一种体积三维生物打印装置及打印方法

1.本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种体积三维生物打印装置及打印方法。


背景技术：

2.增材制造技术的出现促进了生物医学的发展和应用，包括从医疗设备到组织和器官的生物打印。传统三维生物打印装置一般采用逐层打印，打印过程中打印装置与生物墨水及形成的三维物体之间存在接触，会增加生物污染的风险。同时，采用逐层打印一般还存在打印速度慢的特点，影响了三维生物的打印速度。
3.因此，亟需提供一种打印装置和打印方法，能够使打印装置与生物墨水及随后形成的三维物体实现无接触打印，且具有更快的打印速度。本发明专利提供的体积三维生物打印是通过聚焦单元将动态变化的二维图案投影到生物墨水的特定部分；装有生物墨水的介质室在被二维光图案照射的同时进行旋转，这些二维光图案垂直于介质室的旋转轴；通过radon变换公式计算来自不同旋转角度的投影模式，一个类似于计算机断层扫描(ct)的过程，但是将其反向地应用。在介质室被二维光图案从各个角度照射后，会产生累积光剂量的三维分布，这会导致生物墨水的特定部位光交联，从而同时形成三维物体，并用于下一步的生物医学相关研究和应用。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种体积三维生物打印装置及打印方法，通过介质室、旋转单元、聚焦单元以及控制单元的协同作用，实现了体积三维生物的无接触打印，避免了生物污染风险，同时极大提高了生物打印速度。
5.本发明的第一方面提供一种体积三维生物打印装置。
6.所述体积三维生物打印装置包括：介质室、旋转单元、聚焦单元以及控制单元；所述介质室用于容纳生物墨水；所述旋转单元用于承载并以预设速度旋转所述介质室；所述聚焦单元用于将能量束穿过所述介质室的至少一预设位置，使所述生物墨水的预设位置能够在同一时间固化成三维物体；所述控制单元分别与所述旋转单元和所聚焦单元电连接。
7.根据本发明的一些实施例，所述聚焦单元用于将动态变化的二维图案投影至所述生物墨水的预设位置特定部分。
8.根据本发明的一些实施例，所述体积三维生物打印装置通过旋转单元将容纳有生物墨水的介质室持续旋转，通过聚焦单元将动态变化的二维图案投影至生物墨水的特定部分，使所述二维图案垂直于所述介质室的旋转轴，通过所述控制单元依据radon变换公式确定与所述介质室的旋转速度相匹配的投影模式，进而控制所述聚焦单元以所述投影模式输出能量束。所述介质室内的生物墨水在经所述能量束照射一定时间后，会产生累积光剂量的三维分布，导致生物墨水的特定部位光交联，进而在所述特定部位同时形成三维物体。
9.根据本发明的一些实施例，所述能量束的能量源为灯泡、发光二极管、lcd或激光发射器中的至少一种。
10.根据本发明的一些实施例，所述能量束经凸透镜或平面镜聚焦后穿过所述介质室。
11.根据本发明的一些实施例，所述能量束的波长为390-780nm。
12.根据本发明的一些实施例，所述能量束的焦距为4-9.2cm。
13.根据本发明的一些实施例，所述旋转单元具有移动平台，以通过所述移动平台调整所述能量束与所述介质室的空间位置。
14.根据本发明的一些实施例，所述旋转单元通过所述移动平台的x轴、y轴和/或z轴的轴距变化实现调整所述能量束与所述介质室的空间位置。
15.根据本发明的一些实施例，所述调整所述能量束与所述介质室的空间位置为靠近或远离所述介质室。
16.根据本发明的一些实施例，所述调整所述能量束与所述介质室的空间位置至距离所述介质室靠上、靠下、靠左或靠右的位置。
17.根据本发明的一些实施例，所述介质室为透明的塑料材质或玻璃材质。
18.根据本发明的一些实施例，所述生物墨水包括待光固化的聚合物前体以及微生物。
19.根据本发明的一些实施例，所述生物墨水包括待光固化的聚合物前体以及细胞或细菌中的至少一种。
20.本发明的第二方面提供一种体积三维生物打印方法。
