CN118061526A - 可更换3d生物打印工具头以及一组3d生物打印机工具头 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及可更换3D生物打印工具头以及一组3D生物打印机工具头。提供了一种包括基座单元(2)的3D生物打印机(1)。基座单元(2)具有：适于安装至少一个工具头(4)的支承件(3)，用于在安装了至少一个工具头(4)的情况下与至少一个工具头(4)进行数据通信的通信接口部件(5)，以及适于通过所述通信接口部件(5)与至少一个工具头的工具头处理元件(8)通信的基座单元处理元件(7)。本公开内容还涉及3D生物打印机工具头。本公开内容还涉及用于生物打印构建体的方法。

Description

可更换3D生物打印工具头以及一组3D生物打印机工具头
本申请是申请日为2018年1月10日、申请号为201880006863.6(国际阶段申请号为PCT/SE2018/050017)、发明名称为“3D生物打印机、3D生物打印工具头和用于3D生物打印构建体的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开内容涉及3D生物打印机，该3D生物打印机包括具有用于安装至少一个工具头的支承件的基座单元。
本公开内容还涉及用于生物打印构建体的方法。
背景技术
生物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，因为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而言独特的仿生形状3D结构的生物制造。具有良好的适印性能和指导细胞命运进程的生物活性性能的水凝胶生物墨水的发展将将有助于将这种有前景的技术转化为临床技术。已知基于天然聚合物的水凝胶具有有利的生物相容性能，并且是用于细胞包封的有吸引力的生物材料。它们模仿自然细胞外基质环境，为水状3D环境提供生物学相关的化学信号和物理信号。
发明内容
本发明的一个目的是获得与已知的3D生物打印机相比改进的3D生物打印机。
本公开内容涉及3D生物打印机。3D生物打印机包括：基座单元，其包括适于安装至少一个工具头的支承件；通信接口部件，其用于在安装了至少一个工具头的情况下与至少一个工具头进行数据通信；以及基座单元处理元件(7)，其适于通过所述通信接口部件与至少一个工具头的工具头处理元件通信。
工具头处理元件可以具有存储能力。工具头处理元件能够发送模拟数据或数字数据以及/或者接收模拟数据或数字数据。工具头处理元件还可以具有处理能力以执行计算。因此，工具头具有智能性。
因此，由于工具头具有工具头处理元件，因此可以减少或消除对与工具头有关的手动用户输入的需要。可以避免/减少的可能的繁重手动用户输入包括例如工具头的类型、尺寸和其他特征。这使得更加容易和快速地使用3D生物打印机。这继而消除了手动输入与工具头有关的错误信息的风险。
此外，工具头处理元件可以收集例如通过工具头本身或者安装在工具头上或与工具头相关联的传感器获得的与工具头有关的数据。然后，工具头处理元件可以被布置成将收集的数据格式化为适合3D生物打印机的格式，并且将适当格式的数据发送至3D生物打印机的通信接口部件。这有利于3D生物打印机与工具头之间的集成，如果必须替换工具头的话。这对于可更换工具头特别有利。
此外，如果工具头处理元件具有处理能力，则工具头处理元件可以被布置成至少部分地控制其工具头的操作或其他设备例如另一个工具头和/或气体的排气装置的操作。在工具头处具有此功能的一个优点是，当将更新的工具头安装到3D生物打印机时，不必修改和更新3D生物打印机内的软件。
利用该解决方案，基座单元处理元件可以充当主设备，并且工具头处理元件可以充当从设备，反之亦然。
在不同的实施方式中，支承件包括适于安装至少一个可更换工具头的支承部件。
由此，3D生物打印机变得非常灵活，并且可以提高3D生物打印机的操作效率。例如，用户可以在3D生物打印机外部准备工具头，其中，准备可以例如涉及装载材料和/或选择针。然后，可以用准备好的工具头来替换当前使用的工具头。
因此，生物打印机不需要因为耗时活动例如装载材料和/或更换针而停止。相反，可以进行短暂的停止来用准备好的工具头替换当前使用的工具头。替选地，可以在打印时更换当前使用的工具头。例如，如果支承件适于安装多个工具头，则在打印时可以容易地进行更换。
新工具头的检测可以由3D生物打印机自动进行，或者可以由用户设置。
用户可以在使用或不使用工具的情况下插入或移除工具头。替选地，可以通过3D生物打印机自身来插入和/或移除工具头。
工具头的连接可能需要一个或多个步骤。一个或多个步骤可以例如涉及插入螺母和/或连接线缆和/或连接气体供应装置。
3D生物打印机还可以被布置成显示与应该使用哪个工具头有关并且还可能与应该如何准备工具头有关的信息。
3D生物打印机可以被布置成将一个或更多个可更换工具头与一个或更多个不可更换工具头一起使用或将一个或更多个可更换工具头不与一个或更多个不可更换工具头一起使用。
在不同的实施方式中，基座单元处理元件被布置成在安装了可更换工具头的情况下，从至少一个可更换工具头的工具头处理元件通过通信接口部件获得关于与至少一个可更换工具头相关联的特征的信息。
与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与执行器类型例如可更换工具头的打印技术有关的信息。该信息可以限定可更换工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头。用于移除材料的工具头可以是刀和/或激光工具头和/或铣削工具头和/或钻削工具头。固化工具头可以是光固化工具头，例如UV、可见光或激光。固化工具头可以是任何其他类型的固化工具头，例如基于液体溶液的固化工具头或基于热的固化工具头。该信息可以定义至少一个可更换工具头是生物电喷射工具头。
