基于激光诱导的3d生物打印系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于3D生物打印领域，尤其涉及一种基于激光诱导的3D生物打印系统及方法。
【背景技术】
[0002]我国每年需要器官移植的患者已经达到了 100万左右，而真正能够做上移植的只有I万人，其中需要做肝移植的患者每年有20~30万，但是每年做上肝移植的人只有3000-4000人；很多需要心脏、肝脏、肺脏这些器官的患者由于得不到可移植器官而死去。
[0003]3D生物打印技术是目前解决移植器官难题的一种途径，并得到了快速发展；其能够按需打印患者所需器官，同时由于打印器官的种子细胞来自于患者或患者近亲，所以基本上不会出现排异反应。目前3D生物打印技术一般采用类似喷墨打印方式进行3D打印，即将需要打印的生物材料放入打印喷头，通过压电装置、超声等方式将生物材料以液滴形式从打印喷头上流出，并转移到打印基本材料上。由于打印喷头中需要填充满生物材料，因此打印生物材料消耗较大，受限于打印喷头尺寸的限制，一般打印的生物材料精度也有限，同时由于一般打印设备中打印喷头数目只有两个或少量几个，打印速度较慢。以上不足，均将增加3D生物打印的制造周期和成本。
【发明内容】
[0004]针对现有3D生物打印技术工艺存在的不足，本发明提供了一种基于激光诱导的3D生物打印系统及方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:
一、基于激光诱导的3D生物打印系统，包括:
激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统和控制中心，激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统均与控制中心信号连接；其中:
激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面；
固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方；
三维移动平台，用来放置打印载体并使打印载体三维移动；
实时监控系统，用来实时监控打印载体位置数据以及当前打印层的几何形貌和精度。
[0006]上述激光阵列产生系统包括激光源、光路系统和分光装置，激光源产生的激光束通过光路系统传送至分光装置。
[0007]上述系统还包括机械臂，用来给透明基板下表面涂覆细胞溶液和培养液。
[0008]二、基于激光诱导的3D生物打印方法，采用上述基于激光诱导的3D生物打印装置逐层打印，各打印层的打印步骤包括:
步骤1，打印载体置于容器内，容器置于三维移动平台上，下表面分别涂覆细胞溶液和培养液的两块透明基板通过固定件固定于容器上方； 步骤2，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到下表面涂覆细胞溶液的透明基板上表面，诱导照射区域内细胞溶液从透明基板上脱离，滴落至打印载体；
步骤3，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到下表面涂覆培养液的透明基板上表面，诱导该照射区域内培养液从透明基板上脱离，滴落至容器内未涂覆细胞溶液的区域。
[0009]步骤2和3中，实时监控系统采集容器内打印载体的位置数据，控制中心根据位置数据调控激光阵列出射位置和移动三维移动平台，使得细胞溶液可正好滴落至打印载体上、培养液可正好滴落至容器内细胞溶液外区域。
[0010]步骤2中，控制中心控制移动三维移动平台，使得细胞溶液在打印载体上均匀分布。
[0011]打印过程中，实时监控系统实时监控当前打印层的几何形貌和3D方向上精度，并将监测数据反馈至控制中心，控制中心根据监测数据调整工艺参数。
[0012]
本发明的工作原理如下:
激光阵列产生系统产生激光阵列照射下表面涂覆有细胞溶液和培养液的透明基板，由于温度升高，照射区域细胞溶液和培养液中液体汽化，将产生脉动高气压诱导细胞溶液和培养液脱离透明基板，滴涂到打印载体。控制中心通过控制三维移动平台移动和调控激光阵列产生系统输出功率实现高精度的3D生物打印。
[0013]和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:
本发明可实现快速、高精度、大幅面的生物器官打印，有利于大大减低3D生物打印的制造成本和制造周期。
【附图说明】
[0014]为了更清楚地说明本发明方法，下面将对实施例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为本发明实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为激光阵列产生系统的具体结构示意图；
图2为本发明装置的具体结构示意图；
图3为本发明方法的具体工艺过程示意图；
图4为本发明工作原理示意图。
[0016]图中，0010-激光源，0020-光路系统，0030-数字反射镜，0040-光扫描装置，0050-透明基板，0060-细胞溶液，0070-培养液，0080-容器，0090-三维移动平台，00110-实时监控系统，00120-生物器官，00130-蒸汽，00140-激光束，00150-激光阵列。
【具体实施方式】
[0017]下面将结合【具体实施方式】和附图对本发明方法做进一步说明。
[0018]见图1，本发明激光阵列产生系统包括激光源(0010)、光路系统(0020)和分光装置，激光源(0010 )产生的激光束(00140 )通过光路系统(0020 )传送至分光装置，分光装置对激光束(00140)进行分光，从而获得单束或多束的激光阵列(00150)。具体实施时，分光装置可以采用数字反射镜(0030 )或光扫描装置(0040 )。
