活塞的周向与轴向固定；第二丝杠步进电机通过正反转，控制与第二丝杠步进电机螺母固连的注射器活塞夹具上下运动，进而带动注射器活塞上下运动，实现注射器的吸取及挤出运动。

优选地，控制系统通过其中的PLC控制器来控制生物墨水存储装置中的第一丝杠步进电机、生物墨水提取装置中的第二丝杠步进电机和四轴龙门模组装置中的伺服电机运动；PLC控制器由PC端软件通讯控制，PC端软件控制该高通量生物3D打印制备系统自动化按需提取，并将生物墨水转移至收集目标孔板上。

优选地，高通量生物3D打印制备系统工作前，需对生物墨水存储装置中的各种生物墨水进行坐标定位。

本发明还提供了一种根据上述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统进行皮肤表皮层模型的生物3D打印方法，包括如下操作步骤：

a.在制备皮肤表皮层生物3D打印模型之前，通过三维建模软件构建皮肤表皮层模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将打印皮肤表皮层模型所需的生物3D打印墨水，分别装载在生物墨水存储装置的存储标准孔板当中；

c.根据生物墨水存储装置存储标准孔板上的坐标位置，将构建皮肤表皮层模型所需的各种生物墨水，进行坐标定位；

d.将打印所需的各种生物墨水在存储标准孔板上的坐标位置文件，传输到计算机控制软件中；

e.运行计算机控制软件，利用四轴龙门模组装置带动生物墨水提取装置按需从生物墨水存储装置中吸取所需的生物墨水，并将提取的生物墨水传送至收集目标孔板位置；

f.运行计算机控制软件中构建皮肤表皮层模型的G代码，生物墨水提取装置中的第二丝杠步进电机运动，按需有序的挤出注射器中的生物墨水，构建皮肤表皮层模型；

g.当皮肤模型中的结构打印完成，运行计算机控制软件，将生物墨水提取装置运动至清洗槽，将注射器清洗干净，根据所需生物墨水的坐标位置，计算机控制系统自动定位，并控制生物墨水提取装置，提取目标生物墨水,并控制四轴龙门模组装置将生物墨水运输至收集目标孔板位置；

h.继续运行构建皮肤表皮层模型的G代码，在之前构建的底层皮肤表皮层模型结构上，继续打印皮肤表皮层模型；

i.重复上述步骤g、步骤h，直至皮肤表皮层模型构建打印完成。

与现有技术相比，本发明系统及方法具有以下有益效果：

1.本发明采用存储标准孔板储存生物墨水，并对生物墨水进行坐标定位，可以实现自动化提取生物墨水。

2.本发明直接将皮肤表皮层模型打印至收集目标孔板结构中，取代了将打印的模型转移至培养皿中才能进行药物筛选的过程。

3.本发明中生物墨水提取装置的设置，取代了人工加注生物墨水的过程，提高了打印皮肤表皮层模型的效率。

4.本发明可以实现皮肤表皮层模型高通量、自动化的打印。

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做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1-3为本发明提供的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统的结构示意图。

图4为单层生物墨水存储结构的轴测图。

图5为单层生物墨水存储结构的侧视图。

图6为生物墨水提取装置的结构示意图。

图7为本发明提供的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统的控制流程图。

图8为注射器活塞夹具的结构示意图。

图中：1-生物墨水存储装置，2-生物墨水提取装置，3-四轴龙门模组装置，4-生物墨水存储机架，5-第一丝杠步进电机，6-直线导轨，7-直线导轨滑块，8-存储标准孔板，9-第一丝杠步进电机螺母，10-丝杠步进电机固定座，11-普通孔板卡槽，12-带角码结构孔板卡槽，13-导轨滑块限位块，14-提取装置固定架，15-第二丝杠步进电机，16-注射器筒体，17-注射器活塞，18-注射器针头，19-螺丝或螺母套，20-注射器活塞夹具，21-注射器活塞夹具盖，22-注射器筒体夹具，23-注射器筒体夹具盖，24-X轴模组，25-双Y轴模组，26-Z轴模组，27-Z轴滑块，28-伺服电机，29-清洗槽，30-收集目标孔板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：

