应用生物材料冷冻硬化方法的生物打印机及其冷冻硬化方法与流程

本公开涉及应用生物材料冷冻硬化方法的生物打印机及其冷冻硬化方法，其能够冷冻硬化由生物打印机打印在打印表面上的生物材料，以维持排出的生物材料的形式。

背景技术：

1、近年来，随着组织工程和再生医学研究领域数量的增加以及对定制医疗服务的需求，已经积极开展了使用生物材料的3d打印机的研究。

2、已知的3d打印机包括构成x轴、y轴和z轴的框架以及用于排出生物材料的喷嘴。在常规的打印机中，液体分配器填充有粘性流体生物材料，例如胶原或明胶。填充液体分配器的流体生物材料通过喷嘴被排出到打印板上。

3、然而，在生物材料处于固态而不是流体态的情况下，喷嘴应该被加热到高温以排出可流动状态的生物材料。因此，为了一起使用流体生物材料和固体生物材料，重复加热和冷却喷嘴的过程，因此喷嘴过载。

4、为了解决这个问题，注册号为10-1828345的韩国专利公开了一种3d生物打印机，其包括第一分配器和第二分配器，第一分配器被配置为熔化和排出用于形成支架和其他结构的固体生物材料，第二分配器被配置为打印流体生物材料。

5、上述注册专利公开了一种将固体生物材料和液体生物材料混合层压成单一结构的方法。混合层压的一个示例包括一种方法，其中使用诸如聚己内酯(pcl)生物材料的生物材料在打印表面上形成支架，然后打印液体生物油墨以填充在支架中。

6、然而，液体生物油墨具有高流动性，因此液体生物油墨的形式容易改变。为了使生物材料在活体中实现其自身的功能，应该使用该生物材料创建适合活体特定部分的形式，然后将该形式应用于活体。当排出到打印表面上的生物材料的形式容易改变时，很难将生物材料应用到活体上。

7、因此，需要一种装置，其允许从生物打印机的分配器中的流体生物材料分配器排出的生物材料被施加到活体上，同时在打印表面上维持生物材料的形式。

8、[相关技术文献]

9、[专利文献]

10、(专利文献1)注册号为10-1828345的韩国专利(公开日期：2018年3月29日)

技术实现思路

1、本公开涉及一种应用生物材料冷冻硬化方法的生物打印机及其冷冻硬化方法，其允许从生物打印机的分配器中的流体生物材料分配器排出的生物材料在打印表面上立即硬化并被应用于活体，同时维持其形状。

2、本公开的第一方面涉及一种应用生物材料冷冻硬化方法的生物打印机。该生物打印机可以包括：多个分配器，其被配置为将打印腔室内的生物材料排出；打印板模块，该打印板模块设置在分配器下方，使得排出的生物材料放置在其上；冷却模块，该冷却模块包括一个或多个珀尔帖元件和水箱，珀尔帖元件被配置为冷却打印板模块，水箱设置在珀尔帖元件的加热表面侧并具有形成在其中的冷却剂流动路径以循环冷却剂来消散由珀尔帖元件产生的热量；冷却剂提供模块，该冷却剂提供模块被配置为向冷却模块提供冷却剂；温度传感器，该温度传感器设置在冷却模块中，以计算打印板模块的打印表面的温度；打印控制器，该打印控制器被配置为控制分配器的操作以打印输出物；以及输出物硬化控制器，该输出物硬化控制器被配置为在打印控制器完成输出物的打印后，接收来自温度传感器的检测值，并控制冷却模块和冷却剂提供模块以冷冻硬化输出物。

3、根据本公开的实施例，打印板模块可以包括冷却床和基板，冷却床设置在珀尔帖元件上并由珀尔帖元件冷却，基板可拆卸地安装在冷却床上，其中生物相容性膜由于粘性而可以可拆卸地附着到基板的上表面，生物相容性膜的表面上放置排出的生物材料。

4、根据本公开的实施例，多个分配器可以包括第一分配器和第二分配器，第一分配器被配置为打印支架，该支架限定输出物的外边界，第二分配器被配置为打印支架中的流体生物材料，其中在膜由于第一分配器打印的生物材料而部分熔化时，支架可以被熔合固定到膜上，并且由第二分配器打印的流体生物材料可以被设计为不泄漏通过支架与膜之间的界面。

