CN115503237A - 一种生物3d打印生物墨水存储装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物3D打印生物墨水存储装置及其控制方法，属于生物3D打印制造技术和机械制造领域，包括：多个墨水孔板，每个墨水孔板上呈矩阵布置有多个墨水存放孔；多个孔板卡槽，每个孔板卡槽底板内开有插槽，墨水孔板插接在孔板卡槽插槽内，多个孔板卡槽在同一平面内布置且相邻布置的孔板卡槽之间可拆卸连接；多个丝杠步进电机，丝杠步进电机的输出端与孔板卡槽传动连接；用于存放多个孔板卡槽的抽屉式存储机架，多个孔板卡槽底端与存储机架滑动连接；多个丝杠步进电机固定在存储机架上；控制器，控制器与丝杠步进电机电信号连接。本发明可实现自动化完成生物墨水的更换、转移工作，提高复杂人工生物组织的打印效率。

Description

一种生物3D打印生物墨水存储装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及生物3D打印制造技术和机械制造领域，更具体的说是涉及一种生物3D打印生物墨水存储装置及其控制方法。

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的机械制造技术，与传统制造方法不断去除材料获得成品的的加工方式不同，在3D打印制造过程中，材料不断增加获得成品，因而3D打印具有可以制造复杂结构及个性化定制的优势，近年来将3D打印技术与生物医疗相结合发展出生物3D打印的新兴领域。

生物3D打印是将生物材料如水凝胶和生物单元如细胞、DNA、蛋白质等物质，按照仿生形态学、生物体功能、细胞生长微环境等要求，用3D打印的方式制造出具有个性化的生物功能结构如皮肤、肾脏、心脏等。利用生物3D打印技术构建复杂生物组织的目的主要有两个，一是构建体外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。

生物3D打印的人工生物组织不仅需要具有和自然生物组织相似的复杂的微观结构，更需要多种不同的细胞来表达遗传信息、增殖分化、组装成生物组织，为了使制造出的人工生物组织，具有与自然生物组织相似的功能，在人工生物组织的不同的区域，打印的细胞浓度和细胞种类都存在差异。因此当需要使用生物3D打印机打印复杂的组织组织器官时，打印所需的生物墨水，应当包括不同种类、不同浓度的特定生物细胞，不同种类的生物材料以及生长因子等。而目前商用的多墨盒生物3D打印机，喷头的设置数量不能满足打印一个复杂的人工生物组织器官，因此在打印过程中需要人工更换墨盒，来完成人工生物组织中不同区域的打印。这样就使得在打印过程中，时刻需要人为的控制，使得生物3D打印复杂的人工生物组织效率降低。

因此，如何提供一种自动化方便操控的3D打印生物墨水存储装置和便于控制其的方法是本领域人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种生物3D打印生物墨水存储装置及其控制方法以至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物3D打印生物墨水存储装置，包括：

多个墨水孔板，每个所述墨水孔板上呈矩阵布置有多个墨水存放孔；

多个孔板卡槽，每个所述孔板卡槽底板内开有插槽，所述墨水孔板插接在所述孔板卡槽插槽内，多个所述孔板卡槽在同一平面内布置且相邻布置的所述孔板卡槽之间可拆卸连接。

多个丝杠步进电机，所述丝杠步进电机的输出端与所述孔板卡槽传动连接；

用于存放多个所述孔板卡槽的抽屉式存储机架，所述多个孔板卡槽底端与所述存储机架滑动连接；

多个所述丝杠步进电机固定在所述存储机架上；

控制器，所述控制器与所述丝杠步进电机电信号连接。

通过以上技术方案，墨水孔板插接在孔板卡槽插槽内，孔板卡槽在丝杠步进电机的带动下可以在存储机架上抽出或推进。

优选的，还包括角码连接件及丝杠传动组件，所述角码连接件固定在至少一个所述孔板卡槽的底板端部；所述丝杠步进电机输出轴固定通过所述丝杠传动组件与所述角码连接件传动连接。带角码连接件孔板卡槽和普通孔板卡槽交错连接固定成一排，并分层滑动在存储机架上，生物墨水存储量大且方便取出和放入。

优选的，所述丝杠传动组件包括丝杠和丝杠螺母，所述丝杠通过角码连接件转动连接所述孔板卡槽的底板一侧且沿其滑动方向布置，所述丝杠步进电机输出轴与所述丝杠传动连接，所述丝杠螺母与所述角码连接件固定且与所述丝杠螺纹连接。丝杠步进电机的输出轴带动丝杠转动，从而带动丝杠螺母运动，丝杠螺母运动带动角码连接件推出或回收运动，进而带动孔板卡槽在存储机架上实现推出或回收运动。

