CN209775557U - 一种子母式生物3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种子母式生物3D打印机，这种生物打印系统由子机和母机两个分系统组成，子机包括子机生物墨盒模块、子机材料进给模块、握把模块、创口扫描模块等基本功能组件，结构轻巧便于携带且方便易用，可以作为一种急救设备跟随救援人员或是小型移动平台在第一线对伤员执行伤口扫描、止血、抗菌、施药等应急处理；母机由打印机框架、母机生物墨盒模块、母机材料进给模块、打印平台、三轴运动模组、转轴机构、高压静电电源、计算机控制系统及超净台等基本功能单元组成，精准多能，可以实现活细胞、生物材料、药物等3D可控打印，镍钛合金血管支架的生物膜涂敷，人工血管制造以及深度大范围伤口的精准修复治疗。

Description

一种子母式生物3D打印机

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，更具体的说是涉及一种子母式生物3D 打印机。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对精准医疗的需求日益迫切，这给组织工程、生物制造及医疗器械快速成形技术的研究和广泛应用带来前所未有的机遇。

生物3D打印是一种融合组织工程、生物制造与快速成形技术的新兴制造工艺，这种工艺基于“分层制造，层叠堆积”原理通过生物材料空间可控沉积来构建类组织结构。由于其具备多材料复杂结构体的快速、精确成形的特点，可以在空间上模拟体内组织结构实现特定细胞、细胞外基质及支撑材料的精准有序排列，因此近年来生物3D打印在药物筛选模型、可控缓释药物、人工移植体的制造领域得到越来越广泛地应用。

目前的生物打印机大多基于三轴运动机构实现在平面上的立体成形，这意味着在实现上述功能的同时，面对抢险救灾、海上救援和野外作战保障等环境下的开放性胸部伤、开放性腹部伤、四肢伤、烧伤的救治与修复，现在的生物打印系统结构复杂、体积质量大、工作环境要求高、对操作人员具有较高的专业素养要求、使用门槛高，限制了其作为一种急救设备跟随救援人员或是小型移动平台在第一线对伤员进行急救的能力。同时，海洋和野外抢险及作战保障的特殊环境条件决定了打印所需的创伤部位精确医学数字模型通常需要在送往大型综合性医疗机构之后才能通过CT、MRI等设备获取并用于伤情诊断和手术方案确定以及组织修复结构的制造，这样往往耽误最佳抢救时机。

因此，如何提供一种便于操作，及时救治伤者的生物3D打印机是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种子母式生物3D打印机，由子机和母机两个子系统组成，子机结构轻巧便于携带且方便易用，可以执行伤口扫描、止血、抗菌、施药等应急处理；母机精准多能，可以实现活细胞、生物材料、药物等3D可控打印，镍钛合金血管支架的生物膜涂敷，人工血管制造以及深度大范围伤口的精准修复治疗。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种子母式生物3D打印机，包括：便携式生物3D打印机和生物打印工作站；所述便携式生物3D打印机通过无线方式与所述生物打印工作站连接；

其中，所述生物打印工作站包括：打印工作站喷头、打印机框架、打印平台、三轴运动模组、母机高压静电电源、计算机控制系统及超净台；

所述超净台的台面上安装所述打印机框架；所述超净台的台面下放置所述母机高压静电电源和计算机控制系统；所述三轴运动模组包括XY平面运动机构和Z轴运动机构；所述XY平面运动机构安装在所述打印机框架的顶部横梁上；所述XY平面运动机构上的X轴滑块与所述打印工作站喷头固定连接；所述Z轴运动机构与所述打印平台固定连接；所述计算机控制系统均与所述打印工作站喷头、所述母机高压静电电源、所述三轴运动模组电性连接。

通过上述的技术方案，采用子母机概念设计研发，其中便携式生物3D打印机对现有打印机的功能进行取舍，在保留了材料进给、打印速度控制，高压静电施加等关键功能的基础上对全系统进行集成优化，使得整机结构轻巧便于携带且方便易用，可以跟随救援人员或是小型移动平台在第一线对伤员进行伤口止血、抗菌、施药等应急处理；细胞生物打印工作站则具备活细胞、生物材料、药物等3D可控打印，镍钛合金血管支架的生物膜涂敷，人工血管制造以及深度大范围伤口的精准修复治疗等功能特点。