21.所述体积三维生物打印方法包括以下步骤：通过旋转单元以预设速度持续旋转介质室，所述介质室容纳有生物墨水；通过聚焦单元将能量束穿过所述介质室的至少一预设位置，使生物墨水的预设部分能够在同一时间固化成三维物体。
22.根据本发明的一些实施例，所述打印方法还包括：通过控制单元确定所述聚焦单元的投影模式；所述投影模式与所述旋转单元的预设速度和方向有关。
23.根据本发明的一些实施例，所述聚焦单元以所述投影模式控制包含二维图案的能量束穿过所述介质室的至少一预设位置时，所述包含二维图案的能量束与所述介质室的旋转轴垂直。
24.根据本发明的一些实施例，所述能量束的波长为390-780nm。
25.根据本发明的一些实施例，所述能量束的焦距为4-9.2cm。
26.根据本发明的一些实施例，所述预设速度为5-25
°
/s。
27.本发明的第三方面提供上述体积三维生物打印装置在三维生物打印、组织工程和/或再生医学中的应用。
28.相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
29.(1)本发明体积三维生物打印装置通过介质室、旋转单元、聚焦单元以及控制单元的协同作用，实现了同时形成三维物体，打印装置与形成的三维物体之间呈无接触打印，可避免生物污染；
30.(2)本发明体积三维生物打印速度快，实现了厘米级尺寸的三维物体在数秒内完成打印；
31.(3)本发明体积三维生物打印方法可用于复杂结构的打印，形成的三维物体表面光滑、分辨率可达到50μm，适宜产业化推广使用。
附图说明
32.图1为本发明一些实施例中体积三维生物装置的打印过程示意图；
33.图2为本发明一些实施例中体积三维生物打印装置的结构示意图一；
34.图3为本发明一些实施例中体积三维生物打印装置的结构示意图二；
35.图4为本发明一些实施例中体积三维生物打印装置的结构示意图三；
36.图5为本发明一些实施例中体积三维生物打印装置的结构示意图四；
37.图6为本发明一些实施例中体积三维生物打印方法的流程示意图。
具体实施方式
38.为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
39.增材制造技术的出现促进了生物医学的发展和应用，包括从医疗设备到组织和器官的生物打印。传统三维物体打印装置一般采用逐层打印，打印过程中打印装置与生物墨水及形成的三维物体之间存在接触，会增加生物污染的风险。同时，采用逐层打印一般还存在打印速度慢的特点，影响了三维物体的打印速度。因此，有必要提供全新的一种三维生物打印装置和打印方法，能够使打印装置与生物墨水及形成的三维物体之间实现无接触打印，且具有更快的打印速度。
40.本发明实施例的第一方面提供一种用于体积三维生物打印装置。该三维生物打印装置包括介质室、旋转单元、聚焦单元以及控制单元。该介质室用于容纳生物墨水；该旋转单元用于承载并以预设速度旋转该介质室；该聚焦单元用于将能量束穿过该介质室的至少一预设位置，使该生物墨水的预设部分能够在同一时间固化成三维物体；该控制单元分别与该旋转单元和所聚焦单元电连接。
41.在本发明实施例中，该聚焦单元用于将动态变化的二维图案投影至该生物墨水的特定部分。
42.在本发明实施例中，该体积三维生物打印装置可通过旋转单元将容纳有生物墨水的介质室持续旋转，通过聚焦单元将动态变化的二维图案投影至生物墨水的特定部分，使该二维图案垂直于该介质室的旋转轴，通过该控制单元依据radon变换公式确定与该介质室的旋转速度相匹配的投影模式，进而控制该聚焦单元以该投影模式输出能量束。该介质室内的生物墨水在经该能量束照射一定时间后，会产生累积光剂量的三维分布，导致生物墨水的特定部位光交联，进而在该特定部位同时形成三维物体。
43.图1示出了本发明一个实施例中体积三维生物打印装置的生物打印过程示意图。依据图1，生物墨水容纳于打印瓶即介质室中，该介质室可以在旋转单元作用下进行旋转；光源即能量束以一定的速度靠近该介质室，该生物墨水经过该能量束一定时间的聚焦之后，其包含的光引发剂可产生交联，使得生物墨水中的微生物与聚合物一同被固化，进而形成三维物体。
