CN115431525A - 磁场控制三维取向的生物材料3d打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机及采用该生物打印机的纤维三维取向打印方法，其中磁场控制三维取向的生物材料3D打印机设置有主体、用于粘附添加有响应磁场变化纤维的打印材料层的固定平台装置、用于对打印材料层产生可360°调节磁场的磁场调节装置、用于带动所述固定平台装置升降的升降装置和用于对打印材料层固化成型的光控装置。本发明的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机的磁场调节装置能够在固定平台装置的外周360°旋转，而且至少一对磁体分别位于固化区域底面的外周相对两侧，从而能够在固化区域底面相对两侧产生磁场且360°旋转，从而能够灵活调节纤维的取向方向，同时产生的磁场能均匀分布且完全覆盖固化区域。

Description

磁场控制三维取向的生物材料3D打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及生物打印技术领域，特别涉及一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机及采用该生物材料3D打印机的纤维三维取向打印方法。

背景技术

生物3D打印是利用3D打印离散/堆积成型的基本原理和方法，对生物材料(包括天然生物材料和人工合成生物材料)或细胞悬浮液进行受控打印，形成所需的具有生物活性的植入物、细胞三维结构或人工组织器官等。生物3D打印作为生命科学与现代制造科学交叉的新兴技术，有利于构建组织工程中所需的各种三维仿生结构。

研究表明，细胞的取向性与其感受外界的力学刺激和结构形貌息息相关。目前主要的细胞的取向性控制是预先在细胞生长基底表面制作定向的凹槽或条纹结构，然后将细胞接种于基底，细胞就会沿着这些凹槽或条纹结构进行定向排列生长，实现细胞定向排列控制。然而这种方法只能在具有特定形貌的基底表面实现二维细胞的定向排列，无法用于生物3D打印构建任意所需的载细胞结构。

目前出现了通过在打印墨水中添加可响应磁场变化的纤维，然后控制纤维的取向并进行3D打印，得到具有多种取向的3D结构纤维产品，最后将细胞接种于这种产品，然后经取向的纤维就会诱导细胞生长方向，最终实现细胞三维取向控制。

公布号为CN106738898A的中国发明专利，公开了一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印方法及装置，该装置由主机架、供料仓、铺料装置、成型仓、废料箱、数字掩膜光固化系统以及可控磁场系统组成。该装置通过供料仓的上移、成型仓的下移及铺料装左右移动形成铺料装切片层厚度材料的铺设，然后可控磁场系统通过一个磁场源在成型仓两个相对侧面移动及水平面内180°旋转等运动，对打印材料产生磁场。但是该装置对纤维只能在打印材料的一侧产生磁场，造成固化区域内的磁场分布不均匀且难以完全包围成型仓的固化区域，从而影响纤维的取向效果。

因此，针对现有技术的不足，提供一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机及采用该生物材料3D打印机的纤维三维取向打印方法以解决现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的其中一个目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机。该磁场控制三维取向的生物材料3D打印机产生的磁场能均匀分布且完全覆盖固化区域。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机，包括有主体和光控装置，设置有用于粘附添加有响应磁场变化纤维的打印材料层的固定平台装置、用于对打印材料层产生磁场的磁场调节装置和用于带动所述固定平台装置升降的升降装置，所述升降装置固定装配于所述主体，所述固定平台装置与所述升降装置传动装配，所述磁场调节装置可360°旋转装配于所述固定平台装置的外周。

在所述固定平台装置与所述光控装置之间存在用于对打印材料层固化成型的固化区域，所述磁场调节装置的至少一对磁体分别位于固化区域底面的外周相对两侧并能进行360°旋转。

优选的，上述磁体的长度不小于所述固定平台装置的下底面的最大长度。

优选的，上述磁体对称设置于所述固化区域的底面。

优选的，上述固定平台装置与所述光控装置之间存在用于对打印材料层固化成型的固化区域，所述磁场调节装置的产生磁场位于固化区域底面的外周。

优选的，上述固定平台装置设置有悬臂、支架和粘附柱，所述悬臂的一端与所述升降装置传动装配，所述悬臂的一端与所述支架固定装配，所述粘附柱固定装配于所述支架的下方，所述磁场调节装置装配于所述悬臂，且所述磁场调节装置位于所述粘附柱外周，所述粘附柱位于所述光控装置的正上方。

优选的，上述磁场调节装置设置有驱动组件、旋转组件、磁体、用于带动所述磁体转动并使所述磁体始终位于所述固化区域底面的所述活塞杆，所述驱动组件固定装配于所述悬臂，所述旋转组件与所述驱动组件传动连接，且所述旋转组件可转动套设于所述支架的外表面，所述活塞杆的一端与所述旋转组件固定连接，所述活塞杆的另一端与所述磁体固定连接。

