一种三维生物结构打印装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维生物结构打印装置，包括：带有供液系统的执行单元、控制单元；所述供液系统包括：空气压缩机；与空气压缩机出气口连通的气容；储液罐，该储液罐出液口与所述喷头的进液口连通，该储液罐进液口与所述气容的出气口连通；所述储液罐与气容之间的管路上设有减压阀；所述减压阀的开度大小可调，保证所述喷头喷嘴处液滴不滴落；所述储液罐的高度可调，保证所述喷头喷嘴处液面最低端与所述喷头喷嘴持平。本发明可以广泛应用于各种形状的生物支架的成型，能打印血管结构，具有打印精度高，操作简单，成本低等优点，由于可更换的夹具，可更换的工作面和可更换的Z型安装板的设计，可以打印不同尺寸和不同组织材料的生物结构。
【专利说明】一种三维生物结构打印装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学工程和组织工程【技术领域】，尤其是涉及一种三维生物结构打印装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，各种交通事故、自然灾害造成人体器官的损伤或先天性的器官损伤导致许多人的生命遇到了威胁，传统的修复方法是自体组织移植术，这种方法虽然可以获得满意效果，但它牺牲了自体健康组织，因此很多人都在医院排队等候供体器官，但由于供体器官来源极为有限，需要器官的人数远远超出了供体器官数，很多病人还没有等到供体器官，就已经去世了。
[0003]因此，用于器官移植的供体器官极度紧缺成为了世界各国医学界面临的重大难题。研究人员提出了许多方案来解决供体器官紧缺的问题，但都没有取得预期效果，直到二十世纪八十年代科学家首次提出组织工程技术，它的本质是将活的细胞通过某种方式与基质材料或支架结合起来制造新的组织，组织工程和再生医学有望彻底解决供体器官紧缺这一难题，修复或替代损伤的器官。
[0004]近年来，三维打印技术在制备组织工程用的生物材料支架方面得到了快速发展和应用，它是一项基于微滴喷射的快速成型技术，它首先借助计算机辅助设计技术制备所要打印物体的电子文档模型，然后依据“逐层打印，层层叠加”的原理来打印具有特殊外形或复杂内部结构的物体。其成型过程不受任何几何形状的限制，打印速度可以随意控制，不同的材料可以通过不同的喷头打印，打印的物质可以是溶液、悬浮液或乳液，因此，三维打印可以很容易的控制材料组成、微观结构和表面特性。当打印的物质是生物墨水时，其就成为了生物打印技术。它将生物墨水按需喷射到接受体形成三维有功能的组织或器官，生物墨水设计为特制的细胞溶液 或有生物活性的营养因子溶液。该技术操作方便，加工过程灵活。
[0005]随着该技术的研究不断深入，研究表明生物打印技术适用于打印细胞、生物支架材料和细胞活性因子，而且能够实现同步打印细胞和生物支架材料，其在器官打印中的应用也日益受到关注。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种三维生物结构打印装置，通过空气压缩机，让贮液罐中的生物墨水进入喷头，喷头在驱动器的作用下，将生物墨水以一滴一滴的按需方式喷射到位于喷头正下方的工作溶液中，通过喷头的平面运动和打印工作面的上下运动，实现三维生物结构的打印。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下:
[0008]一种三维生物结构打印装置，包括:
[0009]用于打印生成三维生物结构的执行单元，包括:喷射生物墨水的喷头、支撑三维生物结构的工作面板、与喷头相连的供液系统、以及对喷头或工作面板位置进行三维方向调整以满足三维生物结构打印要求的调整机构；
[0010]控制单元，用于采集三维生物结构的三维信息，利用三维信息构建三维模型，对三维模型进行分层处理，形成每一层的代码信息，根据每一层的代码信息控制执行单元进行逐层打印；
[0011]所述供液系统包括:用于提供压缩空气的空气压缩机；与空气压缩机出气口连通的气容；储液罐，该储液罐出液口与所述喷头的进液口连通，该储液罐进液口与所述气容的出气口连通；所述储液罐与气容之间的管路上设有减压阀；