与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与工具头的传感器技术有关的信息，所述信息可以限定工具头是相机工具头、探测工具头和/或3D扫描工具头。
在不同的实施方式中，基座单元处理元件被布置成基于通过通信接口部件获得的与至少一个可更换工具头的特征有关的信息来获得用于控制至少一个可更换工具头的控制信号，并且将控制信号馈送到通信接口部件。
在不同的实施方式中，如上定义的3D生物打印机(1)还包括所述至少一个工具头，所述至少一个工具头具有所述工具头处理元件(8)和能够连接至基座单元(2)的通信接口部件(5)的通信接口部件(6)。然后，至少一个工具头的工具头处理元件可以被布置成至少部分地控制所述至少一个工具头的操作。
在不同的实施方式中，3D生物打印机还包括用于向至少一个工具头供应加压气体的加压气体接口部件以及/或者用于向少一个工具头传输光的光接口部件。
在不同的实施方式中，3D生物打印机还包括用于排出气体例如打印空间中的空气的排气装置。该排气装置可以实施在至少一个工具头中。
基座单元处理元件(7)在不同的实施方式中被布置成控制气体的排出。
本公开内容还涉及如上定义的3D生物打印机，其用于打印适于在可以使用3D生物打印的构建体的任何应用中使用的构建体，任何应用例如选自以下的应用中的任何一个应用：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、药物发现、药物测试应用或作为疾病模型；或者用于其他目的，例如制药、医疗、化学、个人护理、皮肤护理或化妆品行业或可以使用3D生物打印的构建体的任何其他行业中的各种研究、调查或发展目的。根据应用，打印的构建体包括适当的固体生物墨水材料、半固体生物墨水材料或流体生物墨水材料，并且可以包括活细胞或不包括活细胞。
本公开内容还涉及一种3D生物打印机系统，该3D生物打印机系统包括：基座单元，所述基座单元包括适于安装工具头的支承件、用于在安装了工具头的情况下与工具头通信的通信接口以及适于通过所述通信接口(5)与工具头通信的基座单元处理元件；以及一组工具头，每个工具头具有能够连接至基座单元的通信接口部件的通信接口部件。
工具头中的至少一个工具头可以包括工具头处理元件。工具头处理元件可以被布置成与基座单元处理元件通信。
本公开内容还涉及3D生物打印机工具头。3D生物打印机工具头能够连接至3D生物打印机的机械接口部件。3D生物打印机工具头还包括工具头处理元件和能够连接至3D生物打印机的通信接口部件的通信接口部件。
3D生物打印机工具头的工具头处理元件可以被布置成存储关于与至少一个工具头相关联的特征的信息。
与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与执行器类型例如可更换工具头的打印技术有关的信息。该信息可以限定可更换工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头。该信息可以限定至少一个可更换工具头是生物电喷射工具头。
与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与工具头的传感器技术有关的信息，所述信息可以限定工具头是相机工具头、探测工具头和/或3D扫描工具头。
工具头处理元件可以被布置成至少部分地控制诸如以下的操作：挤出控制和/或挤出材料温度控制和/或挤出材料粘度控制和/或气体供应控制。
工具头处理元件可以被布置成基于通过布置在工具头处或集成在工具头内的传感器获得的信息和/或基于经由通信接口部件接收的信息，来至少部分地控制工具头的操作。
工具头处理元件可以被布置成基于与材料特性例如粘度和/或温度有关的信息和/或基于与用于挤出的喷嘴直径有关的信息来至少部分地控制工具头的操作。
工具头的工具头处理元件可以被布置成至少部分地监控诸如以下的操作：例如监控挤出材料温度和/或挤出材料水平和/或挤出材料粘度和/或环境光和/或排出气体监控，以及/或者其中，工具头处理元件被布置成执行数据收集并且经由通信接口部件报告对操作的监控，以及/或者其中，工具头处理元件被布置成执行错误检测并经由通信接口部件报告所述错误。
本公开内容还涉及用于生物打印构建体的方法。该方法包括以下步骤：
选择具有期望特征的生物打印机工具头，
其中，生物打印机工具头可以具有存储与生物打印机工具头的特征有关的信息的工具头处理元件，
其中，生物打印机工具头能够连接至生物打印机的基座单元的机械接口部件，并且
其中，生物打印机工具头具有能够连接至生物打印机的基座单元的通信接口部件的通信接口部件，
借助于接口部件将所选的生物打印机工具头机械地且通信地连接至生物打印机的基座单元，以及
通过向生物打印机的基座单元处理元件或工具头的工具头处理元件提供激活信号来激活对构建体的打印，于是基于通过工具头处理元件存储的或者借助于用户接口手动输入的与生物打印机工具头的特征有关的信息来执行打印。
在不同的实施方式中，该方法还包括将与要打印的构建体的特征有关的信息馈送至基座单元处理元件或工具头处理元件的步骤，其中，还基于与构建体的特征有关的信息来执行打印。
在该方法的不同实施方式中，通过从工具头挤出生物墨水来执行对构建体的打印。
在不同的实施方式中，用于生物打印构建体的方法包括在挤出生物墨水后暴露构建体以进行固化例如UV固化的步骤。