优选的，上述活塞杆设置有第一套管、塞件和内杆，所述第一套管的一端与所述旋转组件固定连接，所述内杆的一端活动装套于所述第一套管的另一端，且所述第一套管的另一端与所述内杆的外表面滑动抵接，所述磁体固定装配于所述内杆的另一端，所述塞件与所述内杆的一端固连接，所述塞件的外表面与所述第一套管的内表面滑动抵接。

优选的，上述旋转组件设置有齿环、旋转盘和第二套管，所述齿环固定装配于所述第二套管的上部外表面，所述旋转盘固定装配于所述第二套管的下部，且所述第二套管可转动套装于所述支架的外表面。

优选的，上述支架设置有固定杆、一对固定件和插销，一对所述固定件分别固定连接于所述悬臂的相对两侧，所述插销贯穿于所述固定杆的上部且两端分别装配于所述固定件，所述插销的末端贯穿于所述磁场调节装置并于所述粘附柱固定装配。

优选的，上述驱动组件设置有第一电机和齿轮，所述第一电机固定装配于所述悬臂，所述齿轮与所述第一电机的转动轴固定连接，所述齿轮与所述齿环啮合。

优选的，上述升降装置设置第二电机、支撑杆、滑轨、滑块、限位块和丝杆，所述支撑杆的一端和所述第二电机分别固定装配于所述主体，所述丝杆的一端与所述第二电机的转动轴固定连接，所述支撑杆的另一端和所述丝杆的另一端分别与所述限位块固定连接，且所述支撑杆和所述丝杆平行设置，所述滑轨固定装配于所述支撑杆的一侧面，所述滑轨位于所述支撑杆与所述丝杆之间，所述滑块的一侧与所述滑轨滑动连接，所述滑块的另一侧与所述悬臂固定装配，所述滑块的中间设置有内螺纹孔，所述丝杆套装于所述内螺纹孔。

本发明的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机，还设置有控制面板，所述控制面板固定装配于所述主体。

优选的，上述磁体至少设置有一对，所述活塞杆至少设置有两对，且所述活塞杆的数量为所述活塞数量的两倍。

优选的，上述磁体位于所述固化区域的底面相对两个侧面。

优选的，上述光控装置为LCD屏幕。

优选的，上述磁体的长度不小于所述粘附柱的下底面的最大长度。

本发明的另一个目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种纤维三维取向打印方法。该纤维三维取向打印方法能打印得到纤维取向效果好的3D结构多种取向纤维产品。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种纤维三维取向打印方法,采用如上述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机进行。

本发明的一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机及采用该生物打印机的纤维三维取向打印方法，其中磁场控制三维取向的生物材料3D打印机设置有主体、用于粘附添加有响应磁场变化纤维的打印材料层的固定平台装置、用于对打印材料层产生磁场的磁场调节装置、用于带动所述固定平台装置升降的升降装置和用于对打印材料层固化成型的光控装置，所述升降装置和所述光控装置分别固定装配于所述主体，所述固定平台装置与所述升降装置传动装配，所述磁场调节装置可360°旋转装配于所述固定平台装置的外周，所述光控装置固定装配于所述主体；在所述固定平台装置与所述光控装置之间存在用于对打印材料层固化成型的固化区域，所述磁场调节装置的至少一对磁体分别位于固化区域底面的外周相对两侧并能进行360°旋转。本发明的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机的磁场调节装置能够在固定平台装置的外周360°旋转，而且至少一对磁体分别位于固化区域底面的外周相对两侧，从而能够在固化区域底面相对两侧产生磁场且360°旋转，从而能够灵活调节纤维的取向方向，同时产生的磁场能均匀分布且完全覆盖固化区域。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为磁场控制三维取向的生物材料3D打印机的结构示意图。

