CN116572525B - 一种集成生物培养功能的生物3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物3D打印技术领域，尤其涉及一种集成生物培养功能的生物3D打印机。本发明提供一种基于DLP打印技术的，集成生物培养功能的生物3D打印机。一种集成生物培养功能的生物3D打印机，包括有机体、箱门和DLP投影光机等，机体侧面设有可转动打开的箱门，机体内安装有DLP投影光机，机体顶部安装有三轴移动机构，三轴移动机构包括X轴向平移单元、Y轴向平移单元和Z轴向平移单元，打印头安装在Y轴向平移单元，生物墨水槽固定在机体上，所述生物墨水槽位于DLP投影光机的上方。本发明通过在机体上集成设有细胞溶液槽和生物培养室，使得成型后的生物组织物能够及时地取下并进行培养，能够有效地避免成型的生物组织物在转移过程中失去活性。
Description
技术领域
本发明涉及生物3D打印技术领域，尤其涉及一种集成生物培养功能的生物3D打印机。
背景技术
3D生物打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。与非生物打印相比，3D生物打印更为复杂：要克服包括材料的选择、细胞类型、生长和分化因子以及与活细胞敏感性和组织结构相关的技术挑战。解决这些复杂问题需要综合来自工程、生物材料科学、细胞生物学、物理学和医学领域的技术。3D生物打印技术先已被用于多种组织的生成和移植，包括多层皮肤、骨骼、血管移植、气管夹板、心脏组织和软骨结构。
专利公开号CN212352909U于2021年1月公开了一种生物3D打印机，包括：底板，底板通过第一直线移动机构连接在打印机外壳内；喷头，喷头通过第二直线移动机构连接在打印机外壳内，喷头包括储料筒，储料筒底部设出料口正对底板，喷头设有转向机构转动出料口的角度，喷头还设有压杆，压杆伸入储料筒中压迫储料筒内的打印材料从出料口挤出；切割机构，设于喷头的出料口和底板之间，用于切割挤出的打印材料。
上述打印机通过将出料口设置成多个条形孔的方式，使其一次挤出即可完成一层面的成型，进而达到提高打印效率的目的，但该种方式不利于细胞存活，流体中的细胞受到剪应力的作用容易失去活性，而维持高存活率是实现组织功能的关键，此外，生物打印所制造的初始组织物在打印完成后，需要从打印机内取出转移到生物培养箱内进行培养，慢慢将其由初步组织培育成真正的组织，而在设备之间转移的过程中，细胞的存活率可能会进一步降低，因此，在此提出一种基于DLP打印技术的，集成生物培养功能的生物3D打印机。
发明内容
为了克服现有生物3D打印机采用挤压式生物打印时，流体中的细胞受到剪应力的作用容易失去活性，导致打印成型的初始组织物难以培养实现组织功能，此外，成型的初始组织物需要从打印机转移到培养设备中，在转移过程中细胞存活率可能会进一步降低的缺点，本发明提供一种基于DLP打印技术的，集成生物培养功能的生物3D打印机。
一种集成生物培养功能的生物3D打印机，包括有机体、箱门、DLP投影光机、三轴移动机构、打印头和生物墨水槽，机体侧面设有可转动打开的箱门，机体内安装有DLP投影光机，机体顶部安装有三轴移动机构，三轴移动机构包括X轴向平移单元、Y轴向平移单元和Z轴向平移单元，打印头安装在Y轴向平移单元，生物墨水槽固定在机体上，所述生物墨水槽位于DLP投影光机的上方，并填充有生物墨水，所述生物墨水槽底面可透光，还包括有导向柱、放置板和细胞溶液槽，所述机体内安装有导向柱，导向柱上安装有可升降的放置板，细胞溶液槽放置在放置板上，其内填充有细胞培养溶液。
可选地，还包括有隔板和培养室，机体内设有竖直的隔板，隔板将机体内部空间分隔成前后两腔室，DLP投影光机位于前腔室内，后腔室为培养室，所述培养室包括有环境调节模块、横板和滑动板，培养室内设置有环境调节模块，所述环境调节模块至少包括有用于调节温度的加热灯和用于杀菌的紫外线灯，培养室内安装有至少两块横板，横板上均设有可从箱门侧滑出的滑动板。
