CN115605341A - 生物打印机和用于校准生物打印机的方法 - Google Patents

生物打印机和用于校准生物打印机的方法 Download PDF

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Abstract

一种生物打印机(1)包括：具有喷嘴(5)的至少一个打印头(4a，4b，4c)；其上布置有打印头(4a，4b，4c)以打印墨水的打印床(20)；布置在打印床(20)处的超声波传感器装置；控制器(7)，其被布置成基于来自超声波传感器装置的信息来控制打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)的移动并且执行打印头/喷嘴(4a，4b，5 4c；5)的校准。

Description

生物打印机和用于校准生物打印机的方法
技术领域
本公开内容涉及生物材料的增材制造领域。具体地，本公开内容涉及生物打印机和用于校准生物打印机中的打印头/喷嘴的方法。
背景技术
打印作为一种增材制造技术，因其在空间上控制对细胞、生物材料和生物分子的放置的能力而受到应有的重视。因此，它为组织和器官再生、基础研究和药物筛选的未来提供了无限可能。3D打印机能够在沿X方向、Y方向和Z方向移动时分配材料，这使得能够从下向上设计复杂结构。此外，由于该技术可以与使用患者的医学图像的CAD/CAM技术组合，因此该技术允许对于目标组织或器官独有的仿生形状3D结构进行生物制造。
多头生物打印机的一个重要方面是其所有打印头在同一位置精确打印的能力。在组装和使用期间，打印头的取向会出现微小的偏差，导致端部执行器即喷嘴端的位置偏离其理想位置。
为了实现使用多个头的高质量的打印，需要用于校准端部执行器的精确的方法。例如，在BIO XTM仪器的情况下，端部执行器必须以20um至50um的精度进行校准。
用于自动校准的当前方法包括用打印机喷嘴接触塑料操纵杆。该方法是次优的，这是因为以下若干原因：端部执行器有时会错过操纵杆；操纵杆容易折断；所有喷嘴接触同一操纵杆，这可能会导致交叉污染。因此，需要用于无接触校准的鲁棒的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的或至少可替选的生物打印机，以及一种用于校准该生物打印机中的打印头/喷嘴的方法。
根据第一方面，提供了一种生物打印机，该生物打印机包括：至少一个打印头，该打印头设置有喷嘴；打印床，该打印床上布置有打印头以打印墨水；布置在打印床处的超声波传感器装置，所述超声波传感器装置包括：第一传感器装置，其被布置成提供在与喷嘴的延伸垂直的第一方向上延伸的第一超声波锥体；以及第二传感器装置，被布置成提供在与喷嘴的延伸垂直的第二方向上延伸的第二超声波锥体，其中，第一传感器装置和第二传感器装置被布置成检测喷嘴何时进入其超声波锥体，优选地，第一方向和第二方向彼此垂直。控制器被布置成控制打印头/喷嘴的移动并且执行打印头/喷嘴的校准，所述校准包括根据校准方案控制打印头/喷嘴，以及当喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，由此，可以获得至少在第一方向和第二方向上、并且优选地在沿喷嘴的延伸的方向上的打印头/喷嘴的校准位置，并且所述控制器还被布置成根据所执行的校准来控制打印头/喷嘴的移动。
该生物打印机可以是用于分配墨水的生物分配器。
第一传感器装置和/或第二传感器装置可以包括超声波传感器和至少一个固体表面，所述至少一个固体表面被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与喷嘴的延伸垂直的第一方向/第二方向上延伸的锥体。
可替选地，第一传感器装置和/或第二传感器装置可以包括超声波传感器和弯曲的声音导管，该弯曲的声音导管被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与喷嘴的延伸垂直的第一方向/第二方向上延伸的锥体。
根据第二方面，提供了一种用于校准生物打印机中的打印头的方法，该打印头设置有喷嘴，该生物打印机还包括：打印床，所述打印床上布置有打印头以打印墨水；以及布置在打印床处的超声波传感器装置，所述超声波传感器装置包括：第一传感器装置，其被布置成提供在喷嘴的延伸垂直的第一方向上延伸的第一超声波锥体；以及第二传感器装置，其被布置成提供在与喷嘴的延伸垂直的第二方向上延伸的第二超声波锥体，其中，第一传感器装置和第二传感器装置检测喷嘴何时进入超声波锥体，优选地，第一方向和第二方向彼此垂直。该方法包括以下步骤：根据校准方案控制打印头/喷嘴，以及当打印头/喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，由此，可以获得至少在第一方向和第二方向上、并且优选地在沿喷嘴的延伸的方向上的打印头/喷嘴的校准位置。