[0012]所述减压阀的开度大小可调，保证所述喷头喷嘴处液滴不滴落；所述储液罐的高度可调，保证所述喷头喷嘴处液面最低端与所述喷头喷嘴持平。
[0013]利用上述三维生物结构打印装置时，控制单元根据采集的三维生物结构的三维信息，得到每一层的代码信息，更具每一层的代码信息控制执行单元进行打印操作。在打印工作开始前，为提高打印精度，需要对喷头喷嘴处液面最低端的高度进行调整，以便于实现喷头处液滴的喷射。调整时，首先通过调整减压阀的开度大小，将喷头喷嘴处液面调整到不下滴为止，停止调整减压阀，实现对喷头喷嘴处液面最低端高度的粗调；然后利用调整储液罐的高度，调整储液罐内生物墨水液面与喷头端部的高度差，使得喷头喷嘴处液面底面与喷头底端端部平齐，保证生物墨水按需喷射墨滴。后续打印过程中，不再需要进行上述调整。采用本发明的上述供液系统时，调整方便，利用减压阀的粗调作业和储液罐高度的细调作业，使得调整结果更为精确，保证了后续打印的质量。
[0014]下面为对上述技术方案的几种优选方案:
[0015]为便于实现打印作业的顺利进行，打印过程中，在控制单元的控制下，需要对喷头的位置进行适时调整，以满足单层打印需要。在打印每一层生物体时，为便于实现喷头在二维方向上移动，作为优选的技术方案:所述调整机构包括:与地面相对固定的第一固定座和第二固定座；与第一固定座滑动配合的 二维运动平台，该二维运动平台沿第一固定座顶面进行X轴、Y轴二维方向的移动；其中X轴、Y轴相互垂直；所述喷头固定在所述二维运动平台上；二维运动平台需要与驱动机构相连，该驱动机构受控于所述的控制单元，实现喷头在x、Y轴二维方向的调整；与第二固定座滑动配合的Z方向运动平台，该Z方向运动平台可沿垂直于第一固定座顶面的方向(即Z轴方向)往复移动；所述工作面板固定在所述Z方向运动平台上。Z方向运动平台一般也需要与驱动机构相连。二维运动平台和Z方向运动平台配合作业，以实现快速多层打印。所述第一固定座和第二固定座隔开设置，防止二维运动平台工作时产生振动影响Z方向运动平台，使得工作面板上下振动，影响打印效果。
[0016]为便于喷头的固定，作为优选:所述喷头通过喷头夹具与所述二维运动平台相互固定，所述喷头夹具包括:与二维运动平台相互固定的安装臂；设置在安装臂顶部的喷头限位板，该限位板上设有供喷头穿过的限位孔；设置在安装臂底部的夹板，该夹板上设有若干与所述限位孔对正的安装孔，所述喷头安装在所述安装孔内。夹具的设置，可根据不同需要，对喷头进行调整，无须更换整个装置。限位板的设置，有利于保证喷头始终处于竖直位置，避免因喷头发生偏斜导致打印质量下降的发生。限位孔和安装孔设置的数量与喷头设置的数量有关，喷头设置的数量需要根据所需要打印的生物体的材质的种类相关，具体需要根据实际需要确定。夹板和限位板可与安装臂一体设置，也可单独加工，最后再进行固定。[0017]为便于喷头的更换和安装，作为优选:所述夹板包括:与所述安装臂一体设置的固定板，该固定板上设有固定槽；与所述固定板可拆卸连接的压板，该压板上设有卡合槽；所述卡合槽和固定槽构成所述的安装孔。安装喷头时，只需要将待安装的喷头置于固定槽内，将压板固定在固定板上即可。压板与固定板之间可采用多种可拆卸方式固定，例如可采用螺纹固定、卡合固定、销固定等。
[0018]为避免安装过程中对喷头造成磨损，作为进一步优选，所述安装孔内设有套设在喷头外壁的防护套。防护套的设置可大大提高喷头的使用寿命，同时提高了喷头安装的牢固性，避免打印过程中发生喷头晃动，影响打印质量。防护套一般可采用橡胶等弹性材质。[0019]打印操作前需要调整喷头与工作容器内液面的相对位置，需要保证喷头与工作容器内液面之间保持在一定的距离，为便于上述调整作业，作为优选，所述执行单元还包括:与地面相对固定的安装架；通过升降机构固定在安装架顶面的工作台；置于所述工作台上的工作容器，该工作容器内设有与所述生物墨水配合的反应溶液。通过对上述升降机构的调整，可实现对工作容器高度的调整，进而实现对工作容器内液面的调整。
