阅读说明：本技术 一种高精度的集合多种3d生物打印的集成装置 (High-precision integrated device for integrating multiple 3D biological printing ) 是由 乔之光 张醒 韩煜 戴尅戎 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置。本发明将多种生物材料或细胞水凝胶材料装入相应打印方式的打印喷头料筒中,在PC控制系统中设置好工艺流程步骤及各步骤对应的路径模型和打印参数条件；装置通过交替更换打印喷头,在不同部位打印预设的材料及结构,在打印过程中,通过实时调控Z轴运动使打印针头与物体打印层之间的高度固定,同时在静电打印过程中,调整打印平台使打印层高度与电导池液面高度一致,在固定高度的稳定电场下实现了高精度和高堆积度的样品制备,实现跨种类跨材料跨打印条件的联合高精度生物三维打印。(The invention discloses an integrated device for high-precision integration of multiple 3D biological printing. The invention loads a plurality of biological materials or cell hydrogel materials into a printing nozzle charging barrel with corresponding printing modes, and sets process flow steps, path models corresponding to the steps and printing parameter conditions in a PC control system; the device prints the shower nozzle through changing in turn, prints preset material and structure at different positions, at the printing in-process, through the high fixed between the layer of real-time regulation and control Z axle motion messenger printing syringe needle and object printing, simultaneously at the electrostatic printing in-process, adjustment print platform makes and prints layer height and electric conductivity pool liquid level height unanimous, has realized the sample preparation of high accuracy and high pile up degree under the stable electric field of fixed height, realizes striding the type and strides the biological three-dimensional printing of joint high accuracy of material stride printing condition.)

一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置

技术领域

本发明涉及3D生物打印技术领域，具体为一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置。

背景技术

上世纪90年代，3D生物打印的范围大多是制备一些医疗模型及体外医疗器械。21世纪以来，科学家们开始使用具有生物相容性的材料打印制备人体植入物(如假肢移植物、假耳移植物)和组织工程支架等。近十年来，越来越多的科学家及研究者们投身到三维生物打印等领域，以期制备出体外仿生的三维生物结构体。伴随3D生物打印工艺的不断发展，现阶段有静电纺丝、熔融沉积、溶液/熔体近场直写、微滴喷墨、同轴打印等打印方法，这些方法基于挤出或喷涂的方法，具有良好的打印精度，在组织工程、载药、医用敷料等领域得到广泛应用。但是这些设备尚存在一些问题有待解决，例如，市场上大多数近场直写设备只能调控X、Y轴，Z轴的进给量只能提前设定而不能实时调控；静电纺丝、近场直写、微滴喷墨等打印方式出现随材料堆积电场不稳定现象，因而堆积高度和精度受限。进一步，受限于各种打印方式有各自的适用材料和打印条件，不能使用同一台设备实现。因此，如何将各种打印方法相互结合并发挥出各自的优势是研究的重点。

传统的基于静电纺丝技术的生物三维打印设备，包括静电纺丝、溶液/熔体近场直写、微滴喷墨等大多不能实时调控Z轴进给量，只能在打印前设定恒定值，而且都是基于二维图形分层堆积实现三维结构体的制备，无法满足高精度三维实体打印的需求。