根据校准方案控制喷嘴，以及当喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，可以包括：
-根据相对于第一超声波锥体在第二方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，以借助于第一超声波传感器装置来检测第一超声波锥体的边界在第二方向上的位置，
-根据相对于第二超声波锥体在第一方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，所述位置确定方案基于第一超声波锥体的边界的位置以及第一超声波传感器装置与第二超声波传感器装置之间的空间关系，以借助于第二超声波传感器装置来检测第二锥体的边界在第一方向上的位置，
-由此，可以基于第一超声波锥体和第二超声波锥体的边界的位置来确定喷嘴在第一方向和第二方向上的位置。
根据校准方案控制喷嘴，以及当喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，还可以包括：
-根据相对于第一超声波锥体在第二方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，所述位置确定方案至少基于第二超声波锥体的边界的位置以及第一超声波传感器装置与第二超声波传感器装置之间的空间关系，以借助于第一超声波传感器装置来检测第一超声波锥体的边界在第二方向上的更新位置，由此，基于第一超声波锥体的边界和第二超声波锥体的边界的更新位置来确定喷嘴在第一方向和第二方向上的位置。
该方法还可以包括以下步骤：基于对喷嘴在第一方向和第二方向上的位置的了解来确定喷嘴在基本上沿喷嘴的延伸而延伸的方向上的位置。
该方法还可以包括在沿喷嘴的延伸的方向上将喷嘴控制到第一超声波锥体和第二超声波锥体外部的开始位置，以及
-根据超声波锥体查找模式来控制喷嘴从开始位置移动，以检测第一超声波锥体，随之开始根据校准方案的控制。
利用上述生物打印机和用于校准的方法，可以对生物打印机中的打印头、多个打印头、多头或可更换打印头进行校准，使得在打印床处利用不同打印头在同一位置打印成为可能。因此，可以使打印头和设置在其上的喷嘴的取向的偏差最小化，所述偏差可能在组装和使用期间出现，并且导致喷嘴和喷嘴端的位置偏离其理想位置。本生物打印机和方法提供了用于无接触校准、自动校准的鲁棒的生物打印机。
附图说明
图1示出了生物打印机/生物分配器的侧视图。
图2从顶视图(左)和侧视图(右)示出了图1中生物打印机的打印床。
图3示意性地示出了用于校准生物打印机中的打印头/喷嘴的方法。
具体实施方式
打印作为一种增材制造技术，因其在空间上控制细胞、生物材料和生物分子的放置的能力而受到应有的重视。因此，它为组织和器官再生、基础研究和药物筛选的未来提供了无限可能。
3D生物打印机/生物分配器能够在沿X方向、Y方向和Z方向移动时分配材料。这使得能够从下向上设计复杂构建体。此外，由于该技术可以与使用患者的医学图像的CAD/CAM技术组合，因此该技术允许对目标组织或器官独有的仿生形状3D结构进行生物制造。
图1a公开了根据本公开内容的生物打印机/生物分配器1的示例。生物打印机1可以用于制造三维设计的生物组织。生物打印机可以用于对适于在选自以下的应用中使用的构建体进行打印：动物或人体中的植入例如修复组织或替换组织、局部应用、化妆品应用、药物测试、药物发现应用或作为疾病模型，或者用于制药、医疗、化学、个人护理、皮肤护理或化妆品行业，或能够使用3D打印的构建体的任何其他行业中的其他研究、调查或开发目的。
生物打印机1包括打印床(print bed)20。打印床20包括例如培养皿。培养皿被定义为用于培养细胞的浅圆柱形玻璃或塑料盖皿。在一个示例中，打印床20包括微孔(microwell)，也被称为微板(microplate)。在一个示例中，打印床20包括载玻片。
生物打印机还包括至少一个打印头4a、4b、4c。生物打印机1可以包括一个打印头、多头或多个打印头。在图1中，生物打印机被示出为具有三个打印头4a、4b、4c。打印头可以更换。打印头可以被布置成在打印床20上依次打印墨水、生物墨水。打印头的示例包括气动挤压头、注射泵头、喷墨头、高温挤压头等。