[0020]上述优选方案中，所述的升降机构可采用现有技术中各种具有高度调整功能的机构，作为进一步优选，所述的升降机构包括:顶端固定在所述工作台底面的螺杆，该螺杆底端穿过所述安装架；与所述螺杆螺纹配合的一个或多个螺母，其中至少有一个螺母设于所述安装架顶面。采用该升降机构，在实现工作容器高度调整的同时，还可以对工作容器内液面的水平程度进行调整。螺杆设置的数量可根据需要调整，一般设置三个以上。
[0021]由于喷头端部只有几微米大小，使用人眼观测对喷头喷嘴处液面进行调整时，费力费时，且精度不高，为解决该技术问题，作为优选，所述的三维生物结构打印装置还包括液面检测单元，用于检测打印操作前所述喷头喷嘴处液面最低端的高度信息，并将液滴最低端高度信息输出。通过液面检测单元输出的液滴最低端高度信息，可快速了解液滴的调整情况，大大提高了调整效率和打印效率。
[0022]为便于使用者观察液滴最低端高度信息，作为进一步优选，所述液面检测单元包括:高度可调的CCD相机，用于采集所述喷头喷嘴处液面最低端的高度信息，并将该高度信息输出；位置可调的光源，为CCD相机提供照明光源；显示器，与所述CCD相机输出口相连，用于显示所述喷头喷嘴处液面最低端的高度信息。CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性，保证了检测精度。为便于对CCD相机高度的调整，作为优选，可选择将CCD相机与高度调节器相互固定，高度调节器可自行设计，也可选用市售产品，例如可采用螺杆螺母结构的高度调节器等，一般高度调节器仅能实现对CCD相机的粗调，为实现CCD相机的细调，作为进一步优选，所述高度调节器固定在螺旋微调节器，螺旋调节器精度较高，可实现对CCD相机高度的细调。螺旋调节器可单独固定，也可固定在上书方案中的安装架上，以提高本发明三维生物结构打印装置的整体性。光源可采用多种机构固定，例如可首先利用带有万向头结构的固定件与所述安装架固定，然后再将光源与该固定件滑动连接，即光源可沿固定件上下移动，以保证光源调整到最合适的位置。在光源的作用下，CCD相机能实时观察喷头喷嘴处的液面，方便对液面进行调节，在液滴不往下滴的情况下，通过减压阀和升降台的调节，使得液面与喷嘴端面基本持平。
[0023]另一种优选的技术方案:所述喷头与所述储液罐之间的管路上设有过滤器。所述过滤器对贮液罐中的生物墨水进行过滤，防止在打印过程中，生物墨水中的大颗粒粒子堵塞喷头的喷嘴，使得打印过程无法进行。
[0024]本发明的喷头一般可采用压电式喷头，此时需要与驱动器相连，以实现喷头按照要求进行喷射操作。本发明总反应容器中盛放有反应溶液，生物墨汁形成的液滴与反应溶液接触，就会形成具有一定强度和形状的半固态液滴，在打印完一层平面图形后，工作面板下降一定距离，进行第二层的打印。
[0025]本发明中工作面板可以根据打印的三维生物结构的尺寸进行更换，对于不同的生物墨水，工作面与液滴之间的吸附力也是不一样的，可以在尺寸不变的情况下，对工作面的材料进行更换或在工作面上加一层材料。为满足不同高度生物体的需要，可选择利用高度可调或者可拆卸的连接件将工作面板与Z方向运动平台相互固定，上述连接件的长度决定了工作面板在工作容器中的下降距离，从而决定了打印的生物体的高度，通过高度可调或者可拆卸的连接件将工作面板进行固定，能制造出不同高度的生物体。
[0026]打印操作前需要调整工作面板的高度，使得工作面板的工作面与所述工作容器内液面高度持平，以保证后续打印作业的顺利进行，作为优选，所述三维生物结构打印装置还包括:距离检测仪，用于检测工作容器内液面高度，并发送液面高度信号；所述控制单元根据接收的液面高度信号驱动所述调整机构对工作面板的高度进行调整，保证工作面板的工作面与所述工作容器内液面高度持平。所述距离检测仪可选用多种传感器，例如作为优选，所述距离检测仪包括信号发射器和信号接收器，所述距离检测仪位于工作容器的正上方，信号发射器发射信号，经过工作容器中的液面反射后，信号被信号接收器接收，通过处理，直接得到信号发射器与液面之间的距离。
[0027]本发明的控制单元一般包括三维模型设计部分、分层部分和控制部分，所述控制部分与喷头的驱动器、以及Z方向运动平台和二维运动平台的驱动机构相连，控制喷头、Z方向运动平台和二维运动平台的工作。控制单元一般可为计算机或者其他集成芯片等。