本公开内容还涉及通过如上定义的方法制造的3D生物打印的构建体，所述构建体由生物墨水材料制成，其中，生物墨水材料包括流体成分、半固体成分或固体成分或其组合。生物墨水材料可以是许多不同的类型，并且例如，可以使用基于藻酸盐的、基于明胶的、基于胶原的、基于二氧化硅的、基于纤维素的、聚己内酯和/或聚乳酸生物墨水和/或热塑性材料。
在不同的实施方式中，生物墨水材料包括活细胞。
由本发明的生物打印机提供的3D生物打印的构建体通常是生物相容的稳健且稳定的结构，并且对于一些应用，具有变得血管化的能力。
本公开内容还涉及一种3D生物打印机，该3D生物打印机包括基座单元，该基座单元具有：适于安装至少一个可更换工具头的支承件；用于在安装了至少一个可更换工具头的情况下与至少一个可更换工具头通信的通信接口部件；以及适于通过所述通信接口部件与至少一个可更换工具头通信的基座单元处理元件。
本公开内容还涉及一种3D生物打印机，该3D生物打印机包括基座单元，该基座单元具有：适于安装至少一个工具头的支承件；用于与至少一个工具头通信的通信接口部件(5)；用于排出气体例如打印空间中的空气的排气装置，其中，排气装置可以实施在至少一个工具头中；以及适于通过所述通信接口部件与至少一个工具头通信并且适于控制排气装置的基座单元处理元件。
附图说明
图1示意性地公开了根据第一示例的3D生物打印机。
图2示意性地公开了根据第二示例的3D生物打印机系统。
图3是例如针对如关于图1或图5所公开的3D生物打印机或针对如关于图2所公开的3D打印机系统的系统概述。
图4是示意性地公开用于生物打印构建体的方法的示例的流程图。
图5示意性地公开了根据第三示例的3D生物打印机。
具体实施方式
生物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，因为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而言独特的仿生形状3D结构的生物制造。在预生物打印过程中，创建由3D生物打印机使用的模型。此外，选择将要使用的材料。用于生物打印的常用技术是计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)。为了用逐层方法进行打印，可以对图像进行断层扫描重建。然后打印机可以使用现在的2D图像。
图1公开了3D生物打印机1的示例。3D生物打印机可以用于制造三维设计的生物组织。3D生物打印机1可以用于对适合在选自以下的任何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、化妆品应用和药物测试应用。
3D生物打印机1包括基座单元2。基座单元2包括适于安装至少一个工具头4的支承件3。在一个示例中，支承件3适于容纳多个工具头4。
在一个示例中，支承件3适于安装至少一个可更换工具头4。然后可更换工具头可以被拆除并且用其他工具头替代。在一个示例中，支承件3适于安装至少一个不可更换工具头。在一个示例中，支承件可以适于安装至少一个可更换工具头和至少一个不可更换工具头4。
在支承件3适于安装至少一个可更换工具头的示例中，3D生物打印机变得非常灵活，并且可以提高3D生物打印机的操作效率。例如，用户可以在3D生物打印机外部准备工具头，其中，准备可以例如涉及装载材料和/或选择针。然后，可以用准备好的工具头来替换当前使用的工具头。
因此，生物打印机不需要因为耗时活动例如装载材料和/或更换针而停止。相反，可以进行短暂的停止来用准备好的工具头替换当前使用的工具头。替选地，可以在打印时更换当前使用的工具头。例如，如果支承件3适于安装多个工具头，则在打印时可以容易地进行更换。
用户可以在使用或不使用工具的情况下插入或移除工具头。替选地，可以通过3D生物打印机自身来自动插入和/或移除工具头。
工具头的连接可能需要一个或多个步骤。一个或多个步骤可以例如涉及插入螺母和/或连接线缆和/或连接气体供应装置。
至少一个工具头4可以包括至少一个执行工具头和/或至少一个传感器工具头。执行工具头可以设置有传感器。执行工具头的示例包括气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头、固化工具头和/或生物电喷射工具头。用于移除材料的工具头可以包括刀和/或激光工具头和/或铣削工具头和/或钻削工具头。固化工具头可以包括固化UV工具头和/或可见光固化工具头和/或激光固化工具头。执行工具头的其他示例包括用于排出气体例如空气的排气工具头。
感测工具头的示例包括相机工具头、探测工具头和/或3D扫描工具头。
基座单元2还包括用于在安装了至少一个工具头的情况下与至少一个工具头通信的通信接口部件5。通信可以涉及用于控制工具头的控制信号的传送。通信可以涉及来自工具头的传感器信号的传送。稍后将更详细地讨论可以在基座单元与工具头之间传送的信息。
工具头4包括能够连接至基座单元(2)的通信接口部件(5)的相应通信接口部件(6)。工具头4还可以包括工具头处理元件8。
通信接口部件5、6可以被布置成用于模拟通信和/或数字通信。通信接口部件可以形成有线接口或非接触式接口(非有线接口)。通信接口可以例如包括电接口和/或光接口和/或音频接口和/或无线电接口。可以根据任何通信协议来执行通过接口部件的通信。
基座单元2还包括基座单元处理元件7。基座单元处理元件可以适于通过所述通信接口部件5、6与至少一个工具头4的工具头处理元件8通信。在替选示例中，工具头未设置有被布置成与基座单元处理元件通信的工具头处理元件。
基座单元处理元件7和工具头处理元件8(如果存在)具有存储能力。基座单元处理元件7和工具头处理元件8(如果存在)能够发送模拟数据或数字数据以及/或者接收模拟数据或数字数据。基座单元处理元件7和工具头处理元件8中的至少一个具有处理能力以便执行计算。