至少一个打印头3设置有喷嘴5，喷嘴5可以可拆卸地布置在打印头上。该喷嘴可以是挤压针。打印头3和打印床20可以相对于彼此移动。由此，生物打印机被布置成通过借助于挤压元件控制通过喷嘴5的挤压以及通过控制打印床与喷嘴/打印头之间的相对移动，来在打印床上打印3D物品。
在一个示例中，当打印床的位置固定时，根据预定方案控制喷嘴/打印头的移动。在一个示例中，当喷嘴/打印头的位置固定时，根据预定方案控制打印床的移动。
如图1和图2所示，在打印床20处布置有超声波传感器装置。超声波传感器装置包括：第一传感器装置6a，被布置成提供在与喷嘴5的延伸垂直的第一方向(图2中的x方向)上延伸的第一超声波锥体；以及第二传感器装置6b，被布置成提供在与喷嘴5的延伸垂直的第二方向(图2中的y方向)上延伸的第二超声波锥体。第一传感器装置6a和第二传感器装置6b被布置成检测喷嘴5何时进入其超声波锥体。优选地，第一方向和第二方向彼此垂直，如图2所示。
超声波传感器装置可以用于校准至少一个打印头/喷嘴的位置。
第一传感器装置6a和第二传感器装置6b均可以包括超声波传感器、超声波距离传感器，该超声波距离传感器通过发出声音并且测量从传感器前面的物体反射回传感器的声音的飞行时间来测量距离。在不同距离的多次反射的情况下，传感器只检测最近的反射声音。所发出的声音可以被看作锥体。超声波距离传感器可以检测由塑料(诸如聚丙烯)和金属(诸如不锈钢)两者制成的小物体，这就是为什么可以使用不同材料的喷嘴。例如，可以使用诸如SICK UC4-13347的传感器。这样的传感器具有100μm或更高的测量分辨率和±0.15％的可重复性。
超声波传感器可以竖直地布置在打印床处，使得所发出的声音锥体在x方向/y方向上定向。
所使用的超声波传感器可以以200um的分辨率测量距物体多达150mm的距离。
超声波传感器可以被布置在打印床20的任何地方，只要形成在与喷嘴的延伸垂直的第一方向/第二方向上延伸的超声波锥体即可。
第一传感器装置6a和/或第二传感器装置6b可以包括超声波传感器和至少一个固体表面(未示出)，所述至少一个固体表面被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与喷嘴的延伸垂直的第一方向/第二方向上延伸的锥体。
例如，该表面可以被布置成与来自超声波传感器的波束成45度角。在该实施方式中，传感器装置的超声波传感器可以在生物打印机1中水平定向，以更好地利用打印床20处的可用空间。水平安装超声波传感器需要重新引导声音波束，以使得声音锥体能够在x方向/y方向上发出。
可替选地，第一传感器装置和/或第二传感器装置可以包括超声波传感器和弯曲的声音导管(未示出)，该弯曲的声音导管被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与喷嘴的延伸垂直的第一方向/第二方向上延伸的锥体。
生物打印机还包括控制器7，控制器7被布置成控制打印头4a、4b、4c/喷嘴5的移动。控制器7被布置成执行打印头4a、4b、4c/喷嘴5的校准，如图3所示。该校准包括根据校准方案控制100打印头/喷嘴，以及当喷嘴5根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置6a和第二传感器装置6b进行的检测来确定200喷嘴5与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，由此可以获得300至少在第一方向和第二方向上、并且优选地在沿喷嘴5的延伸的方向上的打印头/喷嘴的校准位置。
控制器7还可以被布置成根据所执行的校准来控制打印头/喷嘴的移动。
根据校准方案控制喷嘴，以及当喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，可以包括：
-根据相对于第一超声波锥体在第二方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，以借助于第一超声波传感器装置来检测第一超声波锥体的边界在第二方向上的位置，
-根据相对于第二超声波锥体在第一方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，所述位置确定方案基于第一超声波锥体的边界的位置以及第一超声波传感器装置与第二超声波传感器装置之间的空间关系，从而借助于第二超声波传感器装置来检测第二锥体的边界在第一方向上的位置，