[0028]本发明还提供了一种使用上述三维生物结构打印装置进行三维打印的方法，包括:执行单元根据控制单元得到的每一层的代码信息，进行三维打印；所述执行单元在进行三维打印前，需要对喷头喷嘴处液面最低端的高度进行调整，步骤如下:(I)通过调整减压阀的开度大小，调整喷头 喷嘴处液滴的压强大小，保证调整喷头喷嘴处液滴附着在喷嘴处不滴出，实现对喷头喷嘴处液面最低端高度的粗调；(2)然后通过调整储液罐的高度，改变储液罐内液面与喷头喷嘴处液面的高度差，保证喷头喷嘴处液面最低端与喷嘴端部持平。利用上述方法对证喷头喷嘴处液面高度进行调整时，操作简单，且由于采用粗调和细调相结合，使得调节精度较高。
[0029]本发明中研究三维运动控制平台时，考虑到后期会进行生物制造方面的研究工作，需要进行细胞打印，形成带细胞的三维支架，根据其成形机理，在工艺方面，需要喷射带细胞的溶液A (即生物墨水)到溶液B (即工作溶液冲，通过溶液A与溶液B的反应，形成半凝固体，固定细胞，从而形成三维立体结构，因此需要溶液B固定不动,至少在X, Y方向上不能运动，不然会使溶液B的液面发生运动，影响成形过程，无法形成设计的三维结构；同时压电式喷头中的液体是靠负压不滴落，只有信号发生器(即喷头驱动器)驱动喷头工作时，液滴才能滴下，所以喷头不能Z方向运动，不然只要一移动喷头，液滴就会滴下或空气吸进喷头，影响整个喷射过程。因此，要想形成三维结构，喷头需要固定在X，Y方向运动的二维运动平台上，溶液B放在Z方向运动的Z方向运动平台上，通过两者之间的配合，形成三维立体结构。
[0030]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0031](I)本发明方法简单，易于操作，成本低，将离散的液滴喷射到工作面板上，通过Z方向运动平台和二维运动平台的运动生成复杂形状的三维生物结构。对于不同形状的三维生物结构，只需改变三维模型，调整打印参数，就能直接制备成具有各种结构(管状、多孔)和一定力学性能的三维生物支架，用于组织工程和再生医学。
[0032](2)喷头夹具的可更换设计，方便安装不同类型的喷头，能喷射不同类型的生物墨水，而且，可以同时安装多个喷头，喷射多种生物墨水，形成复杂的生物结构。
[0033](3)通过可更换设计的安装竖板将工作面板与Z方向运动平台相互固定，方便通过调整不同高度的安装竖板，打印不同高度的三维生物结构。
[0034](4)工作面板的可更换设计，方便打印不同尺寸的三维生物结构，并且可以根据不同的生物墨水，更换工作面板的材料或在其上安装不同材料的平板，增加打印效果。
[0035](5)生物墨水供应过程中过滤器的设计，能过滤掉生物墨水中的大颗粒,防止大颗粒堵塞喷头的喷嘴，使得打印无法进行。
[0036](6) 二维运动平台与Z方向运动平台隔开设计，防止二维运动平台工作时产生振动影响Z方向运动平台，使得工作面板上下振动，影响打印效果。同时，二维运动平台安装在机器的底座(即第一固定座)上，避免工作时产生大的振动，使得喷头不会产生大的振动。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明一种三维生物结构打印装置主要结构示意图。
[0038]图2是本发明三维生物结构打印装置的供液装置的结构示意图。
[0039]图3是本发明三维生物结构打印装置的运动平台和喷射部分示意图。
[0040]图4是本发明三维生物结构打印装置的测距装置位置示意图。
[0041]图5是本发明三维生物结构打印装置的单喷头夹具结构示意图。
[0042]图6是本发明三维生物结构打印装置的三喷头夹具结构示意图。
[0043]图7是本发明三维生物结构打印装置的安装板安装结构示意图。
[0044]图8是本发明三维生物结构打印装置的打印过程示意图。
[0045]图中:1为第一固定座,2为二维运动平台，3为二维运动平台夹具,4为螺杆,5为工作台，6为喷头立柱，7为安装架，8为垂直支架，9为CXD相机，10为高度调节器，11为螺旋微调节器，12为水平支架，13为喷头支架，14为喷头夹具，15为喷头限位板，15a为限位孔，16为压板，17为防护套，18为喷头，19为安装横板，20为安装臂，21为安装竖板，22为工作面板，23为工作容器，24为夹板，24a为安装孔，24b为固定板，25为第二固定座，26为光源，27为滑动座，28为可调摆臂，29为过滤器，30为升降台，31为贮液罐，32为减压阀，33为气容，34为空气压缩机，35为距离检测仪，36为Z方向运动平台。