可选地，隔板上设有底边与滑动板顶面平齐的开口，所述开口数量与横板相同。
可选地，还包括有升降组件，所述升降组件包括有电动推杆和连接架，机体前腔室内安装有电动推杆，电动推杆上套接有连接架，所述连接架顶端与放置板固定连接，电动推杆在竖直方向上移动时，带动连接架和放置板共同做升降运动。
可选地，还包括有限位杆，机体前侧滑动安装有限位杆，所述限位杆穿过机体前壁伸入到前腔室内，且数量和高度与横板相对应。
可选地，还包括有推板，放置板中间开设有滑槽，推板滑动式连接在放置板上，推板可沿滑槽水平移动，细胞溶液槽可在推板作用下移动。
可选地，还包括有自动推入组件，所述自动推入组件包括有旋转杆、导向块、连接杆、框体和横杆，放置板底部安装有旋转杆，所述旋转杆可沿其自身靠近电动推杆的一端转动，旋转杆上开有通槽，推板底端伸入旋转杆的通槽内，旋转杆旋转时可推动推板沿滑槽移动，导向块固定安装在放置板底侧，连接杆穿过导向块伸入旋转杆的通槽内，且可沿导向块前后移动推动旋转杆转动，连接杆底端向电动推杆侧延伸，其末端固定连接有框体，框体底部与连接架接触，框体中空部分为前低后高的平行四边形，电动推杆顶端固定安装有横杆，所述横杆伸入框体内，横杆相对框体下移时，挤压框体斜边带动连接杆向后侧滑动。
可选地，还包括有伸缩杆、挡板和弹性件，机体前腔室内安装有伸缩杆，伸缩杆顶部连接有挡板，所述挡板与隔板贴合，挡板可相对隔板上下滑动，挡板升起时将开口遮盖封闭，放置板下移时将挡板压下，所述伸缩杆的固定部和伸缩部之间连接有弹性件。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、本发明采用DLP打印技术进行生物打印，基于数字面光源的层扫成型原理，DLP技术的打印速度更快，且打印精度也很高，与基于挤出的生物打印相比，DLP生物打印能够有效地保证细胞存活率和缩短生物制造时间；
2、本发明通过在机体上集成设有细胞溶液槽和生物培养室，使得成型后的生物组织物能够及时地取下并进行培养，省去了将组织物从打印机处转移至生物培养设备的过程，能够有效地避免成型的生物组织物在转移过程中失去活性，提高打印效率；
3、本发明通过升降组件和推入组件之间的巧妙配合，能够采用电动控制的方式将装有成型组织物的细胞溶液槽转移进入到培养室中，避免人工操作失误带来的风险。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明机体内部的立体结构示意图。
图3为本发明导向柱、放置板和细胞溶液槽的立体结构示意图。
图4为本发明培养室的立体结构示意图。
图5为本发明升降组件的立体结构示意图。
图6为本发明限位杆的立体结构示意图。
图7为本发明推板的立体结构示意图。
图8为本发明放置板底部的立体结构示意图。
图9为本发明推入组件的局部放大图。
图10为本发明推入组件的立体结构示意图。
图11为本发明伸缩杆和挡板的立体结构示意图。
图12为本发明弹性件的立体结构示意图。
附图中的标记：1：机体，2：箱门，3：DLP投影光机，4：三轴移动机构，5：打印头，6：生物墨水槽，7：导向柱，8：放置板，81：滑槽，9：细胞溶液槽，10：隔板，101：开口，11：培养室，111：环境调节模块，112：横板，113：滑动板，12：升降组件，121：电动推杆，122：连接架，13：限位杆，14：推板，15：推入组件，151：旋转杆，152：通槽，153：导向块，154：连接杆，155：框体，156：横杆，16：伸缩杆，17：挡板，18：弹性件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
实施例1
