一种活细胞多头三维打印装置的制作方法

本实用新型涉及生物立体制造领域，尤其涉及一种生物细胞3D打印机。

背景技术：

3D打印技术是一由数字化模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的快速成型技术，其基本原理均采用“分层制造、逐层叠加”的制造思想。它能够借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计和计算机辅助制造集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造出产品样品，无须传统的机械加工机床和模具，具有成本低、周期短、修改简单、尺寸稳定等诸多优点。但目前的 3D 打印机，受结构和材料的限制，一般都只能打印聚合物材料或金属材料，基本上用在机械加工制造领域，用于生物材料的打印时，细胞供给不稳定、数量控制困难、人工放置不精准、各部件不匹配、条件控制不足等问题凸现，导致3D打印生物材料、尤其是活细胞打印技术推广受限、运作不力。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种活细胞多头三维打印装置，采用多个细胞挤出机构平面运动配合细胞沉积器皿升降移动的技术方案，实现了高效、准确的活细胞3D打印。

本实用新型采用的技术方案是：一种活细胞多头三维打印装置，结构中包括底座、设置在底座上的打印平台、设置在打印平台上方的细胞挤出机构、三维移动机构和配套的控制系统，关键在于，所述三维移动机构包括X向、Y向位置调节组件和Z向升降旋转机构，所述打印平台设置在Z向升降旋转机构的上端面，细胞挤出机构定位于X向或Y向位置调节组件上并借助X向和Y向位置调节组件的配合具有沿X、Y平面移动的自由度。

上述技术方案中，活细胞多头三维打印装置，结构中包括底座、打印平台、细胞挤出机构、三维移动机构和控制系统，打印平台设置在底座上并位于细胞挤出机构的下方，细胞沉积的基础器皿定位于打印平台上，作为本实用新型的关键设计，三维移动机构包括X向、Y向位置调节组件和Z向升降旋转机构，其中，所述的打印平台设置在Z向升降旋转机构的上端面，Z向升降旋转机构带动打印平台升降和旋转，从而可实现细胞沉积基础器皿的升降和旋转，便于打印中心对称的生物材料如腿部、脏器等；细胞挤出机构设置在X向或Y向位置调节组件上，借助X向或Y向位置调节组件的配合移动，细胞挤出机构可实现在X、Y向二维平面内的自由移动。

本实用新型的有益效果是：（1）本实用新型提供的活细胞多头三维打印装置结构紧凑，运动方式更丰富，打印效率和精确度高，广泛适用于三维打印；（2）在进一步改进的技术方案中，细胞挤出机构设置多组，能方便多种细胞同时打印；透明柜体及其内的温度、湿度和气体浓度的设置一方面保证了打印环境更适于生物活细胞，另一方面便于实时观察打印产品；紫外灯管的设置保证了打印机内的无菌环境，保证打印产品的成活性。

附图说明

图1为本实用新型中一种活细胞多头三维打印装置的主视结构示意图；

图2为一种活细胞多头三维打印装置的侧视结构示意图；

图3为一种细胞挤出机构的侧视结构示意图；

图中，1、细胞挤出机构，1-1、机架， 1-2、步进电机，1-3、细胞容纳腔，1-4、喷头，1-5、压杆，2、打印平台， 3、X向位置调节组件，4、Y向位置调节组件，5、Z向升降旋转机构，5-1、旋转底盘，5-2、升降支撑架 ，6、柜体，6-1、可视窗口，7、触摸显示屏。

具体实施方式

以下具体说明本三维打印装置的结构组成，但并不以任何形式作为限制，对其中组件的常规替换均在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型提供一种活细胞多头三维打印装置，结构中包括底座、设置在底座上的打印平台2、设置在打印平台2上方的细胞挤出机构1、三维移动机构和配套的控制系统，关键在于，所述三维移动机构包括X向3、Y向4位置调节组件和Z向升降旋转机构5，所述打印平台2设置在Z向升降旋转机构5的上端面，细胞挤出机构1定位于X向3或Y向4位置调节组件上并借助X向3和Y向4位置调节组件的配合具有沿X、Y平面移动的自由度。