在工具头4具有工具头处理元件8的情况下，可以减少或消除对与工具头相关的手动用户输入的需要。可以避免/减少的可能的繁重手动用户输入包括例如工具头的类型、尺寸和其他特征的输入。这使得更容易和更快速地使用3D生物打印机。对与工具头有关的数据的自动检索进一步消除了手动输入与工具头有关的错误信息的风险。
根据工具头具有数据存储能力的这个示例，工具头处理元件可以被布置成存储关于与至少一个可更换工具头相关联的特征的信息。与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与执行器类型例如可更换工具头的打印技术有关的信息。该信息可以限定可更换工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头、固化工具头和/或生物电喷射工具头。该信息可以限定用于移除材料的可更换工具头是刀、激光工具头、铣削工具头和/或钻削工具头。该信息可以限定可更换固化工具头可以是固化UV工具头、可见光固化工具头或激光固化工具头。
与至少一个可更换工具头相关联的特征可以包括与工具头的传感器技术有关的信息，所述信息可以限定工具头是相机工具头、探测工具头和/或3D扫描工具头。
基座单元处理元件可以被布置成在安装了可更换工具头的情况下，从至少一个可更换工具头的工具头处理元件通过通信接口部件获得关于与至少一个可更换工具头相关联的特征的信息。
工具头处理元件8(当存在时)可以被布置成收集例如通过工具头自身或者集成在工具头内、安装在工具头上和/或与工具头相关联的传感器获得的与工具头有关的数据。然后，工具头处理元件可以被布置成将收集的数据格式化为适合3D生物打印机的格式，即，根据用于与基座单元2通信的设置的协议的格式。工具头处理元件还可以被布置成将适当的格式的数据发送至3D生物打印机的通信接口部件。这有利于3D生物打印机基座单元2与工具头之间的集成。这对于可更换工具头特别有利。
在基座单元2与至少一个工具头4二者均具有处理能力的情况下，可以通过工具头处理元件8或基座单元处理元件7来执行控制工具头的操作的处理。在替选示例中，基座单元处理器7与至少一个工具头处理元件8二者的处理能力均用于控制工具头的操作。根据该示例，基座单元处理元件7或至少一个工具头处理元件8用作主处理器而其他处理器用作从处理器，反之亦然。
因此，基座单元处理元件和/或工具头处理元件被布置成基于与可更换工具头的特征有关的信息获得用于控制至少一个可更换工具头的控制信号，并将控制信号馈送至工具头用于对工具头进行控制。
因此，工具头处理元件8可以具有处理能力，其在一个示例中被用于至少部分地控制其工具头的操作或其他设备例如另一工具头和/或气体排出装置的操作。在工具头处理元件8处实现该功能的一个优点是，当将更新的工具头安装到3D生物打印机时，可能不需要对基座单元2内的软件进行修改和更新，或者至少仅需要少量更新。因此，基本上可以用新的工具头技术来升级现有的3D生物打印机而不用修改基座单元的软件。
基座单元处理元件和/或工具头处理元件可以布置成至少部分地控制诸如以下的操作：挤出控制和/或挤出材料温度控制和/或挤出材料粘度控制和/或气体供应控制。
基座单元处理元件和/或工具头处理元件可以被布置成基于由布置在工具头处或集成在工具头内的传感器获得的信息和/或基于经由通信接口部件接收的信息，来至少部分地控制工具头的操作。
基座单元处理元件和/或工具头处理元件可以被布置成基于与材料特性例如粘度和/或温度有关的信息和/或基于与用于挤出的喷嘴直径有关的信息来至少部分地控制工具头的操作。
工具头的工具头处理元件和/或基座单元处理元件可以被布置成至少部分地监控诸如以下的操作：例如监控挤出材料温度和/或挤出材料水平和/或挤出材料粘度和/或环境光和/或废气监控；以及/或者其中，工具头处理元件被布置成执行数据收集并且经由通信接口部件报告对操作的监控；以及/或者其中，工具头处理元件被布置成执行错误检测并经由通信接口部件报告所述错误。
在所示出的示例中，3D生物打印机还包括用于排出气体例如打印空间中的空气的可选排气装置9。结合图5对此进行更详细地描述。
排气装置9可以实施在至少一个工具头中。然后，3D生物打印机1可以包括用于向至少一个工具头供应加压气体的加压气体接口部件(未示出)。
基座单元处理元件(7)或一个工具头处理元件在一个示例中被布置成控制气体的排出。结合图5对此进行更详细地描述。
3D生物打印机1可以包括向至少一个工具头传输光的光接口部件。
此外，3D生物打印机1具有被布置成用于用户输入和/或显示信息的用户接口21。
此外，3D生物打印机1具有接纳表面20，构建体被布置成形成在接纳表面20上。
在图2中，公开了3D生物打印机系统1'的示例。如结合图1所公开的，3D生物打印机系统包括基座单元2，基座单元2包括适于安装至少一个工具头4'、4”、4”'的支承件3。基座单元2还包括用于在安装了工具头的情况下与工具头通信的通信接口部件5。基座单元还包括适于通过所述通信接口5与至少一个工具头通信的基座单元处理元件7。
3D生物打印机系统1'还包括一组10工具头4'、4”、4”'。每个工具头具有能够连接至基座单元2的通信接口部件5'的通信接口部件6'、6”、6”'。
至少一个工具头可以包括工具头处理元件8'、8”、8”'。工具头处理元件被布置成与基座单元处理元件通信。
如结合该附图所公开的3D生物打印机系统1'可以具有如结合图1、图3和图4以及图5所公开的一个或更多个附加特征。
在图3中，公开了用于3D生物打印的系统的系统概述的示例。该系统包括3D生物打印机部件1。该3D生物打印机部件包括基座单元处理元件7。基座单元处理元件7可以如结合其他附图所讨论的来设计。3D生物打印机部件还可以包括接口21。用户接口21可以如结合其他附图所讨论的来设计。