如图1-6所示，本发明一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，包括生物墨水存储装置1、生物墨水提取装置2、四轴龙门模组装置3、控制系统。

如图4、图5所示，生物墨水存储装置1包括上下多层生物墨水存储结构，本发明具体实施例中为多层生物墨水存储结构，每层生物墨水存储结构均对应包括生物墨水存储机架4、第一丝杠步进电机5、直线导轨6、直线导轨滑块7、孔板卡槽、存储标准孔板8、第一丝杠步进电机螺母9，多层生物墨水存储机架4通过两侧竖杆实现上下连接，生物墨水存储机架4以及竖杆均使用标准的欧标铝型材。在每一层生物墨水存储结构中，直线导轨6通过螺丝与T形螺母固定在生物墨水存储机架4上，直线导轨6上配合滑动安装有直线导轨滑块7，直线导轨6的两端还通过螺丝固定安装有导轨滑块限位块13；孔板卡槽的底面与直线导轨滑块7相固定，顶面与存储标准孔板8配合固定；第一丝杠步进电机5水平安装在丝杠步进电机固定座10上，丝杠步进电机固定座10通过螺丝与T形螺母固定在生物墨水存储机架4上，且第一丝杠步进电机5的电机轴上配合安装的第一丝杠步进电机螺母9与孔板卡槽相连接；控制系统控制第一丝杠步进电机5旋转推动第一丝杠步进电机螺母9，进而带动孔板卡槽以及存储标准孔板8实现推出及回收运动。

更进一步的，直线导轨6、直线导轨滑块7、孔板卡槽以及存储标准孔板8均对应设有多个且数量一致，在本发明具体实施例中，直线导轨6、直线导轨滑块7、孔板卡槽以及存储标准孔板8的数量均为五组。五个直线导轨6排列固定在生物墨水存储机架4上，五个孔板卡槽的底面与对应的直线导轨滑块7相固定，且相邻两孔板卡槽之间通过螺母相互连接；存储标准孔板8通过过渡配合固定在对应的孔板卡槽上；孔板卡槽包括三个普通孔板卡槽11和两个带角码结构孔板卡槽12，带角码结构孔板卡槽12上的角码结构与对应的第一丝杠步进电机螺母9通过螺丝、螺母锁紧连接。

如图6、图8所示，生物墨水提取装置2包括提取装置固定架14、第二丝杠步进电机15、注射器筒体16、注射器活塞17、注射器针头18、第二丝杠步进电机螺母，第二丝杠步进电机15通过六角螺丝固定在提取装置固定架14的上端，且其电机轴朝下设置；第二丝杠步进电机15的电机轴上配合安装的第二丝杠步进电机螺母与注射器活塞17相连接，注射器筒体16配合套装于注射器活塞17外部，且注射器筒体16与提取装置固定架14相连接；控制系统控制第二丝杠步进电机15旋转推动第二丝杠步进电机螺母，进而带动注射器活塞17实现注射器的吸取及挤出运动；注射器筒体16的下方连接有注射器针头18。

进一步的，生物墨水提取装置还包括注射器活塞夹具20、注射器活塞夹具盖21、注射器筒体夹具22、注射器筒体夹具盖23；注射器筒体夹具22的外侧面上设置有能够适配容置注射器筒体16的凹槽，注射器筒体16可初步固定在该凹槽内，然后将注射器筒体夹具盖23通过螺丝或螺母套19固定在注射器筒体夹具22上，以对位于凹槽内的注射器筒体16夹固，实现注射器筒体16的周向与轴向固定；注射器筒体夹具22远离注射器筒体夹具盖23的一侧与提取装置固定架14通过六角螺丝螺母相固连，第二丝杠步进电机15的电机轴伸入注射器筒体夹具22的内腔之中；注射器活塞夹具20的其中一端与第二丝杠步进电机15螺母连接，另外一端与注射器活塞17的上端连接，将注射器活塞夹具盖21通过螺丝或螺母套19固定在注射器活塞夹具20上，以对注射器活塞17的上端夹固，实现注射器活塞17的周向与轴向固定。