5、根据本公开的实施例，由支架和流体生物材料形成并冷冻硬化的输出物可以是植入于哺乳动物或人类的组织或器官的受影响区域或创伤性缺损的补片。

6、根据本公开的实施例，受影响区域可以是已经发生糖尿病足溃疡或软骨磨损或者已经发生由于烧伤或切割引起的创伤性缺损的受影响区域。

7、根据本公开的实施例，第一固定表面和第二固定表面可以设置在冷却床上彼此面对的位置，第一固定表面和第二固定表面被配置为固定所安装的基板，并且手柄可以形成在基板处，该手柄延伸到与冷却床间隔开的位置。

8、根据本公开的实施例，第二固定表面可以在朝向打印腔室的门的方向上形成，装配空间可以形成在第二固定表面处，手柄装配到装配空间中。

9、根据本公开的实施例，热油脂层可以形成在珀尔帖元件的上表面与冷却床的下表面之间以及珀尔帖元件的下表面与水箱的上表面之间。

10、根据本公开的实施例，可以在珀尔帖元件与水箱之间形成珀尔帖支撑件，并且可以在珀尔帖支撑件的上表面中形成多个彼此隔开的凹槽，珀尔帖元件装配在这些凹槽中。

11、根据本公开的实施例，冷却剂提供模块可以包括：冷却剂箱，该冷却剂箱被配置为存储冷却剂并接收来自水箱的循环冷却剂；连接到冷却剂箱的冷却剂泵；散热器，其一侧连接到冷却剂泵，另一侧连接到水箱，并具有形成在其中的冷却剂循环流动路径；以及散热器风扇，该散热器风扇被配置为消散从散热器产生的热量。

12、根据本公开的实施例，腔室外部空间可以形成为与打印腔室的内部空间分开，腔室外部空间中安装有冷却剂提供模块，并且该腔室外部空间可以包括：至少一个管道风扇，该管道风扇被配置为将在腔室外部空间中产生的热量排出到生物打印机的外部；外部空气吸入端口，外部空气通过该外部空气吸入端口被引入到腔室外部空间；以及冷却剂再填充门，其形成为可打开和可关闭以允许冷却剂从外部供应到冷却剂箱，并形成在冷却剂箱的冷却剂入口上方。

13、根据本公开的实施例，输出物硬化控制器可以在操作珀尔帖元件的同时操作冷却剂泵、散热器风扇和管道风扇，可以响应于由于打印表面的温度被冷却到预定温度而引起的输出物被冷冻硬化而停止珀尔帖元件的操作，并且可以在停止珀尔帖元件的操作之后，附加地操作冷却剂泵、散热器风扇和管道风扇持续预定的时间量，以便从珀尔帖元件移除余热。

14、根据本公开的实施例，输出物硬化控制器可以控制珀尔帖元件的操作，使得打印表面的温度达到-1℃至-20℃范围内的预定温度。

15、本公开的第二方面涉及一种冷冻硬化生物打印机的生物材料的方法。该方法是一种冷冻硬化生物打印机的生物材料的方法，该生物打印机包括多个分配器、打印板模块、包括珀尔帖元件的冷却模块、设置在冷却模块中的温度传感器、包括冷却剂箱、冷却剂泵、散热器和散热器风扇的冷却剂提供模块、被配置成将热量排出到外部的管道风扇、打印控制器和输出物硬化控制器，该方法可以包括：(a)由打印控制器通过多个分配器将打印腔室中的生物材料排出以形成输出物的操作；(b)在操作珀尔帖元件的同时操作冷却剂泵、散热器风扇和管道风扇的操作；以及(c)响应于输出物由于打印板模块的打印表面的温度被冷却到预定温度而冷冻硬化，停止珀尔帖元件的操作的操作，打印板模块的打印表面的温度是基于温度传感器检测到的值计算的。

16、根据本公开的实施例，多个分配器可以包括第一分配器和第二分配器，生物相容性膜由于粘性而可以可拆卸地附着到打印板模块的上表面，步骤(a)可以包括：(a-1)通过第一分配器打印支架的操作，该支架限定输出物的外边界；(a-2)通过第二分配器在支架中打印流体生物材料的操作；以及(a-3)当膜由于第一分配器打印的生物材料而部分熔化时，将支架熔合固定到膜的操作，其中由第二分配器打印的流体生物材料可以被设计成不泄漏通过支架与膜之间的界面。

17、根据本公开的实施例，该方法可以进一步包括，在(c)之后，(d)在停止珀尔帖元件的操作之后，附加地操作冷却剂泵、散热器风扇和管道风扇持续预定的时间量，以便从珀尔帖元件移除余热。