此外，由于材料的不断堆积，这些生物三维打印设备单纯根据高度调节电压的方法无法形成稳定或恒定的电场，进而严重影响了打印产品的精度，限制了材料堆积高度。

组织结构仿生需求已不仅仅在于外部轮廓及整体性能的模拟，而是不断追求对于一种组织各部分的细化仿生和结构功能的定制化仿生，仅利用现有的生物三维打印设备进行交替打印无法满足高精度定位的需求，且耗时耗力，因而跨尺度、跨材料、跨打印条件的多打印式集成装置亟待研发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置，实现了Z轴进给量的实时调控，同时通过调节电导池液面高度形成了更稳定的电场，实现了高精度高堆积度的三维实体打印，进一步在同一台设备实施多种3D生物打印方法，提高定位精度和系统集成度，实现了跨尺度跨材料跨打印条件的联合高精度打印，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置，包括打印舱，所述打印舱的内部安装有龙门运动平台，所述龙门运动平台上安装有Z轴驱动器，所述龙门运动平台上且位于Z轴驱动器左侧的位置安装有打印喷头，所述Z轴驱动器上安装有与打印喷头相适配的喷头吸附装置，所述龙门运动平台上且位于喷头吸附装置的下方安装有电导池，所述电导池的左侧面安装有激光测距仪，所述电导池的底面安装有打印平台和打印平台驱动器，所述打印舱的内部且位于龙门运动平台的下方安装有温度控制系统，所述打印舱的内部且位于温度控制系统的左侧安装有高压静电发生系统，所述打印舱的内部且位于高压静电发生系统的右侧安装有控制面板，所述打印平台的内部安装有打印平台驱动器，所述打印舱的右侧设置有PC控制系统，所述打印舱的右侧且位于PC控制系统的上方设置有气压控制系统。

优选的，所述打印舱、龙门运动平台、Z轴驱动器、打印喷头、喷头吸附装置、激光测距仪、打印平台、电导池和打印平台驱动器构成打印装置主体。

优选的，所述打印舱为打印装置主体的外层保护罩，可以进行紫外灭菌，控制打印舱整体的温度与湿度。

优选的，所述龙门运动平台与Z轴驱动器和喷头吸附装置相连，主要控制打印时打印喷头的X轴、Y轴和Z轴的运动。

优选的，所述打印喷头放置于打印舱侧面，由PC控制系统控制喷头吸附装置吸取，所述打印喷头为金属材质，内部有加热套、料筒等，其中的料筒为聚四氟乙烯或陶瓷材质，整体绝缘，耐高温，料筒中加入高分子材料或细胞水凝胶，最大体积为50mL。

优选的，所述喷头吸附装置由PC控制系统控制，针对不同工艺流程步骤吸附相应打印喷头，所述喷头吸附装置与温度控制系统、高压静电发生系统中的正高压静电发生器和气压控制系统相连，所述PC控制系统可控制喷头吸附装置与各控制系统之间的通断。

优选的，所述打印喷头包括静电纺丝喷头、熔融沉积喷头、溶液/熔体近场直写喷头、微滴喷墨喷头、双腔同轴打印喷头、三腔同轴打印喷头。

优选的，所述激光测距仪用来检测电导池中的盐溶液的上层液面与打印产品的上层高度。

优选的，所述打印平台由打印平台驱动器驱动沿着Z轴垂直运动。

优选的，所述电导池与高压静电发生系统中的负高压静电发生器相连，所述电导池中储存有盐溶液，其盐溶液的液面始终与打印产品的上层高度一致，盐溶液为氯化钠，氯化钾，氯化钙溶液等，可通过调节其浓度来调节电导率，电导率调节范围为1-500mS/m。

优选的，所述温度控制系统为热电偶式电加热装置，用来控制喷头内加热套的加热温度，调节范围为室温到280℃。

优选的，所述高压静电发生系统包括负/正高压静电发生器，电压调控范围为0-±50kV，其中负压与电导池相连，正压与喷头吸附装置相连。

优选的，所述控制面板可以显示调节温度和电压值。

优选的，所述PC控制系统主要通过软件控制设备运转，包括结合三维模型和打印条件参数自动控制各平台的运动、喷头的切换和各控制系统的调节与通断。

优选的，所述气压控制系统通过供给空气或惰性气体等形成气压，气压调节范围为0-5MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置，使用前将多种生物材料或细胞水凝胶材料装入相应打印方式的打印喷头料筒中，在PC控制系统中设置好工艺流程步骤及各步骤对应的路径模型和打印参数条件；使用时装置通过交替更换打印喷头，在不同部位打印预设的材料及结构，在打印过程中，通过实时调控Z轴运动使打印针头与物体打印层之间的高度固定，同时在静电打印过程中，调整打印平台使打印层高度与电导池液面高度一致，在固定高度的稳定电场下实现了高精度和高堆积度的样品制备，该装置操作方便，进一步实现了跨种类跨材料跨打印条件的联合高精度生物三维打印。