本发明通过控制第二丝杠步进电机15正反转，从而实现控制与第二丝杠步进电机15螺母固连的注射器活塞夹具20上下运动，进而带动注射器活塞17上下运动，实现注射器的吸取及挤出运动，完成生物墨水的吸取与挤出工作。

四轴龙门模组装置3包括X轴模组24、双Y轴模组25、Z轴模组26，双Y轴模组25包括平行设置且同步运动的两个Y轴模组，X轴模组24的两端分别与两个Y轴模组上的Y轴滑块相连接；Z轴模组26连接X轴模组24上的X轴滑块，Z轴模组26上的Z轴滑块27上通过螺钉固定连接生物墨水提取装置2中的提取装置固定架14，通过控制四轴龙门模组装置3上的Z轴滑块27的运动，带动生物墨水提取装置2的整体移动；X轴模组24、双Y轴模组25、Z轴模组26均由各自对应的伺服电机28驱动，且伺服电机28由控制系统进行控制。

生物墨水存储装置1、生物墨水提取装置2、四轴龙门模组装置3整体安装于一平台上，该平台上还设置有清洗槽29以及安装收集目标孔板30的安装卡槽；通过四轴龙门模组装置3控制的生物墨水提取装置2能够对应运动至清洗槽29、收集目标孔板30以及相应存储标准孔板8的上方。

本发明通过第二丝杠步进电机15带动注射器活塞17上下运动，将生物墨水吸取到注射器筒体16内；最后通过四轴龙门模组装置3，将提取完成生物墨水的无菌注射器，转移到目标位置，并将注射器中的生物墨水按需挤出到目标位置的孔板中。当无菌注射器中的生物墨水全部挤出之后，通过四轴龙门模组装置3将生物墨水提取装置2的无菌注射器转移至清洗槽29位置，通过反复多次吸取挤出清洗槽29中的水，将无菌注射器清洗干净之后，进行下一次生物墨水的提取工作。

本发明中的控制系统通过其中的PLC控制器来控制生物墨水存储装置1中的第一丝杠步进电机5、生物墨水提取装置2中的第二丝杠步进电机15和四轴龙门模组装置3中的伺服电机28运动；PLC控制器由PC端软件通讯控制，从而实现该系统中生物墨水存储装置1、生物墨水提取装置2、四轴龙门模组装置3的自动化协同工作，PC端软件控制该高通量生物3D打印制备系统自动化按需提取，并将生物墨水转移至收集目标孔板30上，故在系统工作前，需对生物墨水存储装置1中的各种生物墨水进行坐标定位。

参考图7所示本发明系统的控制流程流图，利用本发明上述针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统进行皮肤表皮层模型的生物3D打印方法，包括如下操作步骤：

a.在制备皮肤表皮层生物3D打印模型之前，通过三维建模软件构建皮肤表皮层模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将打印皮肤表皮层模型所需的生物3D打印墨水，分别装载在生物墨水存储装置的存储标准孔板当中；

c.根据生物墨水存储装置存储标准孔板上的坐标位置，将构建皮肤表皮层模型所需的各种生物墨水，进行坐标定位；

d.将打印所需的各种生物墨水在存储标准孔板上的坐标位置文件，传输到计算机控制软件中；

e.运行计算机控制软件，利用四轴龙门模组装置带动生物墨水提取装置按需从生物墨水存储装置中，吸取所需的生物墨水，并将提取的生物墨水传送至收集目标孔板位置；

f.运行计算机控制软件中构建皮肤表皮层模型的G代码，生物墨水提取装置中的第二丝杠步进电机运动，按需有序的挤出注射器中的生物墨水，构建皮肤表皮层模型；

g.当皮肤模型中的结构打印完成，运行计算机控制软件，将生物墨水提取装置运动至清洗槽，将注射器清洗干净，根据所需生物墨水的坐标位置，计算机控制系统自动定位，并控制生物墨水提取装置，提取目标生物墨水,并控制四轴龙门模组装置将生物墨水运输至收集目标孔板位置；