-由此，可以基于第一超声波锥体和第二超声波锥体的边界的位置来确定喷嘴在第一方向和第二方向上的位置。
根据校准方案控制喷嘴，并且当喷嘴根据校准方案移动时，基于由第一传感器装置和第二传感器装置进行的检测来确定喷嘴与第一超声波锥体和第二超声波锥体之间的关系，还可以包括：
-根据相对于第一超声波锥体在第二方向上控制喷嘴的位置确定方案来控制喷嘴移动，所述位置确定方案至少基于第二超声波锥体的边界的位置以及第一超声波传感器装置与第二超声波传感器装置之间的空间关系，从而借助于第一超声波传感器装置来检测第一超声波锥体的边界在第二方向上的更新位置，由此，基于第一超声波锥体的边界和第二超声波锥体的边界的更新位置来确定喷嘴在第一方向和第二方向上的位置。
该方法还可以包括以下步骤：基于对喷嘴在第一方向和第二方向上的位置的了解来确定喷嘴在以下方向上的位置：该方向基本上沿喷嘴的延伸而延伸。
该方法还可以包括在沿喷嘴的延伸的方向上将喷嘴控制到第一超声波锥体和第二超声波锥体外部的开始位置，以及
-根据超声波锥体查找模式来控制喷嘴从开始位置移动，以检测第一超声波锥体，随之开始根据校准方案的控制。

Claims (7)

1.一种生物打印机(1)，包括：
至少一个打印头(4a，4b，4c)，所述打印头设置有喷嘴(5)；
打印床(20)，所述打印床上布置有所述打印头(4a，4b，4c)以打印墨水；
布置在所述打印床(20)处的超声波传感器装置，所述超声波传感器装置包括：第一传感器装置(6a)，其被布置成提供在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的第一方向上延伸的第一超声波锥体；以及第二传感器装置(6b)，其被布置成提供在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的第二方向上延伸的第二超声波锥体，其中，所述第一传感器装置(6a)和所述第二传感器装置(6b)被布置成检测所述喷嘴(5)何时进入其超声波锥体，优选地，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直；以及
控制器(7)，其被布置成控制所述打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)的移动，所述控制器(7)被布置成执行所述打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)的校准，所述校准包括根据校准方案控制所述打印头/喷嘴；以及当所述喷嘴(5)根据所述校准方案移动时，基于由所述第一传感器装置(6a)和所述第二传感器装置(6b)进行的检测来确定所述打印头/喷嘴与所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体之间的关系；其中，在所述校准中，所述控制器(7)被布置成根据相对于所述第一超声波锥体在所述第二方向上控制所述喷嘴的位置确定方案来控制所述喷嘴移动，其中，所述第一超声波传感器装置(6a)被布置成检测所述第一超声波锥体的边界在所述第二方向上的位置，其中，所述控制器被布置成根据相对于所述第二超声波锥体在所述第一方向上控制所述喷嘴的位置确定方案来控制所述喷嘴移动，所述位置确定方案基于所述第一超声波锥体的边界的位置以及所述第一超声波传感器装置(6a)与所述第二超声波传感器装置(6b)之间的空间关系，其中，所述第二超声波传感器装置被布置成检测所述第二锥体的边界在所述第一方向上的位置，由此，能够基于所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体的边界的位置来确定所述喷嘴在所述第一方向和所述第二方向上的位置，
由此，能够获得至少在所述第一方向和所述第二方向上、并且优选地在沿所述喷嘴(5)的延伸的方向上的所述打印头/喷嘴的校准位置，并且
所述控制器(7)还被布置成根据所执行的校准来控制所述打印头/喷嘴的移动。
2.根据权利要求1所述的生物打印机(1)，其中，所述第一传感器装置(6a)和/或所述第二传感器装置(6b)包括超声波传感器和至少一个固体表面，所述至少一个固体表面被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的所述第一方向/所述第二方向上延伸的锥体。