3D生物打印机部件1还可以包括一个或多个基座单元执行器或传感器13。基座单元执行器或传感器13可以包括用于执行3D打印的定位系统。用于在3D生物打印机中使用的定位系统在本领域中是已知的，并且在本文中不再详细讨论。一般而言，定位系统允许在沿X方向、Y方向和Z方向移动时分配材料。基座单元执行器或传感器13可以包括加压气体供应系统，如本文中结合其他附图所公开的。基座单元执行器或传感器13可以包括温度传感器以及/或者腔室中的床加热/床冷却和/或湿度控制以及/或者腔室中的温度控制以及/或者光控制以及/或者杀菌控制。
该系统还包括如结合其他附图所讨论的通信接口。此外，在示出的示例中，生物打印机的支承部件3形成有基座单元机械接口13，并且工具头4'、4”设置有相应的机械工具头接口14'、14”。
工具头4'、4”还包括工具头处理元件8'、8”。工具头处理元件8'、8”可以如结合其他附图所讨论的来设计。工具头4'、4”还包括工具头执行器或传感器12'、12”。通过工具头处理元件8'、8”或基座单元处理元件7来控制工具头执行器或传感器12'、12”。这已经结合其他附图进行了讨论。
在图4中，示出了用于生物打印构建体的方法40。该方法包括选择具有期望特征的工具头的步骤S2。生物打印机工具头可以具有存储与生物打印机工具头的特征有关的信息的工具头处理元件。生物打印机工具头能够连接至生物打印机的基座单元的机械接口部件。生物打印机工具头具有能够连接至生物打印机的基座单元的通信接口部件的通信接口部件。3D生物打印机还可以被布置成显示或者以任何其他方式呈现与应该使用哪个工具头有关并且还可能与应该如何准备工具头有关的信息。即根据该示例，3D打印机被布置以提供决策支持。3D生物打印机可以被布置成基于与操作有关的状态参数以及/或者要打印的构建体或打印过的构建体的特征来提供决策支持。状态参数和/或要打印的构建体的特征可以在基座单元处理元件处和/或一个或多个工具头处理元件处获得。
在下一步骤S3中，所选择的生物打印机工具头借助于接口部件机械地且通信地连接至生物打印机的基座单元。该步骤可以手动执行或自动执行。
在下一步骤S4中，通过向生物打印机的基座单元处理元件或工具头的处理元件提供激活信号来激活用所连接的工具头打印构建体。然后基于通过处理元件存储的或借助于用户接口手动输入的与生物打印机工具头的特征有关的信息来执行打印。可以通过从工具头挤出生物墨水来进行构建体的打印。可以由3D生物打印机自动完成对新打印头的检测，或者可以由用户设置对新打印头的检测。可以通过3D生物打印机手动激活打印或自动激活打印。
该方法还可以包括步骤S1：在打印被激活之前，将与要打印的构建体的特征有关的信息馈送至基座单元处理元件或处理元件。然后还可以基于与构建体的特征有关的信息来执行打印。在所示出的示例中，在选择工具头之前执行该步骤。这在选择工具头和/或可以提供决策支持方面具有优势。
用于生物打印构建体的方法还可以包括步骤S5：在挤出生物墨水之后暴露构建体以进行固化。在该步骤中，可以使用其中一个工具头。可以手动或自动启动该步骤。固化可以是光固化，例如UV、可见光或激光。可以使用任何其他方法进行固化，例如使用液体溶液的固化或基于热的固化。
通过如上定义的方法制造的3D生物打印的构建体可以由生物墨水材料制成，其中，生物墨水材料包括流体成分、半固体成分或固体成分或者其组合。生物墨水材料可以包括活细胞。
在图5中，公开了3D生物打印机1”的示例。3D生物打印机1”包括具有适于安装至少一个工具头4的支承件3的基座单元2。基座单元2还包括用于与至少一个工具头通信的通信接口部件5。3D生物打印机1”还包括用于排出气体例如打印空间中的空气的排气装置9。在所示出的示例中，排气装置9被安装在基座单元2处。然而，排气装置9可以替代地例如实施在至少一个工具头中。排气装置被连接至气体供应布置(未示出)。这在实践中例如通过将排气装置9连接至包括泵、蓄能器和数字或模拟控制的压力调节器的气体供应布置来实现。在使用数字控制和监控的泵时，泵的使用可以适于要用于特定生物打印的空气量。这允许较少地使用泵。此外，这具有实现更安静的操作的优点。
在一个示例中，气体供应布置被容纳在3D生物打印机1”中。用户不需要供应加压气体，例如空气。这使得能够更便携且容易地使用3D生物打印机布置。
生物打印机1”还包括适于控制排气装置的控制或处理元件。因此，基座单元处理元件可以适于基于与特定打印相关联的要求或请求来控制供应布置。因此，控制或处理元件被布置成使排出气体的使用适于不需要手动输入的情况。控制或处理元件可以被布置成还基于传感器数据——例如与环境温度和/或环境湿度和/或挤出材料温度和/或挤出材料粘度和/或挤出材料的其他特征有关的数据——来控制排气装置。
在所示处的示例中，基座单元处理元件7被布置在基座单元处。然后，基座单元处理元件可以被布置成控制排气装置9。然而，只要存在用于控制的通信，就可以在任何地方形成控制排气装置的控制或处理元件。例如，可以在工具头处理元件处至少部分地执行控制或处理元件。
在所示出的示例中，基座单元处理元件7和/或工具头处理元件(如果有的话)还被布置成控制至少一个工具头的操作。
如结合该图所公开的3D生物打印机1”可以具有如结合图1、图2、图3和图4所公开的一个或更多个附加特征。
应用示例——将载有细胞的生物墨水生物打印成耳结构和晶格结构