优选的，所述角码连接件为多个，多个角码连接件对应连接在间隔布置的孔板卡槽的底板一端。便于与丝杠步进电机连接，实现丝杠步进电机与孔板卡槽间的传动。

优选的，还包括电机固定座，所述电机固定座与对应所述角码连接件一端的所述存储机架固定连接；所述丝杠步进电机底端固定在所述电机固定座上；所述角码连接件上设有安装孔，所述丝杠螺母安装在所述安装孔内。电机固定在存储机架上，输出轴和传动组件传动。

优选的，所述墨水孔板底端固定连接有插板，所述插板可插接在所述孔板卡槽的插槽内。墨水孔板可取出，方便更换。

优选的，所述抽屉式存储机架设有多层滑动结构，每层滑动结构上均滑动连接有多个所述孔板卡槽。使孔板卡槽可以推出或回收。

优选的，所述滑动结构包括滑块、直线导轨及卡槽限位块，所述滑块固定在所述孔板卡槽的底板底端；所述直线导轨固定在所述机架上对应每个孔板卡槽底端且与所述滑块滑动配合，所述卡槽限位块对应每个所述直线导轨的两端固定在所述存储机架上。孔板卡槽在直线导轨上做直线运动，卡槽限位块可防止导轨滑块在运动过程中，超出运动行程，造成直线导轨失效。

优选的，还包括步进电机驱动器，所述控制器为可编程逻辑控制器，所述步进电机驱动器与所述步进电机和可编程逻辑控制器信号连接；每个所述孔板卡槽的墨水存放孔放孔对应所述可编程逻辑控制器编译的位置信息标识。即可编程逻辑控制器内编译有对应每个墨水存放孔的编译信息，进而控制步进电机驱动器及对应步进电机的运行，输送对应的所述孔板卡槽。

本发明还提供一种生物3D打印生物墨水存储装置的控制方法，所述可编程逻辑控制器内编译有对应每个墨水存放孔的位置信息。

当利用生物3D打印系统打印时，首先可编程逻辑控制器可以控制其内编译的对应每个墨水存放孔位置信息，通过步进电机驱动器控制丝杠步进电机动作，将对应的墨水孔板推出。控制器控制不同的孔板卡槽内对应墨水孔板中的墨水进入打印区域。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种生物3D打印生物墨水存储装置及其控制方法，具有以下有益效果：

1.本发明的生物墨水存储装置设计简单，通过丝杠步进电机控制孔板卡槽在机架上滑动，实现墨水孔板的推进或回收运动，方便生物墨水的取用和收回。

2.通过与多墨盒生物3D打印系统、生物墨水转移装置等装备的协同使用，允许在构建复杂人造生物组织的过程中，可打印的生物墨水的种类、浓度可以不受生物3D打印机的喷头数量限制，使得构建的复杂人造生物组织和功能与自然生物组织形状和功能更加相似。并且通过将生物墨水存储装置中的不同种类、浓度的生物墨水进行位置坐标编译，可以利用生物墨水转移装置，自动化完成生物墨水的更换、转移工作，提高复杂人工生物组织的打印效率。

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来讲，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是本发明一种生物3D打印生物墨水存储装置的整机结构示意图。

图2是一种生物3D打印生物墨水存储装置的单层结构等轴测示意图。

图3是一种生物3D打印生物墨水存储装置的单层结构正视图。

图4是孔板卡槽与墨水孔板的装配示意图。

图5是带角码连接件的孔板卡槽示意图。

图6是普通孔板卡槽示意图。

图7是本发明提供的生物墨水存储装置的工作流程图。

1-墨水孔板；2-孔板卡槽；3-丝杠步进电机；4-存储机架；5-电机固定座；6-滑块；7-直线导轨；8-卡槽限位块；9-丝杠螺母；

2a-带角码连接件孔板卡槽；2b-普通孔板卡槽；

201-底板；202-角码连接件；203-第一连接板；204-第二连接板；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图6，本发明实施例公开了一种生物3D打印生物墨水存储装置，包括：