附图说明

图1为本发明中主视图的结构示意图；

图2为本发明中打印喷头的示意图；

图3为本发明中打印情况示意图；

图4为本发明实施例1中跨尺度纤维支架示意图；

图5为本发明实施例2中复合生物样品示意图；

图6为本发明实施例3中纳米纤维示意图。

图中：1打印舱、2龙门运动平台、3Z轴驱动器、4打印喷头、41静电纺丝喷头、42熔融沉积喷头、43溶液/溶体近场直写喷头、44微滴喷墨喷头、45双腔同轴打印喷头、46三腔同轴打印喷头、5喷头吸附装置、6激光测距仪、7打印平台、8电导池、9温度控制系统、10高压静电发生系统、11控制面板、12打印平台驱动器、13 PC控制系统、14气压控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2中①—⑥依次为静电纺丝喷头41、熔融沉积喷头42、溶液/熔体近场直写喷头43、微滴喷墨喷头44、双腔同轴打印喷头45、三腔同轴打印喷头46，图3中依次为静电纺丝、熔融沉积或溶液/熔体近场直写、微滴喷墨、双腔同轴打印、三腔同轴打印的打印情况。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高精度的集合多种3D生物打印的集成装置，包括打印舱1，打印舱1的内部安装有龙门运动平台2，龙门运动平台2上安装有Z轴驱动器3，龙门运动平台2上且位于Z轴驱动器3左侧的位置安装有打印喷头4，Z轴驱动器3上安装有与打印喷头4相适配的喷头吸附装置5，龙门运动平台2上且位于喷头吸附装置5的下方安装有电导池8，电导池8左侧面安装有激光测距仪6，电导池8底面安装有打印平台7和打印平台驱动器12，打印舱1的内部且位于龙门运动平台2的下方安装有温度控制系统9，打印舱1的内部且位于温度控制系统9的左侧安装有高压静电发生系统10，打印舱1的内部且位于高压静电发生系统10的右侧安装有控制面板11，打印平台7的内部安装有打印平台驱动器12，打印舱1的右侧设置有PC控制系统13，打印舱1的右侧且位于PC控制系统13的上方设置有气压控制系统14。

具体的，打印舱1、龙门运动平台2、Z轴驱动器3、打印喷头4、喷头吸附装置5、激光测距仪6、打印平台7、电导池8和打印平台驱动器12构成打印装置主体。

具体的，打印舱1为打印装置主体的外层保护罩，可以进行紫外灭菌，控制打印舱1整体的温度与湿度。

具体的，龙门运动平台2与Z轴驱动器3和喷头吸附装置5相连，主要控制打印时打印喷头4的X轴、Y轴和Z轴的运动。

具体的，打印喷头4放置于打印舱1侧面，由PC控制系统13控制喷头吸附装置5吸取，打印喷头4为金属材质，内部有加热套、料筒等，其中的料筒为聚四氟乙烯或陶瓷材质，整体绝缘，耐高温，料筒中加入高分子材料或细胞水凝胶，体积为50mL。

具体的，喷头吸附装置5由PC控制系统13控制，针对不同工艺流程步骤吸附相应打印喷头4，喷头吸附装置5与温度控制系统9、高压静电发生系统10中的正高压静电发生器和气压控制系统14相连，PC控制系统13可控制喷头吸附装置5与各控制系统之间的通断。

具体的，打印喷头4包括静电纺丝喷头41、熔融沉积喷头42、溶液/熔体近场直写喷头43、微滴喷墨喷头44、双腔同轴打印喷头45、三腔同轴打印喷头46。

具体的，激光测距仪6用来检测电导池8中的盐溶液的上层液面与打印产品的上层高度。

具体的，打印平台7由打印平台驱动器12驱动沿着Z轴垂直运动。

具体的，电导池8与高压静电发生系统10中的负高压静电发生器相连，电导池8中储存有盐溶液，其盐溶液的液面始终与打印产品的上层高度一致，盐溶液为氯化钠，氯化钾，氯化钙溶液等，可通过调节其浓度来调节电导率，电导率为500mS/m。