[0019]见图2，本发明装置包括激光阵列产生系统、三维移动平台(0090)、用来给透明基板涂覆细胞溶液(0060 )和培养液(0070 )的机械臂(未在图还画出)、实时监控系统(00110 )和控制中心，激光阵列产生系统、三维移动平台(0090 )、机械臂、实时监控系统(00110 )均与控制中心信号连接，控制中心用来控制激光阵列产生系统、三维移动平台(0090 )、机械臂工作，并接收实时监控系统(00110 )的监控数据。
[0020]图3为本发明工艺过程示意图，本发明按层进行打印，各打印层的打印过程如下: Cl)打印载体置于容器(0080)内，容器(0080)置于三维移动平台(0090)上。
[0021 ] (2)在两块透明基板(0050 )下表面分别涂覆细胞溶液(0060 )和培养液(0070 )，透明基板(0050)通过固定件(未在图中画出)设于三维移动平台(0090)上方，固定件可以为机械臂。
[0022](3)激光阵列产生系统产生的激光阵列(00150)照射到下表面涂覆细胞溶液(0060)的透明基板(0050)上表面，激光阵列(00150)照射区域内由于温度升高，细胞溶液
(0060)中液体汽化产生蒸汽(00130)，蒸汽(00130)诱导该照射区域内细胞溶液(0060)从透明基板(0050)上脱离，滴落至打印载体上，见图4。
[0023](4)激光阵列产生系统产生的激光阵列(00150)照射到下表面涂覆培养液(0070)的透明基板(0050 )上表面，诱导该照射区域内培养液(0070 )从透明基板(0050 )上脱离，滴落至容器(0080)内未涂覆细胞溶液的区域，从而获得当前打印层。
[0024]具体实施时，实时监控系统(00110)采集容器(0080)及其内打印载体的位置数据，控制中心根据位置数据调控激光阵列(00150)出射位置和移动三维移动平台(0090)，使得细胞溶液(0060)可正好滴落至打印载体上、培养液(0070)可正好滴落至容器(0080)内细胞溶液(0060)外区域。
[0025]实时监控系统(00110)还实时监控当前打印层的几何形貌和3D方向上精度，并将监测数据反馈至控制中心，控制中心可根据监测数据调整工艺参数。
[0026]步骤(2)中，控制中心控制移动三维移动平台(0090)，实现细胞溶液在打印载体上的均匀分布。
[0027]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【主权项】
1.基于激光诱导的3D生物打印系统，其特征在于，包括: 激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统和控制中心，激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统均与控制中心信号连接；其中: 激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面； 固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方； 三维移动平台，用来放置打印载体并使打印载体三维移动； 实时监控系统，用来实时监控打印载体位置数据以及当前打印层的几何形貌和精度。2.如权利要求1所述的基于激光诱导的3D生物打印系统，其特征在于: 所述的激光阵列产生系统包括激光源、光路系统和分光装置，激光源产生的激光束通过光路系统传送至分光装置。3.如权利要求1所述的基于激光诱导的3D生物打印系统，其特征在于: 还包括机械臂，用来给透明基板下表面涂覆细胞溶液和培养液。4.基于激光诱导的3D生物打印方法，其特征在于: 采用权利要求1所述的基于激光诱导的3D生物打印装置逐层打印，各打印层的打印步骤包括: 步骤1，打印载体置于容器内，容器置于三维移动平台上，下表面分别涂覆细胞溶液和培养液的两块透明基板通过固定件固定于容器上方； 步骤2，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到下表面涂覆细胞溶液的透明基板上表面，诱导照射区域内细胞溶液从透明基板上脱离，滴落至打印载体； 步骤3，激光阵列产生系统产生的激光阵列照射到下表面涂覆培养液的透明基板上表面，诱导该照射区域内培养液从透明基板上脱离，滴落至容器内未涂覆细胞溶液的区域。5.如权利要求4所述的基于激光诱导的3D生物打印方法，其特征在于: 步骤2和3中，实时监控系统采集容器内打印载体的位置数据，控制中心根据位置数据调控激光阵列出射位置和移动三维移动平台，使得细胞溶液可正好滴落至打印载体上、培养液可正好滴落至容器内细胞溶液外区域。6.如权利要求4所述的基于激光诱导的3D生物打印方法，其特征在于: 步骤2中，控制中心控制移动三维移动平台，使得细胞溶液在打印载体上均匀分布。7.如权利要求4所述的基于激光诱导的3D生物打印方法，其特征在于: 打印过程中，实时监控系统实时监控当前打印层的几何形貌和3D方向上精度，并将监测数据反馈至控制中心，控制中心根据监测数据调整工艺参数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光诱导的3D生物打印系统及方法，包括激光阵列产生系统、固定件、三维移动平台、实时监控系统和控制中心，其中：激光阵列产生系统，用来产生单束或多束的激光阵列，且产生的激光阵列照射至透明基板上表面；固定件，用来将透明基板固定于三维移动平台上方；三维移动平台，用来放置打印载体并使打印载体三维移动；实时监控系统，用来实时监控打印载体位置数据以及当前打印层的几何形貌和精度。本发明可实现快速、高精度、大幅面的生物器官打印，有利于大大减低3D生物打印的制造成本和制造周期。
【IPC分类】A61F2/02, B33Y10/00, B33Y70/00, B33Y30/00
【公开号】CN105125316
【申请号】CN201510410756
【发明人】刘胜, 郑怀, 郭醒, 雷翔, 李晓天
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月14日