优选的，所述便携式生物3D打印机，包括子机生物墨盒模块、子机材料进给模块、握把模块；其中，所述子机生物墨盒模块依次与所述子机材料进给模块、握把模块进行连接；

所述子机生物墨盒模块内部设有子机高压静电喷嘴，和位于所述子机高压静电喷嘴后端的注射器，所述注射器设有注射器活塞；

所述子机材料进给模块内部设有子机步进电机、与所述子机步进电机传动连接的丝杠，以及套接在所述丝杠上的活塞推板；所述活塞推板伸入所述子机生物墨盒模块并与所述注射器活塞末端相抵接；通过子机步进电机与丝杠之间的传动关系，带动活塞推板对注射器活塞施加推力的作用，结构简单紧凑，且便于推动速度和方向的调节。

所述握把模块内部设有控制卡、电机驱动、子机高压静电电源；所述握把模块外部设有电源插座、液晶显示器和控制开关；所述控制卡电连接所述电机驱动、电源插座、液晶显示屏和控制开关；所述电机驱动连接所述子机步进电机，并控制所述子机步进电机的启停和转向；所述控制开关位于所述握把模块的后端面上，包括控制子机步进电机启停的启停开关，以及控制子机步进电机转向的切换开关；所述液晶显示器一侧安装有与所述控制卡电连接的操作按钮，进行子机材料进给模块的工作参数设定；所述电源插座连接直流电源；所述子机高压静电电源连接所述子机高压静电喷嘴。

优选的，所述注射器内装填含有止血、抑菌等药物的生物材料。

优选的，所述便携式生物3D打印机还包括：创口扫描模块；所述创口扫描模块安装在所述子机材料进给模块侧部。

优选的，所述子机高压静电喷嘴内部设有金属电极，所述注射器的针头插入所述金属电极的正极与负极间，对针头施加高压静电。

优选的，所述子机高压静电喷嘴内部沿中轴设有带锥度的导向孔，所述导向孔两侧设有用于安装所述金属电极的插槽。

优选的，所述子机生物墨盒模块内部前端设有定位套筒，所述定位套筒的内径与所述注射器的外径相匹配。定位套筒能够防止注射器在子机生物墨盒模块内发生位移，影响推动力度和方向的控制。

优选的，所述子机生物墨盒模块与所述子机材料进给模块插接；并通过螺丝与所述子机材料进给模块固定连接；所述子机生物墨盒模块的壳体两侧内壁设有至少一对插接公头一和至少一对插接母头二；所述子机材料进给模块的壳体两侧内壁设有与所述插接公头一相匹配的插接母头一，以及与所述插接母头二相匹配的插接公头二。通过插拔方式使得和子机生物墨盒模块进行对接安装更加方便快捷。配合蝶形螺母的紧固调节，能够提升连接的稳定性。

优选的，所述子机生物墨盒模块的外壳表面在所述注射器的管体和/或所述注射器活塞的对应位置设有观察窗。注射器的管体对应位置的观察窗方便对注射器内生物材料余量的监测，以便及时更换；通过注射器活塞对应位置的观察窗能够了解当前注射器活塞位置及活塞推板位置，便于对注射器的安装、更换操作。

优选的，所述丝杠通过所述子机材料进给模块后端的通孔向外伸出，能够在应急条件下通过手动旋转的方式操纵活塞推板进行材料进给。

优选的，所述子机材料进给模块内部还设有与所述丝杠平行的导向轴，所述导向轴的两端固定在所述子机材料进给模块的壳体内壁上；所述活塞推板套设在所述导向轴上，并与所述导向轴滑动连接。导向轴对活塞推板的运动起到导向作用，增加了活塞推板运动的稳定性。

优选的，所述子机材料进给模块的壳体上一体连接有电机外罩，具有防护功能。

所述电源插座连接直流电源；便携式生物3D打印机使用12V直流电。

所述子机高压静电电源由直流电源供电，并连接所述子机高压静电喷嘴。

优选的，所述握把模块内部还设有电池，所述电池连接所述电源插座进行充电，所述电池连接所述控制卡，为所述握把模块和所述子机材料进给模块提供电源。电源插座根据使用环境可以在电源适配器供电或电池供电两种模式之间切换。

优选的，打印工作站喷头包括：母机生物墨盒模块和母机材料进给模块；所述母机生物墨盒模块与所述母机材料进给模块插接，并通过蝶形螺母固定连接；所述母机生物墨盒模块的壳体两侧内壁设有至少一对插接公头一和至少一对插接母头二；所述母机材料进给模块的壳体两侧内壁设有与所述插接公头一相匹配的插接母头一，以及与所述插接母头二相匹配的插接公头二。