一种集成生物培养功能的生物3D打印机，如图1-图3所示，包括有机体1、箱门2、DLP投影光机3、三轴移动机构4、打印头5和生物墨水槽6，机体1侧面铰接有可转动打开的箱门2，箱门2上设有便于握持的把手，机体1内通过螺栓安装有DLP投影光机3，DLP投影光机3主要由DLP投影设备、云台和反射镜组成，机体1顶部通过螺栓安装有三轴移动机构4，三轴移动机构4包括X轴向平移单元、Y轴向平移单元和Z轴向平移单元，打印头5安装在Y轴向平移单元，打印头5可以在XOZ平面进行任意移动，并沿Y轴向进行前后位置的调节，生物墨水槽6通过磁吸附的方式固定在机体1顶部，所述生物墨水槽6位于DLP投影光机3的上方，并填充有基于DLP技术的光敏材料制成的生物墨水，所述生物墨水槽6底面可透光，还包括有导向柱7、放置板8和细胞溶液槽9，所述机体1内焊接有导向柱7，导向柱7共设有两根且竖直安装，导向柱7上滑动安装有可升降的放置板8，细胞溶液槽9放置在放置板8上，其内填充有用于为细胞提供养分的细胞培养溶液。
如图4所示，还包括有隔板10和培养室11，机体1内焊接有竖直的隔板10，隔板10将机体1内部空间分隔成前后两腔室，DLP投影光机3位于前腔室内，后腔室为培养室11，所述培养室11包括有环境调节模块111、横板112和滑动板113，培养室11内设置有环境调节模块111，所述环境调节模块111包括有用于调节温度的加热灯、用于杀菌的紫外线灯和控制湿度的湿度控制器，培养室11内通过螺丝安装有两块横板112，其间隔约为细胞溶液槽9的高度的1.5倍，横板112上均滑动式连接有可从箱门2侧滑出的滑动板113，滑动板113靠近箱门2侧设有便于抓持的凹槽，隔板10上开设有底边与滑动板113顶面平齐的开口101，开口101高度处于细胞溶液槽9高度和横板112间隔距离之间，所述开口101数量为两个。
在需要进行生物打印时，先将基于DLP技术的液态生物基材加入到生物墨水槽6中，随后控制三轴移动机构4将打印头5调节到合适位置，驱动DLP投影光机3发射可见光，并经过反射镜选择性反射所需图案，将打印层的横截面图像投射到生物墨水槽6中的生物基材中的一个层面上，使材料快速固化，随后通过三轴移动机构4控制打印头5从生物墨水槽6中缓慢垂直移动一个层面的距离，逐层进行打印，采用DLP光固化打印技术能够有效地避免挤压造成的应力影响细胞存活率，在打印完成后，将成型的初始组织物取下快速放入至一旁的细胞溶液槽9中，并且可通过将放置板8沿导向柱7滑下，带动细胞溶液槽9降下进入到机体1的前侧腔内，随后通过隔板10开口101送入到培养室11中，培养室11中的环境调节模块111能够对培养室11中的温度进行调节使其保持在细胞存活的区间，且紫外线照射能够有效地避免细菌等污染组织物，需要取出时，转动打开箱门2将滑动板113从横板112上拉出即可。
实施例2
在实施例1的基础之上，如图5所示，还包括有用于控制放置板8竖直移动的升降组件12，所述升降组件12包括有电动推杆121和连接架122，机体1前腔室内通过螺栓安装有电动推杆121，电动推杆121可在竖直方向上做直线运动，电动推杆121上侧的活动部上套接有连接架122，所述连接架122顶端与放置板8地面通过螺栓固定连接，连接架122外观类似于“乙”字型，其两端为水平的横板，电动推杆121在竖直方向上移动时，带动连接架122和放置板8共同做升降运动。
如图6所示，还包括有用于限制放置板8下移的限位杆13，机体1前侧滑动安装有限位杆13，限位杆13可相对机体1前后滑动，以推入实现限位或退出解除限位，所述限位杆13穿过机体1前壁伸入到前腔室内，且共设有两个，限位杆13由垂直机体1前壁的杆部和杆部外侧末端的握持部组成，握持部和杆部垂直。