图2为图1的另一角度示意图。

图3为图1的另一角度示意图。

图4为固定平台装置和磁场调节装置在装配时的结构示意图。

图5为图4的另一角度示意图。

图6为图5中“A-A”方向的截面示意图。

图7为固定平台装置的结构示意图。

图8为磁场调节装置的结构示意图。

图9为活塞杆的结构示意图。

图10为活塞杆的截面示意图。

图11为一层打印材料层在未施加取向磁场的纤维排列示意图。

图12为一层打印材料层在施加有取向磁场后产生磁响应的纤维排列示意图。

图13为具有两层不同磁响应的纤维排列示意图。

图14为使用本发明纤维三维取向打印方法得到产品的薄层内细胞沿磁响应纤维排列的图片。

在图1至图14中，包括有：

固定平台装置100、

悬臂110、

支架120、固定杆121、固定件122、插销123、

粘附柱130、

磁场调节装置200、

驱动组件210、第一电机211、齿轮212、

旋转组件220、齿环221、旋转盘222、第二套管223、

活塞杆230、第一套管231、塞件232、内杆233、

磁体240、

升降装置300、支撑杆310、滑轨320、滑块330、限位块340、丝杆350、

光控装置400、主体500、固化区域600、控制面板700。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机是基于采用数字光处理成型技术(DLP)进行打印的3d打印机。

数字光处理成型技术的原理通过分层软件对3D模型进行分层切片，液槽中盛满液态打印墨水，每一层切片图像数据通过数字微反射镜(DMD)进行数字处理，然后再把光投影出来，由数字微反射镜芯片实现曝光能量及曝光图形的控制，每次曝光固化一个薄层，一层固化完毕后，工作台移动一个层厚的距离，进行下一层的制作，新固化的一层牢固地粘结在前上一层，如此反复成型出完整产品。

实施例1

一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机，如图1至13所示，设置有主体500、光控装置400、用于粘附添加有响应磁场变化纤维的打印材料层的固定平台装置100、用于对打印材料层产生磁场的磁场调节装置200和用于带动固定平台装置100升降的升降装置300。

需要说的是，将磁场控制三维取向的生物材料3D打印机在正常使用时，地面方向定义下方。

其中，升降装置300固定装配于主体500，固定平台装置100与升降装置300传动装配，磁场调节装置200可360°旋转装配于固定平台装置100的外周。光控装置400固定装配于主体500，固定平台装置100位于光控装置400的正上方，本实施例的光控装置400具体为LCD屏幕。

需要说明的是，磁场调节装置200直接套装于固定平台装置100的外周从而能减少打印机的占用空间，而且磁场调节装置200能固定平台装置100可360°旋转，提高磁场方向控制的便捷性。

在固定平台装置100与光控装置400之间存在用于对打印材料层固化成型的固化区域600，磁场调节装置200的至少一对磁体240分别位于固化区域600底面的外周相对两侧并能进行360°旋转。

需要说明的是，每次在固化区域600的底部(即光控装置400的表面)注入一定量添加有响应磁场变化纤维的打印材料，然后固定平台装置100在下移的同时磁场调节装置200调节磁场角度，当固定平台装置100下降至打印材料并对其进行挤压，使打印材料铺开得到待固化材料层，磁场调节装置200角度调节完成，对待固化材料层中的纤维取向，最后光控装置400根据所需3D打印产品形状的图案，在相应部位显示图形光线并投射到待固化材料层上，从而在特定位置对局部待固化材料层成型。

在实际操作中光控装置400使用与不打印材料粘附的材料制成，而固定平台装置100的底面则使用与印材料粘附性能较好的材料制成，因此打印材料粘附至固定平台装置100的底面。

需要说明的是，打印材料注入固化区域600的底部可以通过人工注入，也可以通过外部注入装置注入。

本发明磁体240的长度不小于固定平台装置100的下底面的最大长度，具体的磁体240的长度不小于粘附柱130的下底面的最大长度。磁体240对称设置于固化区域600的底面，具体地磁体240相对位于固化区域600的底面相对两个侧面。

需要说明的是，磁体240的长度与固定平台装置100的下底面的最大长度的设置关系的作用是，使磁体240的产生的磁场能完全覆盖于固化区域600底面，而磁体240对称设置的作用是能够产生取向均匀的磁场，同时还能提高磁场线的强度。

固定平台装置100设置有悬臂110、支架120和粘附柱130，悬臂110的一端与升降装置300传动装配，悬臂110的一端与支架120固定装配，粘附柱130固定装配于支架120的下方，磁场调节装置200装配于悬臂110，且磁场调节装置200位于粘附柱130外周，粘附柱130位于光控装置400的正上方。

支架120设置有固定杆121、一对固定件122和插销123，一对固定件122分别固定连接于悬臂110的相对两侧，插销123贯穿于固定杆121的上部且两端分别装配于固定件122，插销123的末端贯穿于磁场调节装置200并于粘附柱130固定装配。