将根据MRI扫描重建的人耳的3D模型用于生物打印试验。在切片软件Slic3r中处理耳模型的STL(STereoLithography立体光刻)文件。首先，将模型缩放至原始大小的35％，将耳模型的理论孔隙率设置为50％，并生成用于3D生物打印机的G代码文件。该生物打印机配备有双气动驱动挤出机，以同时使用两种不同的生物墨水和细胞类型来构建复杂的3D结构。它还带有用于交联可光固化的生物墨水的UV固化系统(例如365nm波长和405nm波长)。使用气动驱动的挤出机将载有软骨细胞的NFC-A水凝胶构建体生物打印成人耳的形状。在生物打印后，将载有细胞的水凝胶构建体立即与100mM水状CaCl 2溶液交联10分钟，然后冲洗并在标准培养条件(37℃，5％ CO2和95％相对湿度)下在培养基中温育。
此外，本公开还提供了如下配置。
1.一种3D生物打印机(1)，包括基座单元(2)，所述基座单元(2)具有：
支承件(3)，其适于安装至少一个工具头(4)；
通信接口部件(5)，其用于在安装了所述至少一个工具头(4)的情况下与所述至少一个工具头(4)进行数据通信；以及
基座单元处理元件(7)，其适于通过所述通信接口部件(5)与所述至少一个工具头的工具头处理元件(8)通信。
2.根据配置1所述的3D生物打印机(1)，其中，所述支承件(3)包括适于安装至少一个可更换工具头的支承部件。
3.根据配置2所述的3D生物打印机，其中，所述基座单元处理元件(7)被布置成在安装了可更换工具头的情况下，通过所述通信接口部件(5)从所述至少一个可更换工具头的所述工具头处理元件获得关于与所述至少一个可更换工具头相关联的特征的信息。
4.根据配置3所述的3D生物打印机，其中，所述与所述至少一个可更换工具头相关联的特征包括与执行器类型例如所述可更换工具头的打印技术有关的信息，所述信息能够限定所述可更换工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头。
5.根据配置3或4所述的3D生物打印机，其中，所述与所述至少一个可更换工具头相关联的特征包括与工具头的传感器技术有关的信息，所述信息能够限定所述工具头是相机工具头、探索工具头和/或3D扫描工具头。
6.根据配置3至5中任一项所述的3D生物打印机，其中，所述基座单元处理元件(7)被布置成基于通过所述通信接口部件获得的与所述可更换工具头的特征有关的所述信息来获得用于控制所述至少一个可更换工具头的控制信号，并且将所述控制信号馈送至所述通信接口部件。
7.根据前述配置中任一项所述的3D生物打印机(1)，还包括所述至少一个工具头(4)，所述至少一个工具头(4)具有所述工具头处理元件(8)和能够连接至所述基座单元(2)的所述通信接口部件(5)的通信接口部件(6)。
8.根据配置7所述的3D生物打印机(1)，其中，所述工具头中的至少一个工具头的所述工具头处理元件被布置成至少部分地控制所述工具头的操作。
9.根据前述配置中任一项所述的3D生物打印机，还包括用于向所述至少一个工具头供应加压气体的加压气体接口部件和/或用于向所述至少一个工具头传输光的光接口部件。
10.根据前述配置中任一项所述的3D生物打印机，还包括用于排出气体例如打印空间中的空气的排气装置(9)，其中，所述排气装置(9)能够实施在所述至少一个工具头中。
11.根据配置10所述的3D生物打印机，其中，所述基座单元处理元件(7)被布置成控制气体的排出。
12.根据前述配置中任一项所述的3D生物打印机，用于对适合在选自以下的应用中的任何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生物打印的构建体的任何其他行业中的其他研究、调查或发展目的。
13.一种3D生物打印机系统(1')，包括：
基座单元(2)，其包括：适于安装工具头(4'，4”，4”)的支承件(3)；用于在安装了所述工具头(4'，4”，4”)的情况下与所述工具头(4'，4”，4”')通信的通信接口(5)；以及适于通过所述通信接口(5)与所述工具头(4'，4”，4”')通信的基座单元处理元件(7)，以及
在一组工具头(10)处，每个工具头(4'，4”，4”')具有能够连接至所述基座单元(2)的所述通信接口部件(5)的通信接口部件(6'，6”，6”')。
14.根据配置13所述的3D生物打印机系统，其中，所述工具头中的至少一个工具头包括工具头处理元件(8'，8”，8”')，其中，所述工具头处理元件被布置成与所述基座单元处理元件(7)通信。
15.一种3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，所述工具头能够连接至3D生物打印机的机械接口部件，并且具有
工具头处理元件(8；8'，8”，8”')，以及
通信接口部件(6；6'，6”，6”')，其能够连接至所述3D生物打印机的通信接口部件。
16.根据配置15所述的3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述工具头处理元件被布置成存储关于与至少一个工具头相关联的特征的信息。
17.根据配置16所述的3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，与至少一个可更换工具头相关联的特征包括与执行器类型例如可更换工具头的打印技术有关的信息，所述信息能够限定所述可更换工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头。
18.根据配置16或17所述的3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，与至少一个可更换工具头相关联的特征包括与工具头的传感器技术有关的信息，所述信息能够限定所述工具头是相机工具头、探测工具头和/或3D扫描工具头。
