一种三维生物打印喷墨系统的制作方法

本发明属于高新技术制造生物医学领域，尤其涉及一种三维生物打印喷墨系统。

背景技术：

随着精准医疗理念的不断深入与实践，医学领域对人体组织再生和机体损伤修复的高精度以及个性化需求正在逐渐增加。器官移植作为“精准医疗”的一种重要治疗手段，目前正面临着器官供需比例失衡(1:30)以及移植紧缺的问题。3d打印技术为近年来普及发展的一种快速成型技术，3d打印机制作的零件复杂和精细程度已能接近或达到人工打磨的零件，且制作过程无需开模，使得3d打印机在器官移植和生产应用方面具备巨大的使用潜力。

目前影响3d打印精度很重要的一个因素在于打印喷头的温度要求，现有的3d生物打印技术难以满足细胞保持活性所需要的低温环境，极易使得细胞在打印时结构改变、活性丧失，从而导致打印出来的组织或器官难以成型甚至丧失生理活性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维生物打印喷墨系统，其通过设置温控装置，使得喷头机构保持低温恒定，解决了现有技术中存在的问题。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种三维生物打印喷墨系统，包括三维生物打印机，所述三维生物打印机包括控制器、喷头机构、供液装置和温控装置；

所述控制器分别信号连接所述喷头机构和温控装置；

所述喷头机构连接所述供液装置；所述喷头机构安装在所述温控装置上；所述温控装置感知所述喷头机构的温度，并接收所述控制器的信号以保持所述喷头机构恒温。

优选地，所述温控装置包括控制模块、冷却模块和气压温度传感器；所述控制模块分别信号连通所述冷却模块和气压温度传感器；所述气压温度传感器感知所述喷头机构的温度并将信号反馈至所述控制模块；所述冷却模块接收所述控制模块的信号并对喷头机构进行冷却。

优选地，所述喷头机构包括喷头、连接件、毛细玻璃管、压电元件；所述压电元件包裹在所述毛细玻璃管的外壁上；所述喷头安装在所述毛细玻璃管的一端；所述连接件安装在所述毛细玻璃管的另一端；所述压电元件膨胀时触发所述气压温度传感器。

优选地，所述喷头为超声喷头。

优选地，所述压电元件包括压电体层和分别安装在所述压电体层内壁和外壁上的电极；安装在所述内壁上的电极通过导线与所述控制器连接；安装在所述外壁上的电极通过导线与所述温度传感器连接。

优选地，进一步包括与所述控制器信号连接的运动控制分析模块和电驱动器；所述运动控制分析模块和电驱动器分别安装在所述喷头机构上；所述运动控制分析模块接收并分析喷头机构的运动状态；所述电驱动器通过控制器接收所述运动控制分析模块的信号以驱动喷头机构。

优选地，所述供液机构包括墨盒和与墨盒连通的储液瓶。

优选地，进一步包括视觉检测装置；所述视觉检测装置与所述喷头机构平行设置；所述视觉检测装置与所述控制器信号连接。

优选地，所述视觉检测装置包括水平ccd相机和竖直ccd相机。

优选地，进一步包括气压控制装置；所述气压控制装置信号连通所述控制器；所述气压控制装置安装在所述喷头机构上。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1)喷头机构包含喷头、连接件、毛细玻璃管、压电元件和温度传感器，控制器通过气压温度传感器的反馈，调节温控装置中冷却模块的工作温度，从而实现对温度的精准监控和实时调节，精度可达±0.1℃，保证整个打印过程都处在一个恒定的低温环境；

2)该系统在喷头频率达到30khz的超高速打印过程中仍然可以保持恒定低温，不会因为喷头高频振动而造成系统升温导致细胞失去活性；

3)精细化的低温超声喷墨喷头能喷出极微小的雾化液滴以产生超薄均匀的涂层，也能使流量精确可控；

4)该结构紧凑，拥有高质感外观，耗材少，成本低，操作容易、安全可靠。

附图说明

图1为本发明一实施例的三维生物打印喷墨系统的结构框架图；

图2为图1中喷头机构的结构图；

图3为图1中温控装置的结构框架图；

其中，1-三维生物打印机，11-控制器，12-喷头机构，121-连接件，122-压电元件，123-喷头外罩，导线124-导线，13-供液装置，14-温控装置，141-控制模块，142-冷却模块，143-气压温度传感器，15-视觉检测装置，2-三维模型设计工作站。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的三维生物打印喷墨系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1～图3所示，一种三维生物打印喷墨系统，包括三维模型设计工作站2和三维生物打印机1；三维模型设计工作站2输出打印信号至三维生物打印机1；三维生物打印机1包括控制器11、喷头机构12、供液装置13和温控装置14；控制器11分别信号连接喷头机构12和温控装置14；喷头机构12连接供液装置13；喷头机构12安装在温控装置14上；温控装置14感知喷头机构12的温度，并接收控制器11的信号以保持喷头机构12恒温。三维模型设计工作站2为cad软件或者医学3d影像采集、计算机辅助三维设计等软件，主要作用是对打印前的数据进行收集及软件建模。

在本实施例中，温控装置14包括控制模块141、冷却模块142和气压温度传感器143；控制模块141分别信号连通冷却模块142和气压温度传感器143；气压温度传感器143感知喷头机构12的温度并将信号反馈至控制模块141；冷却模块142接收控制模块141的信号并对喷头机构12进行冷却。其中冷却模块142与喷头螺纹相连营造低温环境，气压温度传感器143与喷头内壁相连得到实际温度，控制实现对喷头机构12温度的实时控制，保证恒定低温状态，从而最大限度保证细胞的存活率及其生物学功能，其温度控制精度可达到±0.1℃。