优选的，所述母机材料进给模块内部设有母机步进电机、与所述母机步进电机传动连接的丝杠，以及套接在所述丝杠上的活塞推板；所述活塞推板伸入所述母机生物墨盒模块并与所述注射器活塞末端相抵接。

优选的，所述母机生物墨盒模块内部设有母机高压静电喷嘴；所述母机高压静电喷嘴内部设有金属电极。

优选的，所述母机高压静电电源正极与所述母机高压静电喷嘴的金属电极相连，负极与所述打印平台相连。

优选的，所述打印平台上安装转轴机构；所述转轴机构由第三步进电机、芯轴、机架、联轴器、深沟球轴承及轴承座组成；所述机架与打印平台固定联接，所述第三步进电机安装在机架的一端，步进电机的伸出轴通过联轴器与芯轴连接；所述芯轴两端通过深沟球轴承安装在机架的轴承座上。

一种基于生物打印工作站的生物结构体成形的方法，具体步骤包括如下：

(1)准备阶段：所述计算机控制系统中载入需打印的三维模型，并根据模型特征对成形方法、打印平台以及打印材料进行选择；

(2)安装阶段：调整安装在三轴运动模组上的母机材料进给模块的活塞推板位置，使其满足母机生物墨盒模块的安装条件；根据选择所需打印材料对应的母机生物墨盒模块，沿母机材料进给模块外壳凹槽插入母机生物墨盒模块，完成装配；

(3)准备打印阶段：手动旋转母机材料进给模块的丝杠使活塞推板向前进给，通过母机生物墨盒模块上的观察窗对推板位置进行观察，直到活塞推板触碰注射器活塞，停止进给；调整母机高压静电喷嘴与打印平台之间的距离，调整母机高压静电电源的电压以满足不同打印工艺及材料的要求；

(4)开始打印：启动打印，打印工作站喷头在三轴运动模组带动下沿打印路径在XY平面上运动；根据需要通过Z轴运动机构调整打印平台与母机高压静电喷嘴的距离；同时，计算机控制系统依据打印路径，驱动打印工作站喷头中的母机步进电机旋转，使活塞推板推动注射器活塞按预设流量挤出材料，使材料按点状或线状结构进行排列与叠层堆积，最后完成毫米尺度的生物体结构的成形。

(5)一种基于子母式生物3D打印机的创口修复的生物3D打印方法，包含上述的生物结构体成形的方法；所述准备阶段之前的具体步骤包括如下：

(1)便携式生物3D打印机安装阶段：调整子机材料进给模块的活塞推板位置，使其满足子机生物墨盒模块安装条件；将子机生物墨盒模块的插脚完全插入子机材料进给模块外壳上对应的安装槽中，完成子机生物墨盒模块和子机材料进给模块的装配；手动旋转子机材料进给模块的丝杠使活塞推板向子机高压静电喷嘴方向推进，通过子机生物墨盒模块上的观察窗对活塞推板的位置进行观察，直到活塞推板与注射器活塞接触，停止进给；

(2)便携式生物3D打印机伤口扫描阶段：将创口扫描模块对准创口部位进行扫描并将扫描获取的创口图片及特征数据发送给生物打印工作站，由后方医护人员及设备操作人员进行伤情诊断、数据处理、模型重建、工艺参数设定、打印路径规划并使用生物打印工作站完成创口修复体的制备；

(3)便携式生物3D打印机伤口救治阶段：将便携式生物3D打印机的子机高压静电喷嘴对准创口部位，按下启动开关，子机材料进给模块的子机步进电机带动活塞推板按设定速度向子机高压静电喷嘴方向推进注射器活塞，同时握把模块中的子机高压静电电源在在针头施加高压静电，在活塞推力和静电场力的共同作用下，注射器针尖处喷射出纳米级纤维丝，在创口表面形成一层纤维薄膜实现对创口的应急救治；

(4)便携式生物3D打印机将图像数据发送给生物打印工作站进行处理及三维模型重建。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)系统采用子母机概念设计研发，其中便携式生物3D打印机对现有打印机的功能进行取舍，在保留了材料进给、打印速度控制，高压静电施加等关键功能的基础上对全系统进行集成优化，使得整机结构轻巧便于携带且方便易用，可以跟随救援人员或是小型移动平台在第一线对伤员进行伤口止血、抗菌、施药等应急处理；细胞生物打印工作站(母机)则具备活细胞、生物材料、药物等3D可控打印，镍钛合金血管支架的生物膜涂敷，人工血管制造以及深度大范围伤口的精准修复治疗等功能特点。