活细胞多头三维打印装置的主视及侧视结构示意图分别见图1、图2，活细胞多头三维打印装置，结构中包括底座、打印平台2、细胞挤出机构1、三维移动机构和控制系统，打印平台2设置在底座上，细胞沉积的基础器皿定位于打印平台2上，细胞挤出机构1设置在打印平台2的上方，作为本实用新型的关键设计，三维移动机构包括X向位置调节组件3、Y向位置调节组件4和Z向升降旋转机构5，X向位置调节组件3的两侧对称设置Y向位置调节组件4，Y向位置调节组件4借助支架定位在打印机的底座上，其中，所述的打印平台2设置在Z向升降旋转机构5的上端面，Z向升降旋转机构5带动打印平台2升降和旋转，从而可实现细胞沉积基础器皿的升降和旋转，便于打印中心对称的生物材料如腿部、脏器等；细胞挤出机构1借助C型卡或滑块滑轨配合限位于在X向位置调节组件3或Y向位置调节组件4上，并且具有移动自由度，在控制系统的控制下，细胞挤出机构1沿X向位置调节组件3移动，X向位置调节组件3沿Y向位置调节组件4具有移动自由度，从而细胞挤出机构1可实现在X、Y向二维平面内的定位及自由移动。本技术方案在具体使用时，有以下特点，以中心为骨骼、骨骼外围为肌肉组织细胞的生物产品要打印为例，以中间骨骼中心为中心，可设置3组细胞挤出机构1，中间的细胞挤出机构中盛装骨细胞，两边的细胞挤出机构中盛装肌肉组织细胞，打印时，打印平台2借助Z向升降旋转机构5定位在一定高度，细胞挤出机构1只需根据各组织部分的厚度作X向或Y向的一维直线式移动，旋转打印平台2即可实现截面的打印，进一步的，当所在截面都打印完成，Z向升降旋转机构5下降，带动打印平台2下降，进行下一个截面的打印即可，本技术方案使得程序控制和机械结构控制变得简单，大大简化了细胞挤出机构1的运动过程。

所述细胞挤出机构1设有2-5组，细胞挤出机构1结构中包括限位于X向3或Y向4位置调节组件上的机架1-1、定位在机架1-1上的步进电机1-2、细胞容腔1-3及连接在细胞容腔1-3下端的喷头1-4，所述细胞容腔1-3借助与步进电机1-2输出端连接的压杆1-5形成密闭容腔。

细胞挤出机构1设有2-5组，平行或按预定方式滑动限位在X向3或Y向4位置调节组件上，各细胞挤出机构1为单独受控运动，各自独自控制，图1中为设置了4组细胞挤出机构1，多组细胞挤出机构1的设置方便同时打印多种细胞，如同时分别盛装血管细胞、肌肉组织细胞、干细胞等。所述的细胞挤出机构1为喷墨式、挤压式或激光打印式。根据不同打印产品的要求，细胞挤出机构1可根据常用的几种细胞打印技术进行选择，图2给出了所采用的一种挤压式的细胞挤出机构1，结构中包括机架1-1、步进电机1-2、细胞容腔1-3及喷头1-4，细胞容腔1-3内借助压杆1-5形成密闭容腔，压杆1-5与步进电机1-2输出端借助传动机构如齿轮传动或丝杠丝母结构连接，步进电机1-2运行，带动压杆1-5向下运动，将细胞挤出沉积于定位在打印平台2上的细胞成型基础器皿中。

所述Z向升降旋转机构5 中包括360°旋转底盘5-1和定位在旋转底盘5-1上的升降支撑架5-2，打印平台2固定设置在升降支撑架5-2上。旋转底盘5-1受控进行旋转从而实现其上的升降支撑架5-2、打印平台2的旋转，升降支撑架5-2用于实现打印平台2的升降，从而实现打印层层叠加。

所述三维打印装置中还包括包围在细胞挤出机构1、打印平台2及三维移动机构外围的柜体6，所述柜体6的前、后、左或右侧门为透明的可开关式门，并借助弹性件形成密闭空间。柜体6为封闭式，包围在打印装置主体结构的外部，为便于放入、取出打印装置及打印产品等，柜体6的前、后、左或右侧门为开关式门，形式可采用活页铰接或推拉式活动门，活动门与其它五面形成的主体借助弹性件形成密闭空间。方便实时观察，柜体6的侧壁上设置有可视窗口6-1，可视窗口6-1可设置一个或多个，或柜体6整体设置为玻璃透明结构；柜体6的侧壁上还预留有进液孔、线路孔等结构，同样借助弹性件形成密闭空间。

所述柜体6内设有温度测试调节机构，并与控制系统中的温度调节系统连接，形成打印装置内部温度调节结构。

所述温度测试调节机构中包括设置在柜体6内部的测温电偶和冷/暖风系统或加热电阻。测温电偶用于实时测定温度并发送信号至控制系统，冷/暖风系统或加热电阻受控制系统控制，用于调节柜体6内部的温度。

所述柜体6内还设有湿度测试调节机构，与控制系统中的湿度控制系统连接，形成打印装置内部湿度控制调节结构。

所述柜体6内还设有包括CO₂进气管的气体浓度测试调节机构，与控制系统中的气氛控制系统连接，形成打印装置内部的气体浓度控制结构。CO₂进气管的设置能实时保障打印装置内部的5%的CO₂气体浓度，更好的利于活细胞产品的成活。

所述柜体6内壁上设有与控制系统连接的紫外灯管，在工作前或后，紫外灯管用于对打印机装置内部的机械结构及环境杀菌，更好的利于活细胞产品的成活。

所述控制系统还与触摸显示屏连接，优选的，触摸显示屏设置在柜体6外表面，便于操作和显示。

综上可见，本实用新型提供的活细胞多头三维打印装置结构紧凑，能用于多种细胞同时打印，且打印过程高效、准确，且有效保证了打印的生物产品的成活性，给生物细胞研究、医疗器械、动物保护、环境改造等领域带来了福音，为器官打印打下良好基础。