【具体实施方式】
[0046]如图1、图2、图3、图4所示，一种三维生物结构打印装置，包括:用于打印生成三维生物结构的执行单元、控制执行单元打印操作的控制单元、以及检测单元。
[0047]其中，执行单元包括喷射生物墨水的喷头18、支撑三维生物结构的工作面板22、与喷头18相连的供液系统、以及对喷头或工作面板位置进行三维方向调整以满足三维生物结构打印要求的调整机构。
[0048]喷头18可选择压电式喷头，通过驱动器对喷头进行挤压，实现生物墨水的喷射。驱动器一般可选用现有的结构，在此不再详述。喷头18固定在喷头夹具14上，喷头夹具14包括:安装臂20、喷头限位板15和夹板24，安装臂20、喷头限位板15和夹板24为一体设置，也可单独加工，最后相互固定。其中安装臂20安装在喷头支架13上，喷头支架13安装在喷头立柱6上，喷头立柱6安装在二维运动平台夹具3上，二维运动平台夹具3安装在X轴、Y轴运动的二维运动平台2上，并与二维运动平台2相互固定。喷头限位板15设置在安装臂20顶部，该限位板上设有供喷头18穿过的限位孔15a ;夹板24设置在安装臂20底部，该夹板24上设有若干与限位孔15a对正的安装孔24a，喷头18安装在安装孔24a内。夹板24包括:固定板24b和压板16，固定板24b与安装臂20 —体设置，该固定板24b上设有固定槽；压板16与固定板24b为可拆卸连接,该压板16上设有卡合槽；卡合槽和固定槽构成上述的安装孔24a。压板16通过螺母与固定板24b相连。安装孔24a内设有套设在喷头18外壁的防护套17，防护套17为橡胶套，也可选用其他弹性材料。喷头夹具14可以更换，方便安装不同尺寸的喷头18，能喷射不同的生物墨水，同时，可以根据不同需要，在喷头夹具上安装多个喷头，进行同时喷射，形成复杂的生物结构，如图5、图6所示，图5中喷头为一个，可用于具有单一材质的三维生物结构的打印，图6中喷头为三个，可用于打印具有三层机构的血管等。防护套17在压板16和限位板15的挤压作用下，使喷头18很好的固定在喷头夹具上，同时减小喷头夹具对喷头的损害。喷头18喷射的液滴落在喷头正下方的工作容器中。
[0049]如图1和图7所示，工作面板22置于工作容器24内部，工作面板22的工作面浸在工作容器23溶液中，与滴落下来的液滴接触。工作面板22通过螺栓和螺母结构固定于安装竖板21底端,安装竖板21顶端通过螺栓和螺母与安装横板19固定,安装横板19另一端与Z方向运动平台36相互固定，Z方 向运动平台36通过丝杠与第二固定座25滑动配合，第二固定座25底端与第一固定座I相互固定。丝杆运动带动Z方向运动平台36沿Z轴方向上下运动，从而带动工作面板22运动。喷头18喷射下来的液滴落在工作面板22上，通过Z方向运动平台36，控制工作面板22与工作容器23中液面距离，在打印完一层平面图形后，工作面板22下降一定距离，进行第二层的打印。上述工作面板22可以根据打印的三维生物结构的尺寸进行更换，对于不同的生物墨水，工作面板22与液滴之间的吸附力也是不一样的，可以在尺寸不变的情况下，对工作面板22的材料进行更换或在工作面上加一层材料。上述安装竖板21的长度决定了工作面板22在工作容器23中的下降距离，从而决定了打印的生物结构的高度，通过安装竖板21可更换的设计，能制造出不同高度的生物结构，通过工作面板22和安装竖板21的共同作用，可以制造出在一定范围内的不同尺寸的三维生物结构。
[0050]工作容器23位于工作台5上，工作容器23可选用烧杯，工作台5的横截面为正方形，工作台5通过螺杆4与安装架7相连，安装架可选用几型支架，上述螺杆4均匀分布在工作台5的四周，由于对于不同的生物结构，其工作容器是不一样的，即工作容器的高度是不一样的，还有就是工作容器中的溶液高度是不固定的，但为了保证打印效果，通常工作容器23中的液面与喷头18喷嘴端面之间的距离是固定的，于是可以通过调节螺杆4，调节工作台5的高度，从而调节工作容器23内液面与喷头18喷嘴端面之间的距离，一般在调节时，控制工作容器23中的液面与喷头喷嘴端面之间的距离为I~10mm。工作容器23中有反应溶液，喷头中生物墨水与反应溶液接触，就会形成具有一定强度和形状的半固态液滴。