(2)将转轴机构作为附加功能单元融入打印平台设计，能实现具有空间分层结构的管状结构体的制备，能够服务于机械制造和生物制造技术领域。

(3)打印喷头同时具备挤出、电纺、电喷等多种工作方式，可以实现从纳米级到毫米级的多尺度纤维的打印。

(4)容纳打印材料的一次性生物墨盒采用即插即用的模块化设计，将墨盒插入材料进给模块后即可使用，免去了材料装填、针筒固定、电极安装过程，减少材料变质、污染的可能性，提高设备的使用安全性。

(5)生物打印工作站以及便携式生物3D打印机使用相同的生物墨盒及材料进给模块，可以互相替换，简化设备结构，减少设备耗材类型，降低使用维护成本。

(6)便携式生物3D打印机具备创口扫描功能，可将创口照片及特征数据记录、发送给母机，使后方医护人员进行伤情诊断、数据处理、模型重建、工艺参数设定、打印路径规划并使用母机完成创口修复体的制备。整个过程可与前方伤员的救治及运送同时展开，将伤员的运送和后方医院的诊断相结合，可以极大缩短急救时间链，提高伤者的生存率和治愈率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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附图为本实用新型的结构示意图；

图2附图为本实用新型的便携式生物3D打印机爆炸图；

图3附图为本实用新型的子机生物墨盒模块俯视图；

图4附图为本实用新型的子机生物墨盒模块的A-A剖视图；

图5附图为本实用新型的子机生物墨盒模块的局部放大图；

图6附图为本实用新型的子机材料进给模块的俯视图；

图7附图为本实用新型的子机材料进给模块的A-A剖视图；

图8附图为本实用新型的生物打印工作站结构示意图；

图9附图为本实用新型的三轴运动模组与打印工作站喷头组装示意图；

图10附图为本实用新型的转轴机构结构示意图；

图11附图为本实用新型的打印流程图。

在图中：I1子机生物墨盒模块、I11子机高压静电喷嘴、I12观察窗、I13 注射器、I14注射器活塞、I15插脚、I16定位套筒、I17电极板、I2材料进给模块、I21子机步进电机、I22插槽、I23导向轴、I24活塞推板、I3握把模块、 I31液晶显示屏、I32启动开关、I33切换开关、I4创口扫描模块、II1打印机框架、II2打印工作站喷头、II3三轴运动模组、II4XY平面运动机构、II5Z轴运动机构、II6打印平台、II7超净台、II8计算机控制系统、II9母机高压静电电源、II21母机生物墨盒模块、II22母机材料进给模块、III转轴机构、III1 第三步进电机、III3芯轴、III2机架、III4联轴器、III5深沟球轴承、III6轴承座。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种子母式生物3D打印机，由子机和母机两个子系统组成，子机结构轻巧便于携带且方便易用，可以执行伤口扫描、止血、抗菌、施药等应急处理；母机精准多能，可以实现活细胞、生物材料、药物等3D可控打印，镍钛合金血管支架的生物膜涂敷，人工血管制造以及深度大范围伤口的精准修复治疗。

实施例1：

一种子母式生物3D打印机，包括：便携式生物3D打印机I和生物打印工作站II；便携式生物3D打印机I通过无线方式与生物打印工作站II连接；

其中，生物打印工作站II包括：打印工作站喷头II2、打印机框架II1、打印平台II6、三轴运动模组II3、母机高压静电电源II9、计算机控制系统II8 及超净台II7；

超净台II7的台面上安装打印机框架II1；超净台II7的台面下放置母机高压静电电源II9和计算机控制系统II8；三轴运动模组II3包括XY平面运动机构II4和Z轴运动机构II5；XY平面运动机构II4安装在打印机框架II1的顶部横梁上；XY平面运动机构II4上的X轴滑块与打印工作站喷头II2固定连接；Z轴运动机构II5与打印平台II6固定连接；计算机控制系统II8均与打印工作站喷头II2、母机高压静电电源II9、三轴运动模组II3电性连接。

优选的，便携式生物3D打印机I，包括子机生物墨盒模块I1、子机材料进给模块I2、握把模块I3；其中，子机生物墨盒模块I1依次与子机材料进给模块I2、握把模块I3进行连接；

子机生物墨盒模块I1内部设有子机高压静电喷嘴I11，和位于子机高压静电喷嘴I11后端的注射器I13，注射器I13设有注射器活塞I14；

子机材料进给模块I2内部设有子机步进电机I21、与子机步进电机I21传动连接的丝杠，以及套接在丝杠上的活塞推板I24；活塞推板I24伸入子机生物墨盒模块I1并与注射器活塞I14末端相抵接；通过子机步进电机I21与丝杠之间的传动关系，带动活塞推板I24对注射器活塞I14施加推力的作用，结构简单紧凑，且便于推动速度和方向的调节。