多个墨水孔板1，每个墨水孔板1上呈矩阵布置有多个墨水存放孔；

多个孔板卡槽2，每个孔板卡槽2底板201内开有插槽，墨水孔板1插接在孔板卡槽2插槽内，多个孔板卡槽2在同一平面内布置且相邻布置的孔板卡槽2之间可拆卸连接；

多个丝杠步进电机3，丝杠步进电机3的输出端与孔板卡槽2传动连接；

用于存放多个孔板卡槽2的抽屉式存储机架4，多个孔板卡槽2底端与存储机架4滑动连接，多个丝杠步进电机3固定在存储机架4上；

控制器，控制器与丝杠步进电机3电信号连接。

进一步的，还包括角码连接件202及丝杠传动组件，角码连接件202固定在至少一个孔板卡槽2的底板端部；丝杠步进电机3输出轴固定通过丝杠传动组件与角码连接件202传动连接。

进一步的，丝杠传动组件包括丝杠和丝杠螺母9，丝杠通过角码连接件202转动连接孔板卡槽2的底板201一侧且沿其滑动方向布置，丝杠步进电机3输出轴与丝杠传动连接，丝杠螺母9与角码连接件202固定且与丝杠螺纹连接。

角码连接件202为多个，多个角码连接件202对应连接在间隔布置的孔板卡槽2的底板201一端。

孔板卡槽2的底板201上开有插槽，孔板卡槽2一侧外壁底端延伸有第一连接板203，相对的另一侧外壁中部固定连接有第二连接板204。

带角码连接件孔板卡槽2a的第一连接板203与普通孔板卡槽2b的第二连接板204固定连接，普通孔板卡槽2b的第一连接板203与带角码连接件孔板卡槽2a的第二连接板204固定连接。在一具体实施例中存储机架4设有四层，每层存放五个孔板卡槽，孔板卡槽按普通孔板卡槽2b、普通孔板卡槽2b、带角码连接件孔板卡槽2a、普通孔板卡槽2b、带角码连接件孔板卡槽2a顺次通过紧固螺栓固定连接。

墨水孔板1底端固定连接有插板，插板可插接在孔板卡槽2的插槽内。墨水孔板1可取出，方便取出清洗和更换。

进一步的，还包括电机固定座5，丝杠步进电机3固定在电机固定座5上，电机固定座5设有沉头孔，利用T型螺母和螺栓固定在存储机架4上，通过紧固螺栓、螺母与带角码连接件孔板卡槽2a连接，丝杠步进电机3的输出端轴向传动连接至丝杠，从而传动连接角码连接件202上的安装孔，进而带动角码连接件202在存储机架4上滑动。

对应的，抽屉式存储机架4设有多层滑动结构，每层滑动结构上均滑动连接有多个孔板卡槽2。

进一步的，滑动结构包括滑块6、直线导轨7及卡槽限位块8，滑块6固定在孔板卡槽2的底板201底端；直线导轨7固定在存储机架4上对应每个孔板卡槽2底端且与滑块6滑动配合，卡槽限位块8对应每个直线导轨7的两端固定在存储机架4上。

进一步的，还包括步进电机驱动器，控制器为可编程逻辑控制器，步进电机驱动器与丝杠步进电机3和可编程逻辑控制器信号连接；每个孔板卡槽2的墨水存放孔对应设置有位置信息标识，可编程逻辑控制器定位位置信息标识。

参见图7，生物墨水存储装置的控制系统包括丝杠步进电机3、步进电机驱动器、可编程逻辑控制器和PC端控制软件。生物墨水存储装置每层结构的推出或回收运动，由两台丝杠步进电机3控制，丝杠步进电机3由可编程逻辑控制器经步进电机驱动器，控制丝杠步进电机3的正反转运动，从而控制生物墨水存储装置每层结构的推出或回收运动。

PC端控制软件不仅可以通过通讯信号控制可编程逻辑控制器，从而控制生物墨水存储装置的运动。利用PC端控制软件可将墨水孔板1的每个孔及其所存储的生物墨水进行位置坐标编译，墨水孔板1中的每个孔及其装载的生物墨水，对应一个特定的坐标。将生物存储装置中的每种生物墨水，在PC端控制软件中进行命名。

本实施例提供一种生物3D打印生物墨水存储装置的控制方法：

当利用生物3D打印系统打印时，首先利用PC端控制软件，将墨水孔板1的每个孔及其所存储的生物墨水进行位置坐标编译，墨水孔板1中的每个孔及其装载的生物墨水，对应一个特定的坐标，将生物存储装置中的每种生物墨水，在PC端控制软件中进行命名；再通过PC端控制软件对生物3D打印中需要用到的生物墨水进行检索，将打印所需的生物墨水位置坐标信息，通过通讯控制传输给可编程控制器，从而控制生物墨水存储装置，将所需提取的生物墨水所在位置的墨水孔板1推出，通过受同一可编程控制器控制的生物墨水提取转移装置，将所需的生物墨水转移至目标位置；最终通过可编程控制器，驱动步进电机驱动器，从而控制丝杠步进电机3运动将生物墨水存储装置收回，完成运动。