当需要控制放置板8带动细胞溶液槽9和其内的初始组织物移动进入机体1内时，驱动电动推杆121在竖直方向上向下移动，使其活动部带动连接架122和放置板8共同降下，待降下至开口101位置处时，向内伸出的限位杆13组织放置板8继续下落，此时可将细胞溶液槽9推入到培养室11中，随后控制电动推杆121带动放置板8重新升起，使机体1内部保持封闭。
实施例3
在实施例2的基础之上，如图7和图8所示，还包括有用于推动放置板8表面物件的推板14，推板14为T型板，放置板8中间开设有滑槽81，推板14滑动式连接在放置板8上，推板14可沿滑槽81水平移动，细胞溶液槽9可在推板14作用下向后侧移动。
如图9和图10所示，还包括有用于实现自动将细胞溶液槽9推入培养室11内的自动推入组件15，所述自动推入组件15包括有旋转杆151、导向块153、连接杆154、框体155和横杆156，放置板8底部铰接有旋转杆151，所述旋转杆151可沿其自身靠近电动推杆121的一端为中心点转动，旋转该151初始状态下与滑槽81垂直，旋转杆151中间开有通槽152，推板14底端伸入旋转杆151的通槽152内，旋转杆151旋转时可推动推板14沿滑槽81移动，导向块153通过向下伸出的柱形连接块固定安装在放置板8底侧，且与滑槽81平行，连接杆154穿过导向块153伸入旋转杆151的通槽152内，且可沿导向块153前后移动推动旋转杆151转动，连接杆154为L型杆，连接杆154底端向电动推杆121侧延伸，其末端焊接有框体155，框体155底部与连接架122接触，框体155外沿呈直角梯形状，框体155中空部分为前低后高的平行四边形，其上下两侧均为斜面，电动推杆121顶端焊接有垂直的横杆156，所述横杆156伸入框体155内，横杆156相对框体155下移时，挤压框体155斜边带动连接杆154向后侧滑动。
在放置板8移动至与滑动板113平齐时，放置板8受到限位杆13限制不再滑下，此时电动推杆121活动部继续下移，其相对连接架122向下移动，连接架122顶部的横杆156同步下移，沿框体155后侧滑下至底部的斜边处，由于框体155底部与连接架122接触，其和放置板8一同收到限位杆13的阻碍，无法下移，框体155底边斜边受到挤压，使框体155向后侧移动，连接杆154沿导向块153后移推动旋转杆151逆时针转动，旋转杆151推动推板14沿滑槽81移动使放置板8上侧的细胞溶液槽9向后侧移动，穿过挡板17上的开口101推入到滑动板113上，而由于框体155上边同样为斜面，各组件随电动推杆121活动部上移复位。
如图11和图12所示，还包括有伸缩杆16、挡板17和弹性件18，机体1前腔室内通过螺栓安装有伸缩杆16，伸缩杆16顶部通过强力固定胶粘接的方式连接有挡板17，所述挡板17与隔板10贴合，挡板17可相对隔板10上下滑动，挡板17升起时将开口101遮盖封闭，挡板17周边向前侧延伸，放置板8下移时将挡板17压下，所述伸缩杆16的固定部和伸缩部之间连接有弹性件18，弹性件18采用不锈钢压缩弹簧。
在细胞溶液槽9从机体1顶部降下到进入培养室11的过程中，放置板8下移将挡板17压下，伸缩杆16的伸缩部受力向下移动，弹性件18受力压缩，挡板17从开口101处移开，方便细胞溶液槽9进入到培养室11内，放置板8升起时，伸缩杆16的伸缩部在弹性件18的复位作用下向上伸出，推动挡板17上移，重新将隔板10上的开口101遮盖封闭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种集成生物培养功能的生物3D打印机，包括有机体（1）、箱门（2）、DLP投影光机（3）、三轴移动机构（4）、打印头（5）和生物墨水槽（6），机体（1）侧面设有可转动打开的箱门（2），机体（1）内安装有DLP投影光机（3），机体（1）顶部安装有三轴移动机构（4），三轴移动机构（4）包括X轴向平移单元、Y轴向平移单元和Z轴向平移单元，打印头（5）安装在Y轴向平移单元，生物墨水槽（6）固定在机体（1）上，所述生物墨水槽（6）位于DLP投影光机（3）的上方，并填充有生物墨水，所述生物墨水槽（6）底面可透光；