握把模块I3内部设有控制卡、电机驱动、子机高压静电电源；握把模块 I3外部设有电源插座、液晶显示器I31和控制开关；控制卡电连接电机驱动、电源插座、液晶显示屏和控制开关；电机驱动连接子机步进电机I21，并控制子机步进电机I21的启停和转向；控制开关位于握把模块I3的后端面上，包括控制子机步进电机I21启停的启停开关，以及控制子机步进电机I21转向的切换开关I33；液晶显示器I31一侧安装有与控制卡电连接的操作按钮，进行子机材料进给模块的工作参数设定；电源插座连接直流电源；子机高压静电电源连接子机高压静电喷嘴I11。

优选的，注射器I13内装填含有止血、抑菌等药物的生物材料。

优选的，便携式生物3D打印机I还包括：创口扫描模块I4；创口扫描模块I4安装在子机材料进给模块侧部。

优选的，子机高压静电喷嘴I11内部设有金属电极，注射器I13的针头插入金属电极的正极与负极间，对针头施加高压静电。

优选的，子机高压静电喷嘴I11内部沿中轴设有带锥度的导向孔，导向孔两侧设有用于安装金属电极的插槽I22。

优选的，子机生物墨盒模块I1内部前端设有定位套筒I16，定位套筒I16 的内径与注射器I13的外径相匹配。定位套筒I16能够防止注射器I13在生子机物墨盒模块I1内发生位移，影响推动力度和方向的控制。

优选的，子机生物墨盒模块I1与子机材料进给模块I2插接；并通过螺丝与子机材料进给模块I2固定连接；子机生物墨盒模块I1的壳体两侧内壁设有至少一对插接公头一和至少一对插接母头二；子机材料进给模块I2的壳体两侧内壁设有与插接公头一相匹配的插接母头一，以及与插接母头二相匹配的插接公头二。通过插拔方式使得和子机生物墨盒模块I1进行对接安装更加方便快捷。配合蝶形螺母的紧固调节，能够提升连接的稳定性。

优选的，子机生物墨盒模块I1的外壳表面在注射器I13的管体和/或注射器活塞I14的对应位置设有观察窗I12。注射器I13的管体对应位置的观察窗 I12方便对注射器I13内生物材料余量的监测，以便及时更换；通过注射器活塞I14对应位置的观察窗I12能够了解当前注射器活塞I14位置及活塞推板I24 位置，便于对注射器I13的安装、更换操作。

优选的，丝杠通过子机材料进给模块I2后端的通孔向外伸出，能够在应急条件下通过手动旋转的方式操纵活塞推板I24进行材料进给。

优选的，子机材料进给模块I2内部还设有与丝杠平行的导向轴I23，导向轴I23的两端固定在子机材料进给模块I2的壳体内壁上；活塞推板I24套设在导向轴I23上，并与导向轴I23滑动连接。导向轴I23对活塞推板I24的运动起到导向作用，增加了活塞推板I24运动的稳定性。

优选的，子机材料进给模块I2的壳体上一体连接有电机外罩，具有防护功能。

电源插座连接直流电源；便携式生物3D打印机I使用12V直流电。

子机高压静电电源由直流电源供电，并连接子机高压静电喷嘴I11。

优选的，握把模块I3内部还设有电池，电池连接电源插座进行充电，电池连接控制卡，为握把模块I3和子机材料进给模块提供电源。电源插座根据使用环境可以在电源适配器供电或电池供电两种模式之间切换。

优选的，打印工作站喷头II2包括：母机生物墨盒模块II21和母机材料进给模块II22；母机生物墨盒模块II21与母机材料进给模块II22插接，并通过蝶形螺母固定连接；母机生物墨盒模块II21的壳体两侧内壁设有至少一对插接公头一和至少一对插接母头二；母机材料进给模块II22的壳体两侧内壁设有与插接公头一相匹配的插接母头一，以及与插接母头二相匹配的插接公头二。

优选的，母机材料进给模块II22内部设有母机步进电机、与母机步进电机传动连接的丝杠，以及套接在丝杠上的活塞推板I24；活塞推板I24伸入母机生物墨盒模块II21并与注射器活塞I14末端相抵接。