[0051]调整机构包括:第一固定座1、第二固定座25、二维运动平台2和Z方向运动平台36。其中:第一固定座I和第二固定座25固定在地面上或固定在稳定平面上，避免工作时产生大的振动，使得喷头18不会产生上下振动，保证喷头18正常喷射，确保打印精度。二维运动平台2与第一固定座I滑动配合，该二维运动平台可沿第一固定座I顶面进行X轴、Y轴二维方向的移动，以实现单层打印的顺利进行。Z方向运动平台36与第二固定座25滑动配合，例如可将Z方向运动平台36与丝杆相连，该Z方向运动平台沿垂直于第一固定座I顶面的Z轴方向往复移动，以实现逐层打印的顺利进行。二维运动平台2与Z方向运动平台36隔开设置，防止二维运动平台2工作时产生振动影响Z方向运动平台36，使得工作面板22上下振动，影响打印效果。为了保证打印精度，Z方向运动平台36的移动精度比二维运动平台2的精度要高，可以采用丝杠传动，精度在5~20um，精度越高，打印效果越好，本发明的三维生物打印装置的行程为IOOmmX IOOmmX 100mm。
[0052]供液系统包括空气压缩机34，空气压缩机34与气容33相连，气容33与减压阀32相连，减压阀32与贮液罐31相连，贮液罐31与过滤器29相连，过滤器29与喷头18相连。贮液罐31固定在升降台30上，用于调节贮液罐31的高度，即调节贮液罐31中液面与喷头18喷嘴处液面的高度差，通过减压阀32和升降台30的共同作用，实现喷头喷嘴处液面的调节，实现液滴的喷射。过滤 器29对贮液罐31中的生物墨水进行过滤，防止在打印过程中，生物墨水中的大颗粒粒子堵塞喷头的喷嘴，使得打印过程无法进行。气容33能减缓装置中压缩空气的变化，保证喷头18在长时间内能正常工作。
[0053]检测单元包括液面检测单元和距离检测仪35。液面检测单元，用于检测打印操作前喷头喷嘴处液面最低端的高度信息，并将液滴最低端高度信息输出。液面检测单元包括:高度可调的CCD相机9，用于采集喷头喷嘴处液面最低端的高度信息，并将该高度信息输出；位置可调的光源26，为CCD相机9提供照明光源；显示器，与CCD相机输出口相连，用于显示喷头喷嘴处液面最低端的高度信息。CCD相机9固定在高度调节器10上，高度调节器10固定在螺旋微调节器11上，螺旋微调节器11固定在水平支架12上，水平支架12固定在垂直支架8上，垂直支架8固定在安装架7上；光源26固定在可调摆臂28上，可调摆臂28固定在滑动座27上，滑动座27固定在另一侧的水平支架12上，水平支架12固定在垂直支架8上，垂直支架8固定在安装架7上。在安装好各器件后，先通过调节可调摆臂28，改变光源26的位置，提供适合CCD相机9使用的亮度，接着通过移动螺旋微调节器11调节CCD相机9与喷头18之间的距离，即调节焦距，产生清晰的喷头画面，最后通过调节高度调节器10，使喷头18的喷嘴端面出现在C⑶相机9的画面中，这时，光源26，喷头18和C⑶相机9基本位于同一水平面上，在光源26的作用下，CCD相机9能实时观察喷头18喷嘴处的液面，方便对液面进行调节，在液滴不往下滴的情况下，通过减压阀32和升降台30的调节，使得液面与喷嘴端面基本持平。一般情况下，调好器件后，后面就不需要再次调节。
[0054]距离检测仪35，用于检测工作容器23内液面高度，并发送液面高度信号；控制单元根据接收的液面高度信号驱动调整机构对工作面板22的高度进行调整，保证工作面板22的工作面与工作容器23内液面高度持平。距离检测仪包括信号发射器和信号接收器，距离检测仪固定在工作容器23的正上方，信号发射器发射信号，经过工作容器中的液面反射后，信号被信号接收器接收，通过处理，直接得到信号发射器与液面之间的距离。具体的，可以采用激光测距仪，将距离检测仪35通过支架固定在工作容器23的正上方，由于距离检测仪35与喷头18之间的相对距离事先知道，只要通过距离检测仪35获得测距离检测仪35与工作容器23中的液面之间的距离，就可以知道液面与喷头18喷嘴端面之间的距离，然后调节螺杆4，获得想要的液面与喷头喷嘴端面之间的距离。在打印开始前，需要控制工作面板22的位置，同样距离检测仪35与工作面板22上表面的距离事先知道，通过距离检测仪35获得距离检测仪35与工作容器23中的液面之间的距离后，控制Z方向运动平台36运动，使两者距离相同，即工作面板22的上表面与液面相平，然后在控制Z方向运动平台36下降一定高度，开始打印。