h.继续运行构建皮肤表皮层模型的G代码，在之前构建的底层皮肤表皮层模型结构上，继续打印皮肤表皮层模型；

i.重复上述步骤g、步骤h，直至皮肤表皮层模型构建打印完成。

本发明的机械部分由生物墨水存储装置1、生物墨水提取装置2、四轴龙门模组装置3三部分组成，该系统由PLC控制，通过第一丝杠步进电机5控制生物墨水储存装置的运动，生物墨水提取装置2设置在四轴龙门模组装置3的Z轴滑块27上，通过第二丝杠步进电机15带动注射器完成吸取/挤出运动，最后通过伺服电机28控制四轴龙门模组运动完成生物墨水的提取，并将提取的生物墨水打印到收集目标孔板30上。本发明系统利用生物墨水存储装置1、生物墨水提取装置2、四轴龙门模组装置3、控制系统，综合实现了皮肤表皮层药筛模型的高通量生物3D打印系统。该系统具有结构简单可靠、运动精度高、自动化程度高、易控制、可实现高通量打印等优点，适用于组织工程中皮肤表皮层药筛模型的自动化、高通量打印。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，包括生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置、控制系统；

生物墨水存储装置包括上下多层生物墨水存储结构，每层生物墨水存储结构均对应包括生物墨水存储机架、第一丝杠步进电机、直线导轨、直线导轨滑块、孔板卡槽、存储标准孔板、第一丝杠步进电机螺母，多层生物墨水存储机架通过两侧竖杆实现上下连接；在每一层生物墨水存储结构中，直线导轨固定在生物墨水存储机架上，直线导轨上配合滑动安装有直线导轨滑块；孔板卡槽的底面与直线导轨滑块相固定，顶面与存储标准孔板配合固定；第一丝杠步进电机水平安装在生物墨水存储机架上，且第一丝杠步进电机的电机轴上配合安装的第一丝杠步进电机螺母与孔板卡槽相连接；控制系统控制第一丝杠步进电机旋转推动第一丝杠步进电机螺母，进而带动孔板卡槽以及存储标准孔板实现推出及回收运动；

生物墨水提取装置包括提取装置固定架、第二丝杠步进电机、注射器筒体、注射器活塞、注射器针头、第二丝杠步进电机螺母，第二丝杠步进电机固定在提取装置固定架的上端，且其电机轴朝下设置；第二丝杠步进电机的电机轴上配合安装的第二丝杠步进电机螺母与注射器活塞相连接，注射器筒体配合套装于注射器活塞外部，且注射器筒体与提取装置固定架相连接；控制系统控制第二丝杠步进电机旋转推动第二丝杠步进电机螺母，进而带动注射器活塞实现注射器的吸取及挤出运动；注射器筒体的下方连接有注射器针头；

四轴龙门模组装置包括X轴模组、双Y轴模组、Z轴模组，双Y轴模组包括平行设置且同步运动的两个Y轴模组，X轴模组的两端分别与两个Y轴模组上的Y轴滑块相连接；Z轴模组连接X轴模组上的X轴滑块，Z轴模组上的Z轴滑块连接生物墨水提取装置中的提取装置固定架；X轴模组、双Y轴模组、Z轴模组均由各自对应的伺服电机驱动，且伺服电机由控制系统进行控制；

生物墨水存储装置、生物墨水提取装置、四轴龙门模组装置整体安装于一平台上，该平台上还设置有清洗槽以及安装收集目标孔板的安装卡槽；通过四轴龙门模组装置控制的生物墨水提取装置能够对应运动至清洗槽、收集目标孔板以及相应存储标准孔板的上方。