优选的，母机生物墨盒模块II21内部设有母机高压静电喷嘴；母机高压静电喷嘴内部设有金属电极。

优选的，母机高压静电电源II9正极与母机高压静电喷嘴的金属电极相连，负极与打印平台II6相连。

优选的，打印平台II6上安装转轴机构III；转轴机构III由第三步进电机 III1、芯轴III3、机架III2、联轴器III4、深沟球轴承III5及轴承座III6组成；机架III2与打印平台II6固定联接，第三步进电机III1安装在机架III2的一端，步进电机的伸出轴通过联轴器III4与芯轴III3连接；芯轴III3两端通过深沟球轴承III5安装在机架III2的轴承座III6上。

实施例2：

一种基于生物打印工作站II的生物结构体成形的方法，具体步骤包括如下：

(6)准备阶段：计算机控制系统II8中载入需打印的三维模型，并根据模型特征对成形方法、打印平台II6以及打印材料进行选择；

(7)安装阶段：调整安装在三轴运动模组II3上的母机材料进给模块II22 的活塞推板I24位置，使其满足母机生物墨盒模块II21的安装条件；根据选择所需打印材料对应的母机生物墨盒模块II21，沿母机材料进给模块II22外壳凹槽插入母机生物墨盒模块II21，完成装配；

(8)准备打印阶段：手动旋转母机材料进给模块II22的丝杠使活塞推板 I24向前进给，通过母机生物墨盒模块II21上的观察窗I12对活塞推板I24位置进行观察，直到活塞推板I24触碰注射器活塞I14，停止进给；调整母机高压静电喷嘴与打印平台II6之间的距离，调整母机高压静电电源II9的电压以满足不同打印工艺及材料的要求；

(9)开始打印：启动打印，打印工作站喷头II2在三轴运动模组II3带动下沿打印路径在XY平面上运动；根据需要通过Z轴运动机构II5调整打印平台II6与母机高压静电喷嘴的距离；同时，计算机控制系统II8依据打印路径，驱动打印工作站喷头II2中的母机步进电机旋转，使活塞推板I24推动注射器活塞I14按预设流量挤出材料，使材料按点状或线状结构进行排列与叠层堆积，最后完成毫米尺度的生物体结构的成形。

实施例3：

一种基于子母式生物3D打印机的创口修复的生物3D打印方法，包含上述的生物结构体成形的方法；准备阶段之前的具体步骤包括如下：

(5)便携式生物3D打印机I安装阶段：调整子机材料进给模块I2的活塞推板I24位置，使其满足子机生物墨盒模块I1安装条件；将子机生物墨盒模块的插脚I15完全插入子机材料进给模块I2外壳上对应的安装槽中，完成子机生物墨盒模块I1和子机材料进给模块I2的装配；手动旋转子机材料进给模块I2的丝杠使活塞推板I24向子机高压静电喷嘴I11方向推进，通过子机生物墨盒模块I1上的观察窗I12对活塞推板I24的位置进行观察，直到活塞推板I24与注射器活塞I14接触，停止进给；

(6)便携式生物3D打印机I伤口扫描阶段：将创口扫描模块I4对准创口部位进行扫描并将扫描获取的创口图片及特征数据发送给生物打印工作站 II，由后方医护人员及设备操作人员进行伤情诊断、数据处理、模型重建、工艺参数设定、打印路径规划并使用生物打印工作站II完成创口修复体的制备；

(7)便携式生物3D打印机I伤口救治阶段：将便携式生物3D打印机I 的子机高压静电喷嘴I11对准创口部位，按下启动开关I32，子机材料进给模块I2的子机步进电机I21带动活塞推板I24按设定速度向子机高压静电喷嘴 I11方向推进注射器活塞I14，同时握把模块I3中的子机高压静电电源在在针头施加高压静电，在活塞推力和静电场力的共同作用下，注射器I13针尖处喷射出纳米级纤维丝，在创口表面形成一层纤维薄膜实现对创口的应急救治；

(8)便携式生物3D打印机I将图像数据发送给生物打印工作站II进行处理及三维模型重建。

实施例4：

注射器I13的安装更换过程：将注射器I13插入子机生物墨盒模块I1的定位套筒I16并用紧定螺钉固定，完成子机生物墨盒模块I1的准备。更换时，调整运动方向切换开关I33，按下启动开关I32使子机材料进给模块I2的丝杠向子机生物墨盒模块I1的后端移动，直至脱离活塞推板I24，并取出注射器 I13。或采用手动旋拧丝杠的方式使丝杠向子机生物墨盒模块I1的后端移动。