[0055]控制单元包括三维模型设计部分、分层部分和控制部分，控制部分与驱动器、以及二维运动平台2和Z方向运动平台36的驱动机构相连，控制喷头、二维运动平台2和Z方向运动平台36的工作。打印开始前，先在三维模型设计部分中设计要打印的三维生物结构的三维模型，通过分层部分对三维模型进行分层处理，形成每一层的代码信息，然后把相应的代码信息传给控制部分，最后控制部分控制驱动器、二维运动平台2和Z方向运动平台36的驱动机构进行工作，实现三维模型的打印。
[0056]本发明的生物材料的制备过程:要形成三维生物结构，可选择的材料有很多种，以海藻酸钠与氯化钙三维结构为例，将海藻酸钠溶液作为生物墨水，氯化钙溶液作为反应溶液，分别配置500ml0.8%的海藻酸钠溶液和10%的氯化钙溶液。
[0057]如图8所示，本发明的打印操作前的装置调节过程:将配置好的海藻酸钠溶液倒入贮液罐31，氯化钙溶液倒入工作容器23，将工作容器23放到安装架7上，打开空气压缩机34，由空气压缩机34产生的压缩空气经气容33通向减压阀32，调节减压阀32，把减压后的空气通入贮液罐31，贮液罐31中的生物墨水在压缩空气的作用下，通过管道流向过滤器29，经过过滤器29的过滤后，生物墨水进入喷头18，最后经喷嘴喷出，慢慢调节减压阀32，降低压缩空气的压力，通过观察装置，使液滴最后刚好不从喷嘴处滴下，此时如果喷嘴处的液面低于喷嘴端面， 需要进一步调节升降台30，即依据检测单元的检测结果，调节贮液罐31中的液面与喷嘴端面之间的高度差，使喷嘴处的液面基本与喷嘴端面持平，为液滴的顺利喷射提供条件。通过距离检测仪，调整螺杆4使工作容器23中的液面与喷头18喷嘴端面之间的距离控制在给定值，同时工作面到达预定位置。
[0058]如图8所示，本发明的生物结构的打印过程:在做好准备过程后，通过控制单元，驱动喷头、二维运动平台2和Z方向运动平台36运动，首先二维运动平台2工作，按照每层的形状信息驱动喷头18进行打印，形成三维生物结构的二维平面，打印完一层后，Z方向运动平台36驱动工作面下降一定高度，重新打印另一层，如此反复，逐层堆积成型，直到所打印的三维生物结构成型完成。
[0059]如果需要打印血管，如图6所示，需要采用三个喷头的喷头夹具，分别配置混有内表皮细胞的海藻酸钠溶液，中间物质的海藻酸钠溶液和外表皮细胞的海藻酸钠溶液，分别倒入对应的贮液罐31中，反应溶液仍然是氯化钙溶液，然后按照上述过程进行打印。
【权利要求】
1.一种三维生物结构打印装置，包括: 用于打印生成三维生物结构的执行单元，包括:喷射生物墨水的喷头(18)、支撑三维生物结构的工作面板(22)、与喷头(18)相连的供液系统、以及对喷头或工作面板位置进行三维方向调整以满足三维生物结构打印要求的调整机构； 控制单元，用于采集三维生物结构的三维信息，利用三维信息构建三维模型，对三维模型进行分层处理，形成每一层的代码信息，根据每一层的代码信息控制执行单元进行逐层打印； 其特征在于，所述供液系统包括: 空气压缩机(34)； 与空气压缩机(34)出气口连通的气容(33)； 储液罐(31 )，该储液罐出液口与所述喷头(18)的进液口连通，该储液罐进液口与所述气容(33)的出气口连通；所述储液罐(31)与气容(33)之间的管路上设有减压阀(32)；所述减压阀(32)的开度大小可调，保证所述喷头喷嘴处液滴不滴落；所述储液罐(31)的高度可调，保证所述喷头喷嘴处液面最低端与所述喷头喷嘴持平。