磁场调节装置200设置有驱动组件210、旋转组件220、用于带动磁体240转动并使磁体240始终位于固化区域600底面的活塞杆230，驱动组件210固定装配于悬臂110，旋转组件220与驱动组件210传动连接，且旋转组件220可转动套设于支架120的外表面，活塞杆230的一端与旋转组件220固定连接，活塞杆230的另一端与磁体240固定连接。旋转组件220设置有齿环221、旋转盘222和第二套管223，齿环221固定装配于第二套管223的上部外表面，旋转盘222固定装配于第二套管223的下部，且第二套管223可转动套装于支架120的外表面。

驱动组件210设置有第一电机211和齿轮212，第一电机211固定装配于悬臂110，齿轮212与第一电机211的转动轴固定连接，齿轮212与齿环221啮合。

本发明的旋转组件220套设在支架120的外表面，在驱动组件210的作用下，能使旋转组件220以支架120所在的中轴线为转轴进行旋转，从而调节磁场线的角度。

活塞杆230设置有第一套管231、塞件232和内杆233，第一套管231的一端与旋转组件220固定连接，内杆233的一端活动装套于第一套管231的另一端，且第一套管231的另一端与内杆233的外表面滑动抵接，磁体240固定装配于内杆233的另一端，塞件232与内杆233的一端固连接，塞件232的外表面与第一套管231的内表面滑动抵接。

需要说明的是，因为内杆233与第一套管231是活动套装，所以磁体240能跟随旋转组件220的转动而转动，同时在磁体240的自身的重力作用下，磁体240始终位于固化区域600的底面(即与光控装置400的表面)抵接，从而能保证产生磁场线始终穿过待固化材料层。

升降装置300设置第二电机(图中未示出)、支撑杆310、滑轨320、滑块330、限位块340和丝杆350，支撑杆310的一端和第二电机分别固定装配于主体500，丝杆350的一端与第二电机的转动轴固定连接，支撑杆310的另一端和丝杆350的另一端分别与限位块340固定连接，且支撑杆310和丝杆350平行设置，滑轨320固定装配于支撑杆310的一侧面，滑轨320位于支撑杆310与丝杆350之间，滑块330的一侧与滑轨320滑动连接，滑块330的另一侧与悬臂110固定装配，滑块330的中间设置有内螺纹孔，丝杆350套装于内螺纹孔。

需要说明的是，升降装置300通过丝杆350和具有内螺纹孔的滑块330，从而将丝杆350的旋转运动转化成滑块330的上下直线运动，带动固定平台装置100整体上下移动，逐渐增加固化区域600的高度，以容纳层层叠置的3D打印产品。

本发明的还设置有控制面板700，控制面板700固定装配于主体500。

需要说明的是，控制面板700为控制升降装置300上降，磁场调节装置200旋转，光控装置400显示形状的图案光线的控制操作装置，而控制面板700具体如何实现升降装置300、磁场调节装置200和光控装置400并不是本发明的发明重点，本领域技术人员可以根据实际情况具体设置，在此不再一一赘述。

本发明的磁体240至少设置有一对，活塞杆230至少设置有两对，且活塞杆230的数量为活塞数量的两倍。本实施例的磁体240具体设置有一对，活塞具体设置有两对。

本发明的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机的使用方法具体如下：在固化区域600的底部(即光控装置400的表面)注入添加有响应磁场变化纤维的打印材料，然后固定平台装置100的下移同时磁场调节装置200调节磁场角度，当固定平台装置100下降至打印材料并对其进行挤压，使打印材料铺开得到待固化材料层，此时磁场调节装置200角度调节完成，并对固化区域600底面的待固化材料层产生磁场诱导，使待固化材料层的纤维发生取向，最后光控装置400根据所需3D打印产品形状的图案，在相应部位显示图形光线并投射到待固化材料层上，从而在特定位置对局部待固化材料层成型。当该当前待固化材料层成型后，固定平台装置100整上升，继续在固化区域600的底部注入一定的添加有响应磁场变化纤维的打印材料，然后固定平台装置100下降同时调节磁场调节装置200的角度，固定平台装置100使印材料粘附于上一层已成型的打印材料层的下方，调节磁场调节装置200角度调节完成后对最底层的待打印材料层取向，最后光控装置400对最底层的待打印材料层进行特定图形固化，最终多层打印材料层层叠的多种取向的3D结构纤维产品。

该磁场控制三维取向的生物材料3D打印机的磁场调节装置200能够在固定平台装置100的外周360°旋转，而且至少一对磁体240分别位于固化区域600底面的外周相对两侧，从而能够在固化区域600底面相对两侧产生磁场且360°旋转，从而能够灵活调节纤维的取向方向，同时产生的磁场能均匀分布且完全覆盖固化区域600。本发明的磁场调节装置200直接套装于固定平台装置100的外周从而能减少打印机的占用空间，而且磁场调节装置200能固定平台装置100 360°旋转，提高磁场方向控制的便捷性。