子机生物墨盒模块I1的安装过程：调整子机材料进给模块I2的活塞推板 I24位置，使其满足子机生物墨盒模块I1安装条件。选择所需生物材料对应的子机生物墨盒模块I1，沿子机材料进给模块I2外壳凹槽插入子机生物墨盒模块I1，完成装配；手动旋转子机材料进给模块I2的丝杠使活塞推板I24向前进给，通过子机生物墨盒模块I1上的观察窗I12对活塞推板I24位置进行观察，直到活塞推板I24触碰注射器活塞I14，停止进给。

打印过程：将子机高压静电喷嘴I11对准创口部位，按下启动开关I32，子机材料进给模块I2的子机步进电机I21启动并按设定速度向喷嘴方向推进注射器活塞I14，使活塞推板I24推动注射器活塞I14按预设流量挤出生物材料，使生物材料按点状或线状结构进行排列与叠层堆积，最后完成毫米尺度的生物体结构的成形。此外，金属电极在打印过程中可向注射器I13的针头施加高压静电，在注射器活塞I14推力和静电场力的共同作用下，注射器I13针尖处喷射出微纳尺度上的单一纤维、纤维网或者微颗粒，在创口表面形成一层纤维薄膜实现对创口的应急救治。

实施例五：

利用上述系统，使用便携式生物3D打印机对创口进行敷料的方法，操作步骤如下：

1)子机生物墨盒模块I1准备步骤：将1.5gPCL颗粒加入医用丙酮溶液，使用磁力搅拌器搅拌3小时，在室温下静置1小时，配成质量体积比为15％的PCL溶液作为打印材料。将5mLPCL溶液加入到规格为10mL的一次性医疗注射器I13中，去除材料中的气泡后将注射器I13插入子机生物墨盒模块I1 的定位套筒I16并用紧定螺钉固定，完成子机生物墨盒模块I1的准备。

2)创口表面敷料步骤：调整子机材料进给模块I2的活塞推板I24位置，使其满足子机生物墨盒模块I1安装条件。将子机生物墨盒模块的插脚I15完全插入子机材料进给模块I2外壳上对应的安装槽中，完成子机生物墨盒模块 I1和子机材料进给模块I2的装配；手动旋转子机材料进给模块I2的丝杠使活塞推板I24向喷嘴方向推进，通过子机生物墨盒模块I1上的观察窗I12对活塞推板I24的位置进行观察，直到活塞推板I24与注射器活塞I14接触，停止进给。使用液晶屏设定活塞推板I24的推进速度为0.5mm/min。将子机高压静电喷嘴I11对准创口部位，按下启动开关I32，子机材料进给模块I2的丝杆步进电机带动活塞推板I24按0.5mm/min的设定速度向喷嘴方向推进注射器活塞I14，同时握把模块I3中的子机高压静电电源经由子机高压静电喷嘴I11中的电极板I17向注射器I13针头施加高压静电。在活塞推力和静电场力的共同作用下，注射器I13针尖处喷射出纳米级纤维丝，在创口表面形成PCL纤维薄膜敷料。

实施例六：

利用上述系统，使用细胞生物打印工作站II制备创口修复体的方法，操作步骤如下：

1)母机生物墨盒模块II21准备步骤：将明胶颗粒在60℃水浴加热条件下溶于去离子水，搅拌后得到16％的明胶溶液。将海藻酸钠粉末在室温条件下溶于去离子水，搅拌后得到4％的海藻酸钠溶液。所有溶液在70℃下加热三次，每次30分钟进行灭菌处理。待溶液温度降到37℃时，将NIH 3T3细胞在明胶溶液与海藻酸钠溶液1：1混合液中重悬，配置含有8％明胶、2％海藻酸钠，细胞密度为1×10^6细胞/毫升的含细胞生物打印材料。将5mL上述混合材料溶液加入到规格为10mL的一次性医疗注射器I13中，去除材料中的气泡后将注射器I13插入子机生物墨盒模块I1的定位套筒I16并用紧定螺钉固定，完成母机生物墨盒模块II21的准备。