其特征在于，还包括有导向柱（7）、放置板（8）和细胞溶液槽（9），所述机体（1）内安装有导向柱（7），导向柱（7）上安装有可升降的放置板（8），细胞溶液槽（9）放置在放置板（8）上，其内填充有细胞培养溶液；
还包括有隔板（10）和培养室（11），机体（1）内设有竖直的隔板（10），隔板（10）将机体（1）内部空间分隔成前后两腔室，DLP投影光机（3）位于前腔室内，后腔室为培养室（11），所述培养室（11）包括有环境调节模块（111）、横板（112）和滑动板（113），培养室（11）内设置有环境调节模块（111），所述环境调节模块（111）至少包括有用于调节温度的加热灯和用于杀菌的紫外线灯，培养室（11）内安装有至少两块横板（112），横板（112）上均设有可从箱门（2）侧滑出的滑动板（113）；
隔板（10）上设有底边与滑动板（113）顶面平齐的开口（101），所述开口（101）数量与横板（112）相同；
还包括有升降组件（12），所述升降组件（12）包括有电动推杆（121）和连接架（122），机体（1）前腔室内安装有电动推杆（121），电动推杆（121）上套接有连接架（122），所述连接架（122）顶端与放置板（8）固定连接，电动推杆（121）在竖直方向上移动时，带动连接架（122）和放置板（8）共同做升降运动；
还包括有限位杆（13），机体（1）前侧滑动安装有限位杆（13），所述限位杆（13）穿过机体（1）前壁伸入到前腔室内，且数量和高度与横板（112）相对应；
还包括有推板（14），放置板（8）中间开设有滑槽（81），推板（14）滑动式连接在放置板（8）上，推板（14）可沿滑槽（81）水平移动，细胞溶液槽（9）可在推板（14）作用下移动；
还包括有自动推入组件（15），所述自动推入组件（15）包括有旋转杆（151）、导向块（153）、连接杆（154）、框体（155）和横杆（156），放置板（8）底部安装有旋转杆（151），所述旋转杆（151）可沿其自身靠近电动推杆（121）的一端转动，旋转杆（151）上开有通槽（152），推板（14）底端伸入旋转杆（151）的通槽（152）内，旋转杆（151）旋转时可推动推板（14）沿滑槽（81）移动，导向块（153）固定安装在放置板（8）底侧，连接杆（154）穿过导向块（153）伸入旋转杆（151）的通槽（152）内，且可沿导向块（153）前后移动推动旋转杆（151）转动，连接杆（154）底端向电动推杆（121）侧延伸，其末端固定连接有框体（155），框体（155）底部与连接架（122）接触，框体（155）中空部分为前低后高的平行四边形，其上下两侧均为斜面，电动推杆（121）顶端固定安装有横杆（156），所述横杆（156）伸入框体（155）内，在放置板（8）移动至与滑动板（113）平齐时，放置板（8）受到限位杆（13）限制不再滑下，此时电动推杆（121）活动部继续下移，其相对连接架（122）向下移动，连接架（122）顶部的横杆（156）同步下移，横杆（156）相对框体（155）下移时，挤压框体（155）斜边带动连接杆（154）向后侧滑动。
2.根据权利要求1所述的一种集成生物培养功能的生物3D打印机，其特征在于，还包括有伸缩杆（16）、挡板（17）和弹性件（18），机体（1）前腔室内安装有伸缩杆（16），伸缩杆（16）顶部连接有挡板（17），所述挡板（17）与隔板（10）贴合，挡板（17）可相对隔板（10）上下滑动，挡板（17）升起时将开口（101）遮盖封闭，放置板（8）下移时将挡板（17）压下，所述伸缩杆（16）的固定部和伸缩部之间连接有弹性件（18）。
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