具体的，温度控制系统9为热电偶式电加热装置，用来控制喷头内加热套的加热温度，温度设置为室温。

具体的，高压静电发生系统10包括负/正高压静电发生器，电压为50kV，其中负压与电导池8相连，正压与喷头吸附装置5相连。

具体的，控制面板11可以显示调节温度和电压值。

具体的，PC控制系统13主要通过软件控制设备运转，包括结合三维模型和打印条件参数自动控制各平台的运动、喷头的切换和各控制系统的调节与通断。

具体的，气压控制系统14通过供给空气或惰性气体等形成气压，气压为0-5MPa。

实施例1，请参阅图1-3或4，先后将高分子材料聚己内酯加入熔融沉积喷头42、溶液/熔体近场直写喷头43和静电纺丝喷头41中，再在PC控制系统13中设置工艺流程、打印参数和打印模型，设置在熔融沉积打印工艺步，温度控制系统9调节温度为80℃；在熔体近场直写打印工艺步，温度控制系统9调节温度为70℃，高压静电发生系统10调节正压4kV和负压-2kV，气压控制系统14调节气压为1bar；在静电纺丝打印工艺步，温度控制系统9调节温度为80℃，高压静电发生系统10调节正压15kV和负压-1kV，气压控制系统14调节气压为1bar，然后打印过程中，由龙门运动平台2与Z轴驱动器3带动打印喷头4沿着X轴、Y轴和Z轴运动，打印纤维堆积在打印平台7上，打印平台7由打印平台驱动器12驱动沿着Z轴运动，经过堆积最终打印得到跨尺度的纤维支架样品。

实施例2，请参阅图1-3或5，先将高分子材料聚己内酯加入溶液/熔体近场直写喷头43中，将细胞水凝胶材料加入静电纺丝喷头41中，将混有生长因子的生物材料加入微滴喷墨喷头44中，再在PC控制系统13中设置工艺流程、打印参数和打印模型，设置在熔体近场直写打印工艺步，温度控制系统9调节温度为70℃，高压静电发生系统10调节正压4kV和负压-2kV，气压控制系统14调节气压为1bar；在细胞水凝胶打印工艺步，温度控制系统9断开，高压静电发生系统10调节正压2kV和负压-1kV，气压控制系统14调节气压为0.5bar；在微滴喷墨打印工艺步，温度控制系统9断开，高压静电发生系统10调节正压2kV和负压-1kV，气压控制系统14调节气压为0.5bar，然后打印过程中，由龙门运动平台2与Z轴驱动器3带动打印喷头4沿着X轴、Y轴和Z轴运动，打印纤维堆积在打印平台7上，打印平台7由打印平台驱动器12驱动沿着Z轴运动，经过堆积最终打印得到纤维支架、水凝胶、细胞和生长因子复合的生物样品。

实施例3，请参阅图1-3或6，将脂溶性药物(指抗癌性药物、抗炎症药物、脂溶性抗生素、脂溶性维生素中的一种或几种)溶解在植物油中得到的油相溶液加入到双腔同轴打印喷头45的内腔中；将添加有乳化剂的水溶性高分子材料溶解在水中得到的水相溶液加入到双腔同轴打印喷头45的外腔中，再在PC控制系统13中设置工艺流程、打印参数和打印模型，设置在静电纺丝打印工艺步，高压静电发生系统10调节正压15kV和负压-1kV，气压控制系统14调节气压为1bar，然后打印过程中，由龙门运动平台2与Z轴驱动器3带动打印喷头4沿着X轴、Y轴和Z轴运动，打印纤维堆积在打印平台7上，打印平台7由打印平台驱动器12驱动沿着Z轴运动，经过堆积最终打印得到具有皮芯结构的载药纳米纤维，皮芯结构纳米纤维不但具有较高的力学性能，且实现了对脂溶性药物的负载。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。