3.根据权利要求1或2所述的生物打印机(1)，其中，所述第一传感器装置(6a)和/或所述第二传感器装置(6b)包括超声波传感器和弯曲的声音导管，所述弯曲的声音导管被布置成引导来自传感器的波束，从而形成在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的所述第一方向/所述第二方向上延伸的锥体。
4.一种用于校准生物打印机(1)中的打印头(4a，4b，4c)的方法，所述打印头设置有喷嘴(5)，所述生物打印机(1)还包括：打印床(20)，所述打印床上布置有所述打印头(4a，4b，4c)以打印墨水；以及布置在所述打印床(20)处的超声波传感器装置，所述超声波传感器装置包括：第一传感器装置(6a)，其被布置成提供在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的第一方向上延伸的第一超声波锥体；以及第二传感器装置(6b)，其被布置成提供在与所述喷嘴(5)的延伸垂直的第二方向上延伸的第二超声波锥体，其中，所述第一传感器装置和所述第二传感器装置检测所述喷嘴何时进入超声波锥体，优选地，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直，所述方法包括以下步骤：
根据校准方案控制(100)所述打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)，以及
当所述打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)根据所述校准方案移动时，基于由所述第一传感器装置(6a)和所述第二传感器装置(6b)进行的检测来确定(200)所述喷嘴(5)与所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体之间的关系，其中，根据相对于所述第一超声波锥体在所述第二方向上控制所述喷嘴的位置确定方案来控制所述喷嘴移动，以借助于所述第一超声波传感器装置来检测所述第一超声波锥体的边界在所述第二方向上的位置，并且根据相对于所述第二超声波锥体在所述第一方向上控制所述喷嘴的位置确定方案来控制所述喷嘴移动，所述位置确定方案基于所述第一超声波锥体的边界的位置以及所述第一超声波传感器装置与所述第二超声波传感器装置之间的空间关系，以借助于所述第二超声波传感器装置来检测所述第二锥体的边界在所述第一方向上的位置，由此，能够基于所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体的边界的位置来确定所述喷嘴在所述第一方向和所述第二方向上的位置，
由此，能够获得(300)至少在所述第一方向和所述第二方向上、并且优选地在沿所述喷嘴的延伸的方向上的所述打印头/喷嘴(4a，4b，4c；5)的校准位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，根据校准方案控制所述喷嘴，以及当所述喷嘴根据所述校准方案移动时，基于由所述第一传感器装置和所述第二传感器装置进行的检测来确定所述喷嘴与所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体之间的关系，还包括：
-根据相对于所述第一超声波锥体在所述第二方向上控制所述喷嘴的位置确定方案来控制所述喷嘴移动，所述位置确定方案至少基于所述第二超声波锥体的边界的位置以及所述第一超声波传感器装置与所述第二超声波传感器装置之间的空间关系，以借助于所述第一超声波传感器装置来检测所述第一超声波锥体的边界在所述第二方向上的更新位置，由此，基于所述第一超声波锥体的边界和所述第二超声波锥体的边界的更新位置来确定所述喷嘴在所述第一方向和所述第二方向上的位置。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的方法，还包括以下步骤：基于对所述喷嘴在所述第一方向和所述第二方向上的位置的了解来确定所述喷嘴在基本上沿所述喷嘴的延伸而延伸的方向上的位置。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，还包括：
-在沿所述喷嘴的延伸的方向上将所述喷嘴控制到所述第一超声波锥体和所述第二超声波锥体外部的开始位置，以及
-根据超声波锥体查找模式来控制所述喷嘴从所述开始位置移动，以检测所述第一超声波锥体，随之开始根据所述校准方案的控制。
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