44.在本发明实施例中，该能量束的能量源为灯泡、发光二极管、lcd或激光发射器中
的至少一种。
45.在本发明实施例中，该能量束经凸透镜或平面镜聚焦后穿过该介质室。
46.在本发明实施例中，该能量束的波长可以为390-780nm。
47.在本发明实施例中，该能量束的焦距为4-9.2cm。
48.在本发明实施例中，该旋转单元具有移动平台，以通过该移动平台调整该能量束与该介质室的空间位置。
49.在本发明实施例中，该旋转单元可以通过该移动平台的x轴、y轴和/或z轴的轴距变化实现调整该能量束与该介质室的空间位置。
50.在本发明实施例中，该调整该能量束与该介质室的空间位置可以是靠近或远离该介质室，可以是靠近该介质室的上方或靠近该介质室的下方，可以是远离该介质室的上方或远离该介质室的下方，可以是靠近该介质室的左边或靠近该介质室的右边。也可以是远离该介质室的左边或远离该介质室的右边。需要说明的是，该能量束可以由该介质室的东边、西边、南边、北边、东南边、西南边、东北边或东南边靠近，进而使得能量束能够由各个位置靠近介质室。
51.根据本发明的一些实施例，该介质室为透明的塑料材质或玻璃材质。
52.需要说明的是，该介质室不限于塑料材质和玻璃材质，也可以为其他任何透明的材质，进而方便能量束进入该介质室。
53.在本发明的一些实施例，该生物墨水包括待光固化的聚合物前体以及微生物。
54.需要说明的是，该微生物可以但不限于细胞或细菌。
55.在本发明的一些实施例，该生物墨水包括待光固化的聚合物前体以及细胞或细菌中的至少一种。
56.需要说明的是，该生物墨水可以包括待光固化的聚合物前体以及细胞，或待光固化的聚合物前体以及细菌，或待光固化的聚合物前体以及细胞和细菌。该细胞的种类可以为多种，不限于一种。该细菌的种类也可以为多种，不限于一种。
57.图2-5示出了本发明的一个实施例中，体积三维生物打印装置的多个结构示意图。依据图2-5，该聚焦单元具有投影仪和透镜，该旋转单元具有旋转平台，该旋转平台设置于该打印瓶的上方，该投影仪和透镜由远及近的设置在该打印瓶的一边，该投影仪和旋转平台分别与控制系统即控制单元电连接；该投影仪通过靠近透镜的一边放射能量束，该能量束可经透镜聚焦到打印瓶中的特定位置。
58.本发明实施例的第二方面提供一种体积三维生物打印方法。
59.该体积三维生物打印方法包括以下步骤：通过旋转单元以预设速度持续旋转介质室，该介质室容纳有生物墨水；通过聚焦单元将能量束穿过该介质室的至少一预设位置，使生物墨水的预设部分能够在同一时间固化成三维物体。
60.在本发明实施例中，该打印方法还包括：通过控制单元确定该聚焦单元的投影模式；该投影模式与该旋转单元的预设速度和方向有关。
61.在本发明实施例中，该聚焦单元以该投影模式控制包含二维图案的能量束穿过该介质室的至少一预设位置时，该包含二维图案的能量束与该介质室的旋转轴垂直。需要说明的是，该能量束的波长可以为390-780nm；该能量束的焦距可以为4-9.2cm；该预设速度可以为5-25
°
/s。
62.图6示出了本发明一个实施例中体积三维生物打印方法的流程示意图。依据图6，该体积三维生物打印方法的流程为：三维图案的cad通过与控制单元电连接的计算机设备导入系统，系统依据cad生成轴向的二维图案，通过控制单元传送至聚焦单元的投影仪；在接收到二维图案后投影仪投影动态变化的二维图案至旋转的打印瓶(即介质室)；打印瓶中的生物墨水经过一定时间的聚焦后，按照投影的二维图案在生物墨水的预设部位在同一时间形成具有三维结构的三维物体。
63.本发明实施例的第三方面提供上述体积三维生物打印装置在三维生物打印、组织工程和/或再生医学中的应用。
64.因此，本发明体积三维生物打印装置通过介质室、旋转单元、聚焦单元以及控制单元的协同作用，实现了同时形成三维物体，打印装置与生物墨水及形成的三维物体之间呈无接触打印，可避免生物污染；同时，本发明体积三维生物装置实现了厘米级尺寸的三维物体在数秒内完成打印，具有打印速度快的特点；本发明体积三维生物打印方法具有可用于较复杂结构的打印，打印质量好，适宜产业化推广使用等特点。