19.根据配置15至18中任一项所述的3D生物打印机工具头，其中，所述工具头处理元件被布置成至少部分地控制诸如以下的操作：挤出控制和/或挤出材料温度控制和/或挤出材料粘度控制以及/或者气体供应控制。
20.根据配置19所述的3D生物打印机工具头，其中，所述工具头处理元件被布置成基于由布置在所述工具头处或集成在所述工具头内的传感器获得的信息以及/或者基于经由所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')接收的信息，来至少部分地控制所述工具头的操作。
21.根据配置19或20所述的3D生物打印机工具头，其中，所述工具头处理元件被布置成基于与诸如粘度和/或温度的材料特性有关的信息以及/或者基于与用于挤出的喷嘴直径有关的信息，来至少部分地控制操作。
22.根据配置15至21中任一项所述的生物打印机工具头，其中，所述工具头处理元件被布置成至少部分地监控诸如以下的操作：监控挤出材料温度和/或挤出材料水平和/或挤出材料粘度和/或环境光和/或排出气体监控，以及/或者其中，所述工具头处理元件被布置成执行数据收集并且经由所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')报告对所述操作的监控，以及/或者其中，所述工具头处理元件被布置成执行错误检测并经由所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')报告所述错误。
23.一种用于生物打印构建体的方法，包括以下步骤：
选择(S2)具有期望特征的生物打印机工具头，
其中，所述生物打印机工具头能够具有存储与所述生物打印机工具头的特征有关的信息的工具头处理元件，
其中，所述生物打印机工具头能够连接至生物打印机的基座单元的机械接口部件，并且
其中，所述生物打印机工具头具有能够连接至所述生物打印机的所述基座单元的通信接口部件的通信接口部件，
借助于所述接口部件将所选的生物打印机工具头机械地且通信地连接(S3)至所述生物打印机的所述基座单元，以及
通过向所述生物打印机的基座单元处理元件或所述工具头的工具头处理元件提供激活信号来激活(S4)对所述构建体的打印，于是基于通过所述工具头处理元件存储的或者借助于用户接口手动输入的与所述生物打印机工具头的特征有关的信息来执行打印。
24.根据配置23所述的用于生物打印物品构建体的方法，还包括将与要打印的所述构建体的特征有关的信息馈送(S1)至所述基座单元处理元件或所述工具头处理元件的步骤，其中，还基于与所述构建体的特征有关的所述信息来执行打印。
25.根据配置23或24所述的用于生物打印构建体的方法，其中，通过从所述工具头挤出生物墨水来执行对所述构建体的打印。
26.根据配置25所述的用于生物打印构建体的方法，其中，在挤出生物墨水之后，暴露所述构建体以进行固化(S5)，其中所述固化例如是诸如UV固化、可见光固化或激光固化的光固化或利用液体溶液的固化或基于热的固化。
27.一种通过根据配置23至26中任一项所述的方法制造的3D生物打印的构建体，所述构建体由生物墨水材料制成，其中，所述生物墨水材料包括流体成分、半固体成分或固体成分或其组合。
28.根据配置27所述的3D生物打印的构建体，其中，所述生物墨水材料包括活细胞。
29.一种3D生物打印机(1)，包括基座单元(2)，所述基座单元(2)具有：
支承件(3)，其适于安装至少一个可更换工具头(4)，
通信接口部件(5)，其用于在安装了所述至少一个工具头(4)的情况下与所述至少一个工具头(4)通信，以及
基座单元处理元件(7)，其适于通过所述通信接口部件(5)与所述至少一个工具头通信。
30.一种3D生物打印机(1)，包括基座单元(2)，所述基座单元(2)具有：
支承件(3)，其适于安装至少一个工具头(4)，
通信接口部件(5)，其用于与所述至少一个工具头(4)通信，
排气装置(9)，其用于排出气体例如打印空间中的空气，其中，所述排气装置(9)能够实施在所述至少一个工具头中。
基座单元处理元件(7)，其适于通过所述通信接口部件(5)与所述至少一个工具头通信并适于控制所述排气装置(9)。

Claims (13)

1.一种可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，包括
工具头处理元件(8；8'，8”，8”')，以及
通信接口部件(6，6'，6”，6”')，其能够连接至3D生物打印机的支承件(3)的支承部件，所述支承件(3)布置在所述3D生物打印机的基座单元(2)内，并且所述支承部件适于安装至少一个可更换工具头(4，4'，4”，4”')，
其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成存储关于与所述至少一个可更换工具头(4；4'，4”，4”')相关联的特征的信息，并且
其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时，经由所述通信接口部件(6，6'，6”，6”')将关于与所述至少一个可更换工具头(4；4'，4”，4”')相关联的特征的所述信息传送至所述3D生物打印机的所述基座单元(2)中的基座单元处理元件(7)，其中，与所述至少一个可更换工具头(4，4'，4”，4”')相关联的所述特征包括与以下中的至少一个有关的信息：
I)执行器类型，例如所述可更换工具头(4，4'，4”，4”')的打印技术，所述信息限定所述可更换工具头(4，4'，4”，4”')是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头，或者