2.根据权利要求1所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，直线导轨、直线导轨滑块、孔板卡槽以及存储标准孔板均对应设有多个且数量一致，多个直线导轨排列固定在生物墨水存储机架上，多个孔板卡槽的底面与对应的直线导轨滑块相固定，且相邻两孔板卡槽之间相互连接；存储标准孔板通过过渡配合固定在对应的孔板卡槽上；孔板卡槽包括普通孔板卡槽和带角码结构孔板卡槽，带角码结构孔板卡槽上的角码结构与对应的第一丝杠步进电机螺母通过螺丝、螺母锁紧连接。

3.根据权利要求2所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，直线导轨的两端还安装有导轨滑块限位块。

4.根据权利要求1所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，生物墨水提取装置还包括注射器活塞夹具、注射器活塞夹具盖、注射器筒体夹具、注射器筒体夹具盖；注射器筒体夹具的外侧面上设置有能够适配容置注射器筒体的凹槽，注射器筒体夹具盖通过螺丝或螺母套固定在注射器筒体夹具上，以对位于凹槽内的注射器筒体夹固，实现注射器筒体的周向与轴向固定；注射器筒体夹具远离注射器筒体夹具盖的一侧与提取装置固定架相固连，第二丝杠步进电机的电机轴伸入注射器筒体夹具的内腔之中；注射器活塞夹具的其中一端与第二丝杠步进电机螺母连接，另外一端与注射器活塞的上端连接，注射器活塞夹具盖通过螺丝或螺母套固定在注射器活塞夹具上，以对注射器活塞的上端夹固，实现注射器活塞的周向与轴向固定；第二丝杠步进电机通过正反转，控制与第二丝杠步进电机螺母固连的注射器活塞夹具上下运动，进而带动注射器活塞上下运动，实现注射器的吸取及挤出运动。

5.根据权利要求1所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，控制系统通过其中的PLC控制器来控制生物墨水存储装置中的第一丝杠步进电机、生物墨水提取装置中的第二丝杠步进电机和四轴龙门模组装置中的伺服电机运动；PLC控制器由PC端软件通讯控制，PC端软件控制该高通量生物3D打印制备系统自动化按需提取，并将生物墨水转移至收集目标孔板上。

6.根据权利要求5所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统，其特征在于，高通量生物3D打印制备系统工作前，需对生物墨水存储装置中的各种生物墨水进行坐标定位。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的针对皮肤表皮层模型的生物3D打印制备系统进行皮肤表皮层模型的生物3D打印方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

a.在制备皮肤表皮层生物3D打印模型之前，通过三维建模软件构建皮肤表皮层模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将打印皮肤表皮层模型所需的生物3D打印墨水，分别装载在生物墨水存储装置的存储标准孔板当中；

c.根据生物墨水存储装置存储标准孔板上的坐标位置，将构建皮肤表皮层模型所需的各种生物墨水，进行坐标定位；

d.将打印所需的各种生物墨水在存储标准孔板上的坐标位置文件，传输到计算机控制软件中；

e.运行计算机控制软件，利用四轴龙门模组装置带动生物墨水提取装置按需从生物墨水存储装置中，吸取所需的生物墨水，并将提取的生物墨水传送至收集目标孔板位置；

f.运行计算机控制软件中构建皮肤表皮层模型的G代码，生物墨水提取装置中的第二丝杠步进电机运动，按需有序的挤出注射器中的生物墨水，构建皮肤表皮层模型；

g.当皮肤模型中的结构打印完成，运行计算机控制软件，将生物墨水提取装置运动至清洗槽，将注射器清洗干净，根据所需生物墨水的坐标位置，计算机控制系统自动定位，并控制生物墨水提取装置，提取目标生物墨水,并控制四轴龙门模组装置将生物墨水运输至收集目标孔板位置；

h.继续运行构建皮肤表皮层模型的G代码，在之前构建的底层皮肤表皮层模型结构上，继续打印皮肤表皮层模型；

i.重复上述步骤g、步骤h，直至皮肤表皮层模型构建打印完成。

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