本发明对人工生物组织模型的3D打印方法具体提供以下实施例：

实施例1：

利用本发明打印系统构建复杂人工生物组织模型，方法包括如下步骤：

首先，本发明还提供一种生物墨水存储装置的的控制系统，还包括：处理器以及存储计算机程序的存储器和PC端控制软件。

使用时，首先通过3D建模软件，对复杂人工生物组织进行建模，得到STL模型文件，然后前置系统处理后生成打印路径文件，并得到成形的G代码。

将打印特定复杂人工生物组织的生物墨水，存储在墨水孔板1当中，并利用PC端控制软件对不同种类、不同浓度的生物墨水进行位置坐标编译。

通过对生物3D打印系统的程序设置，利用多喷头协同打印，在打印复杂人工生物组织的不同区域时，采用装载不同生物墨水的生物3D打印喷头打印，同时，当需要特定种类浓度的生物墨水打印的区域完成之后，利用程序控制，自动清洗该生物3D打印系统的墨盒及喷头，并利用生物墨水提取装置，从事先编译好的位置，提取指定的生物墨水进行人工生物组织的特定区域打印，重复以上操作，直至复杂人工生物组织模型打印完成。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，在其他实施例中实现。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 (10)

1.一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，包括：

多个墨水孔板，每个所述墨水孔板上呈矩阵布置有多个墨水存放孔；

多个孔板卡槽，每个所述孔板卡槽底板内开有插槽，所述墨水孔板插接在所述孔板卡槽插槽内，多个所述孔板卡槽在同一平面内布置且相邻布置的所述孔板卡槽之间可拆卸连接；

多个丝杠步进电机，所述丝杠步进电机的输出端与所述孔板卡槽传动连接；

用于存放多个所述孔板卡槽的抽屉式存储机架，所述多个孔板卡槽底端与所述存储机架滑动连接；多个所述丝杠步进电机固定在所述存储机架上；

控制器，所述控制器与所述丝杠步进电机电信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，还包括角码连接件及丝杠传动组件，所述角码连接件固定在至少一个所述孔板卡槽的底板端部；所述丝杠步进电机输出轴固定通过所述丝杠传动组件与所述角码连接件传动连接。

3.根据权利要求2所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，所述丝杠传动组件包括丝杠和丝杠螺母，所述丝杠通过角码连接件转动连接所述孔板卡槽的底板一侧且沿其滑动方向布置，所述丝杠步进电机输出轴与所述丝杠传动连接，所述丝杠螺母与所述角码连接件固定且与所述丝杠螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，所述角码连接件为多个，多个角码连接件对应连接在间隔布置的孔板卡槽的底板一端。

5.根据权利要求2所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，还包括电机固定座，所述电机固定座与对应所述角码连接件一端的所述存储机架固定连接；所述丝杠步进电机底端固定在所述电机固定座上；所述角码连接件上设有安装孔，所述丝杠螺母安装在所述安装孔内。

6.根据权利要求1任一项所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，所述墨水孔板底端固定连接有插板，所述插板可插接在所述孔板卡槽的插槽内。

7.根据权利要求1任一项所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，所述抽屉式存储机架设有多层滑动结构，每层滑动结构上均滑动连接有多个所述孔板卡槽。

8.根据权利要求7所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，所述滑动结构包括滑块、直线导轨及卡槽限位块，所述滑块固定在所述孔板卡槽的底板底端；所述直线导轨固定在所述机架上对应每个孔板卡槽底端且与所述滑块滑动配合，所述卡槽限位块对应每个所述直线导轨的两端固定在所述存储机架上。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种生物3D打印生物墨水存储装置，其特征在于，还包括步进电机驱动器，所述控制器为可编程逻辑控制器，所述步进电机驱动器与所述步进电机和可编程逻辑控制器信号连接；每个所述孔板卡槽的墨水存放孔放孔对应所述可编程逻辑控制器编译的位置信息标识。

10.一种权利要求1至9任一项所述生物3D打印生物墨水存储装置的控制方法，其特征在于，控制器控制不同的孔板卡槽内对应墨水孔板中的墨水进入打印区域。

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