II)所述工具头的传感器技术，所述信息限定所述可更换工具头(4，4'，4”，4”')是相机工具头、探索工具头和/或3D扫描工具头。
2.根据前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时至少部分地控制所述3D生物打印机的操作，其中，这样的操作能够包括挤出控制和/或挤出材料温度控制和/或挤出材料粘度控制和/或气体供应控制。
3.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述3D生物打印机的所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时至少部分地控制所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')的操作，所述控制基于由布置在所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')处或集成在所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')内的传感器获得的信息以及/或者基于经由所述通信接口部件(6，6'，6”，6”')接收的信息。
4.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述3D生物打印机的所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时至少部分地控制所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')的操作，所述控制基于与用于挤出的材料的诸如粘度和/或温度的材料特性有关的信息以及/或者基于与用于挤出的喷嘴直径有关的信息。
5.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述3D生物打印机的所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成至少部分地监控所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')和/或所述3D生物打印机的操作，例如监控挤出材料温度和/或挤出材料水平和/或挤出材料粘度和/或环境光和/或排出气体监控。
6.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，当所述可更换工具头(4；4'，4”，4”')安装在所述3D生物打印机的所述基座单元(2)的所述支承件(3)上时，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成执行数据收集并且经由所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')报告对所述操作的监控，以及/或者其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成执行错误检测并且经由所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')报告所述错误。
7.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述通信接口部件(6；6'，6”，6”')被布置成用于数字通信。
8.根据任一前述权利要求所述的可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')被布置成收集与所述工具头有关的数据，并且所述工具头处理元件(8；8'，8”，8”')还被布置成以适合所述3D生物打印机的格式将所收集的数据格式化并且将其发送至所述3D生物打印机。
9.一组3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，所述工具头(4；4'，4”，4”')中的至少一个根据任一前述权利要求配置。
10.根据权利要求9所述的一组3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，包括根据权利要求1至8所述的多个可更换3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')。
11.根据权利要求9或10所述的一组3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，其中，所述3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')包括至少一个执行工具头和/或至少一个传感器工具头。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的一组3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，包括至少一个执行工具头，其中，所述执行工具头是气动挤出工具头、注射泵工具头、喷墨工具头、高温挤出工具头、用于移除材料的工具头和/或固化工具头之一。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的一组3D生物打印机工具头(4；4'，4”，4”')，包括至少一个传感器工具头，其中，所述传感器工具头是相机工具头、探索工具头和/或3D扫描工具头之一。
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