2.根据权利要求1所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述调整机构包括: 与地面相对固定的第一固定座(I)和第二固定座(25)； 与第一固定座(I)滑动配 合的二维运动平台(2)，该二维运动平台沿第一固定座(I)顶面进行X轴、Y轴二维方向的移动；所述喷头(18)固定在所述二维运动平台(2)上； 与第二固定座(25)滑动配合的Z方向运动平台(36)，该Z方向运动平台沿垂直于第一固定座(I)顶面的Z轴方向往复移动；所述工作面板(22)固定在所述Z方向运动平台(36)上。
3.根据权利要求2所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述喷头(18)通过喷头夹具(14)与所述二维运动平台(2)相互固定，所述喷头夹具(14)包括: 与二维运动平台(2)相互固定的安装臂(20)； 设置在安装臂(20)顶部的喷头限位板(15)，该限位板上设有供喷头穿过的限位孔(15a)； 设置在安装臂(20)底部的夹板(24)，该夹板(24)上设有若干与所述限位孔(15a)对正的安装孔(24a)，所述喷头(18)安装在所述安装孔(24a)内。
4.根据权利要求3所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述夹板(24)包括: 与所述安装臂(20 ) —体设置的固定板(24b )，该固定板(24b )上设有固定槽； 与所述固定板(24b )可拆卸连接的压板(16 )，该压板上设有卡合槽； 所述卡合槽和固定槽构成所述的安装孔(24a)。
5.根据权利要求1所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述执行单元还包括: 与地面相对固定的安装架(7)； 通过升降机构固定在安装架(7 )顶面的工作台(5 ); 置于所述工作台(5)上的工作容器(23)，该工作容器内设有与所述生物墨水配合的反应溶液。
6.根据权利要求5所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述的升降机构包括: 顶端固定在所述工作台(5)底面的螺杆(4)，该螺杆(4)底端穿过所述安装架(7);与所述螺杆(4)螺纹配合的一个或多个螺母，其中至少有一个螺母设于所述安装架(7)顶面。
7.根据权利要求1所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，还包括液面检测单元，用于检测打印操作前所述喷头喷嘴处液面最低端的高度信息，并将液滴最低端高度信息输出。
8.根据权利要求7所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，所述液面检测单元包括: 高度可调的CCD相机(9)，用于采集所述喷头(18)喷嘴处液面最低端的高度信息，并将该高度信息输出； 位置可调的光源(26)，为CXD相机(9)提供照明光源； 显示器，与所述CCD相机(9)输出口相连，用于显示所述喷头(18)喷嘴处液面最低端的高度信息。
9.根据权利要求1所述的三维生物结构打印装置，其特征在于，还包括:距离检测仪，用于检测工作容器(23)内液面高度，并发送液面高度信号；所述控制单元根据接收的液面高度信号驱动所述调整机构对工作面板(22)的高度进行调整，保证工作面板(22)的工作面与所述工作容器(23)内液面高度持平。
10.一种使用权利要求1~9任一权利要求所述三维生物结构打印装置进行三维打印的方法，包括:执行单元 根据控制单元得到的每一层的代码信息，进行三维打印；特征在于:所述执行单元在进行三维打印前，需要对喷头喷嘴处液面最低端的高度进行调整，步骤如下: (1)通过调整减压阀的开度大小，调整喷头喷嘴处液滴的压强大小，保证调整喷头喷嘴处液滴附着在喷嘴处不滴出，实现对喷头喷嘴处液面最低端高度的粗调； (2)然后通过调整储液罐的高度，改变储液罐内液面与喷头喷嘴处液面的高度差，保证喷头喷嘴处液面最低端与喷嘴端部持平。
【文档编号】A61F2/06GK103462725SQ201310339824
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】傅建中, 邵惠锋, 贺永, 高庆 申请人:浙江大学