实施例2

一种纤维三维取向打印方法，采用如实施例1的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机进行。

通过该纤维三维取向打印方法能打印得到纤维取向效果好的多种取向的3D结构纤维产品，将这些产品进行细胞培养后，得到的细胞取向效果较佳，如图14所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种磁场控制三维取向的生物材料3D打印机，包括有主体和光控装置，其特征在于：设置有用于粘附添加有响应磁场变化纤维的打印材料层的固定平台装置、用于对打印材料层产生磁场的磁场调节装置和用于带动所述固定平台装置升降的升降装置，所述升降装置固定装配于所述主体，所述固定平台装置与所述升降装置传动装配，所述磁场调节装置可360°旋转装配于所述固定平台装置的外周；

在所述固定平台装置与所述光控装置之间存在用于对打印材料层固化成型的固化区域，所述磁场调节装置的至少一对磁体分别位于固化区域底面的外周相对两侧并能进行360°旋转。

2.根据权利要求1所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述磁体的长度不小于所述固定平台装置的下底面的最大长度；

所述磁体对称设置于所述固化区域的底面。

3.根据权利要求1所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述固定平台装置设置有悬臂、支架和粘附柱，所述悬臂的一端与所述升降装置传动装配，所述悬臂的一端与所述支架固定装配，所述粘附柱固定装配于所述支架的下方，所述磁场调节装置装配于所述悬臂，且所述磁场调节装置位于所述粘附柱外周，所述粘附柱位于所述光控装置的正上方。

4.根据权利要求3所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述磁场调节装置设置有驱动组件、旋转组件、用于带动所述磁体转动并使所述磁体始终位于所述固化区域底面的所述活塞杆，所述驱动组件固定装配于所述悬臂，所述旋转组件与所述驱动组件传动连接，且所述旋转组件可转动套设于所述支架的外表面，所述活塞杆的一端与所述旋转组件固定连接，所述活塞杆的另一端与所述磁体固定连接。

5.根据权利要求4所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述活塞杆设置有第一套管、塞件和内杆，所述第一套管的一端与所述旋转组件固定连接，所述内杆的一端活动装套于所述第一套管的另一端，且所述第一套管的另一端与所述内杆的外表面滑动抵接，所述磁体固定装配于所述内杆的另一端，所述塞件与所述内杆的一端固连接，所述塞件的外表面与所述第一套管的内表面滑动抵接；

所述旋转组件设置有齿环、旋转盘和第二套管，所述齿环固定装配于所述第二套管的上部外表面，所述旋转盘固定装配于所述第二套管的下部，且所述第二套管可转动套装于所述支架的外表面。

6.根据权利要求3所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述支架设置有固定杆、一对固定件和插销，一对所述固定件分别固定连接于所述悬臂的相对两侧，所述插销贯穿于所述固定杆的上部且两端分别装配于所述固定件，所述插销的末端贯穿于所述磁场调节装置并于所述粘附柱固定装配。

7.根据权利要求5所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述驱动组件设置有第一电机和齿轮，所述第一电机固定装配于所述悬臂，所述齿轮与所述第一电机的转动轴固定连接，所述齿轮与所述齿环啮合。

8.根据权利要求2所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：所述升降装置设置第二电机、支撑杆、滑轨、滑块、限位块和丝杆，所述支撑杆的一端和所述第二电机分别固定装配于所述主体，所述丝杆的一端与所述第二电机的转动轴固定连接，所述支撑杆的另一端和所述丝杆的另一端分别与所述限位块固定连接，且所述支撑杆和所述丝杆平行设置，所述滑轨固定装配于所述支撑杆的一侧面，所述滑轨位于所述支撑杆与所述丝杆之间，所述滑块的一侧与所述滑轨滑动连接，所述滑块的另一侧与所述悬臂固定装配，所述滑块的中间设置有内螺纹孔，所述丝杆套装于所述内螺纹孔。

9.根据权利要求3所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机,其特征在于：还设置有控制面板，所述控制面板固定装配于所述主体；

所述磁体至少设置有一对，所述活塞杆至少设置有两对，且所述活塞杆的数量为所述活塞数量的两倍；

所述磁体位于所述固化区域的底面相对两个侧面；

所述磁体的长度不小于所述粘附柱的下底面的最大长度。

10.一种纤维三维取向打印方法,其特征在于：采用如权利要求1至9任意一项所述的磁场控制三维取向的生物材料3D打印机进行。

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