在本实施例中供液机构包括墨盒和墨盒连通的储液瓶。

如图2所示，喷头机构12包括喷头、连接件121、毛细玻璃管、压电元件122；压电元件122包裹在毛细玻璃管的外壁上；喷头安装在毛细玻璃管的一端；连接件121安装在毛细玻璃管的另一端；压电元件122膨胀时触发气压温度传感器143。喷头为超声喷头，精细化的低温超声喷墨喷头能喷出极微小的雾化液滴以产生超薄均匀的涂层，也能使流量精确可控；毛细玻璃管通过连接件121与供液机构中的墨盒螺纹连接，只需将选定的支架材料与细胞液制成“生物墨水”，并注入相应的储液瓶中，设定好相关的打印参数，通过逐层沉积的方法进行低温生物打印成型。为延长喷头的使用寿命，喷头外罩123采用abs塑料制成，具有良好的综合物理力学性能，耐热、耐腐、耐油、耐磨，可保护喷头。连接件121与供液机构螺纹直接相连，保证供液机构在-196℃-300℃下都可以保持良好的稳定性和密封性，从而最大限度的保证细胞打印的成活率。

在本实施例中，压电元件122包括压电体层和分别安装在压电体层内壁和外壁上的电极；安装在所述内壁上的电极通过导线124与控制器11连接；安装在外壁上的电极通过导线124与温度传感器连接。控制器11通过导线124与喷头尾部相连，可实现按需喷射和连续喷射的打印模式。

在本实施中，进一步包括与控制器11信号连接的运动控制分析模块和电驱动器；运动控制分析模块和电驱动器分别安装在喷头机构12上；运动控制分析模块接收并分析喷头机构12的运动状态；电驱动器通过控制器11接收运动控制分析模块的信号以驱动喷头机构12，即电驱动器用以带动喷头在三维方向上运动，采用逐层打印的方式打印出所需的生物组织。

在本实施中，进一步包括与控制器11信号连接的气压控制装置；气压控制装置安装在喷头上；气压控制装为三状态气压控制系统。三状态气压控制系统通过控制器11中的气路控制模块141对喷头的压力进行实时控制，给供液机构提供内部压力，使得“生物墨水”均匀流出。具体的，三状态气压控制系统负责保持气压平衡，使液滴能够平稳喷出。气压控制装置在电压上升期间，通过调节相关参数，使其产生负压。负压以声速在液体中沿着毛细玻璃管行进，通过扩展声波的方式到孔口和供液端，精准调节液面并控制打印模式。三状态气压控制系统的气控制器11包括单通道三状态气控制，含真空及正压控制器11。它用于为微液滴喷射装置提供稳定的背压，选择正压和负压来快速补充或清空喷头中液体。三状态气压控制系统不仅可以用于控制低温喷头的温度和调节系统气压，使得液滴能够平稳喷出，而且清洗喷头也能用到气控制器11，使得喷头易于控制和重复利用。

在本实施中，进一步包括视觉检测装置15；所述视觉检测装置15与所述喷头机构12平行设置；所述视觉检测装置15与所述控制器11信号连接。视觉检测装置15包括水平ccd相机、竖直ccd相机和和led频闪灯。喷头机构12在运动控制装置的调控下，以50mm/s的速度自定义脚本程序，水平ccd相机、竖直ccd相机和和led频闪灯可通过对位识别、基准对位图像分析等方法即时对液滴的状态进行监测。视觉检测装置15同时与运动控制及分析系统相连，目的在于监视喷头位置与喷墨情况，并及时反馈给运动控制分析模块连通，对喷头的运动状态进行精确调节。

该系统在喷头频率达到30khz的超高速打印过程中仍然可以保持恒定低温，不会因为喷头高频振动而造成系统升温导致细胞失去活性。在打印结束后，该系统仍可实现低温保存细胞。打印过程中的低温环境没有影响细胞的增值和分化能力，打印完成的细胞通过低温保存，虽处于未分化的休眠状态，但却具有自我更新的高度增殖潜能。

本发明的工作原理为：

(1)用cad软件建立要打印的植入体的计算机实体模型，或者用户可以通过医学3d影像采集、计算机辅助三维设计等技术对打印前的数据进行收集及软件建模。

(2)配制需要进行组织工程器官打印的多种支架材料和多种细胞液；

(3)将配制好的支架材料和细胞液分别加入到打印该材料的供液机构的储液瓶内，支架材料和细胞液进入墨盒内；当液体以高速流过毛细玻璃管时，压电元件122会出现电压差，在压电元件122内部、外部的电极之间产生电场，使得压电元件122膨胀从而触发气压温度传感器143，在控制器11和冷却模块142的作用下，喷头机构12维持恒定低温环境。

(4)将设计好模型文件输入到该打印机的控制器11中，设置相关打印参数，控制该打印机工作。

(5)该系统内部的低温无菌环境可对打印出的细胞进行后续低温保存，构建出符合要求的各种生物体。

综上，在本实施例提供的三维生物打印喷墨系统中，具有以下优点：

1)喷头机构12包含喷头、连接件121、毛细玻璃管、压电元件122和温度传感器，控制器11通过气压温度传感器143的反馈，调节温控装置14中冷却模块142的工作温度，从而实现对温度的精准监控和实时调节，精度可达±0.1℃，保证整个打印过程都处在一个恒定的低温环境；

2)该系统在喷头频率达到30khz的超高速打印过程中仍然可以保持恒定低温，不会因为喷头高频振动而造成系统升温导致细胞失去活性；

3)精细化的低温超声喷墨喷头能喷出极微小的雾化液滴以产生超薄均匀的涂层，也能使流量精确可控；

4)该结构紧凑，拥有高质感外观，耗材少，成本低，操作容易、安全可靠。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。