2)修复体打印步骤：在计算机控制系统II8中载入打印的模型。调整安装在三轴运动模组II3上的母机材料进给模块II22的活塞推板I24的位置，使其满足母机生物墨盒模块II21安装条件，将母机材料进给模块II22外壳凹槽插入母机生物墨盒模块II21，完成装配。手动旋转母机材料进给模块II22的丝杠使活塞推板I24向前进给，通过母机生物墨盒模块II21上的观察窗I12 对活塞推板I24位置进行观察，直到活塞推板I24触碰注射器活塞I14，停止进给。调整针头与培养皿之间的垂直间距到1mm，选择挤出打印模式并设置母机高压静电电源II9的电压为0V。启动打印，打印站喷头在三维运动模组带动下沿打印路径在XY平面上运动；同时，计算机控制系统II8驱动喷头中的母机步进电机旋转，使活塞推板I24推动注射器活塞I14按预设流量挤出材料，在打印平台II6上按预设模型完成修复体的打印。之后，对打印好的修复体喷洒3％的CaCl₂溶液，使其与墨水中的海藻酸钠发生交联反应，提升修复体的力学强度，完成修复体制备。

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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (8)

1.一种子母式生物3D打印机，其特征在于，包括：便携式生物3D打印机和生物打印工作站；所述便携式生物3D打印机通过无线方式与所述生物打印工作站连接；

其中，所述生物打印工作站包括：打印工作站喷头、打印机框架、打印平台、三轴运动模组、母机高压静电电源、计算机控制系统及超净台；

所述超净台的台面上安装所述打印机框架；所述超净台的台面下放置所述母机高压静电电源和计算机控制系统；所述三轴运动模组包括XY平面运动机构和Z轴运动机构；所述XY平面运动机构安装在所述打印机框架的顶部横梁上；所述XY平面运动机构上的X轴滑块与所述打印工作站喷头固定连接；所述Z轴运动机构与所述打印平台固定连接；所述计算机控制系统均与所述打印工作站喷头、所述母机高压静电电源、所述三轴运动模组电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述便携式生物3D打印机，包括子机生物墨盒模块、子机材料进给模块、握把模块；其中，所述子机生物墨盒模块依次与所述子机材料进给模块、握把模块进行连接；

所述子机生物墨盒模块内部设有子机高压静电喷嘴，和位于所述子机高压静电喷嘴后端的注射器，所述注射器设有注射器活塞；

所述子机材料进给模块内部设有子机步进电机、与所述子机步进电机传动连接的丝杠，以及套接在所述丝杠上的活塞推板；所述活塞推板伸入所述子机生物墨盒模块并与所述注射器活塞末端相抵接；

所述握把模块内部设有控制卡、电机驱动、子机高压静电电源；所述握把模块外部设有电源插座、液晶显示器和控制开关；所述控制卡电连接所述电机驱动、电源插座、液晶显示屏和控制开关；所述电机驱动连接所述子机步进电机，并控制所述子机步进电机的启停和转向；所述控制开关位于所述握把模块的后端面上，包括控制子机步进电机启停的启停开关，以及控制子机步进电机转向的切换开关；所述液晶显示器一侧安装有与所述控制卡电连接的操作按钮，进行子机材料进给模块的工作参数设定；所述电源插座连接直流电源；所述子机高压静电电源连接所述子机高压静电喷嘴。

3.根据权利要求2所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述便携式生物3D打印机还包括：创口扫描模块；所述创口扫描模块安装在所述子机材料进给模块侧部。

4.根据权利要求1所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，打印工作站喷头包括：母机生物墨盒模块和母机材料进给模块；所述母机生物墨盒模块与所述母机材料进给模块插接，并通过蝶形螺母固定连接；所述母机生物墨盒模块的壳体两侧内壁设有至少一对插接公头一和至少一对插接母头二；所述母机材料进给模块的壳体两侧内壁设有与所述插接公头一相匹配的插接母头一，以及与所述插接母头二相匹配的插接公头二。

5.根据权利要求4所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述母机材料进给模块内部设有母机步进电机、与所述母机步进电机传动连接的丝杠，以及套接在所述丝杠上的活塞推板；所述活塞推板伸入所述母机生物墨盒模块并与注射器活塞末端相抵接。

6.根据权利要求4所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述母机生物墨盒模块内部设有母机高压静电喷嘴；所述母机高压静电喷嘴内部设有金属电极。

7.根据权利要求6所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述母机高压静电电源正极与所述母机高压静电喷嘴的金属电极相连，负极与所述打印平台相连。

8.根据权利要求1所述的一种子母式生物3D打印机，其特征在于，所述打印平台上安装转轴机构；所述转轴机构由第三步进电机、芯轴、机架、联轴器、深沟球轴承及轴承座组成；所述机架与打印平台固定联接，所述第三步进电机安装在机架的一端，步进电机的伸出轴通过联轴器与芯轴连接；所述芯轴两端通过深沟球轴承安装在机架的轴承座上。