基于激光誘導(dǎo)的3d生物打印系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于3D生物打印領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國每年需要器官移植的患者已經(jīng)達(dá)到了 100萬左右，而真正能夠做上移植的只有I萬人，其中需要做肝移植的患者每年有20~30萬，但是每年做上肝移植的人只有3000-4000人；很多需要心臟、肝臟、肺臟這些器官的患者由于得不到可移植器官而死去。
[0003]3D生物打印技術(shù)是目前解決移植器官難題的一種途徑，并得到了快速發(fā)展；其能夠按需打印患者所需器官，同時(shí)由于打印器官的種子細(xì)胞來自于患者或患者近親，所以基本上不會(huì)出現(xiàn)排異反應(yīng)。目前3D生物打印技術(shù)一般采用類似噴墨打印方式進(jìn)行3D打印，即將需要打印的生物材料放入打印噴頭，通過壓電裝置、超聲等方式將生物材料以液滴形式從打印噴頭上流出，并轉(zhuǎn)移到打印基本材料上。由于打印噴頭中需要填充滿生物材料，因此打印生物材料消耗較大，受限于打印噴頭尺寸的限制，一般打印的生物材料精度也有限，同時(shí)由于一般打印設(shè)備中打印噴頭數(shù)目只有兩個(gè)或少量幾個(gè)，打印速度較慢。以上不足，均將增加3D生物打印的制造周期和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有3D生物打印技術(shù)工藝存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)及方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一、基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)，包括:
激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、固定件、三維移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和控制中心，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、固定件、三維移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)均與控制中心信號(hào)連接；其中:
激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)，用來產(chǎn)生單束或多束的激光陣列，且產(chǎn)生的激光陣列照射至透明基板上表面；
固定件，用來將透明基板固定于三維移動(dòng)平臺(tái)上方；
三維移動(dòng)平臺(tái)，用來放置打印載體并使打印載體三維移動(dòng)；
實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控打印載體位置數(shù)據(jù)以及當(dāng)前打印層的幾何形貌和精度。
[0006]上述激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)包括激光源、光路系統(tǒng)和分光裝置，激光源產(chǎn)生的激光束通過光路系統(tǒng)傳送至分光裝置。
[0007]上述系統(tǒng)還包括機(jī)械臂，用來給透明基板下表面涂覆細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液。
[0008]二、基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印方法，采用上述基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印裝置逐層打印，各打印層的打印步驟包括:
步驟1，打印載體置于容器內(nèi)，容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上，下表面分別涂覆細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液的兩塊透明基板通過固定件固定于容器上方； 步驟2，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列照射到下表面涂覆細(xì)胞溶液的透明基板上表面，誘導(dǎo)照射區(qū)域內(nèi)細(xì)胞溶液從透明基板上脫離，滴落至打印載體；
步驟3，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列照射到下表面涂覆培養(yǎng)液的透明基板上表面，誘導(dǎo)該照射區(qū)域內(nèi)培養(yǎng)液從透明基板上脫離，滴落至容器內(nèi)未涂覆細(xì)胞溶液的區(qū)域。
[0009]步驟2和3中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集容器內(nèi)打印載體的位置數(shù)據(jù)，控制中心根據(jù)位置數(shù)據(jù)調(diào)控激光陣列出射位置和移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)，使得細(xì)胞溶液可正好滴落至打印載體上、培養(yǎng)液可正好滴落至容器內(nèi)細(xì)胞溶液外區(qū)域。
[0010]步驟2中，控制中心控制移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)，使得細(xì)胞溶液在打印載體上均勻分布。
[0011]打印過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前打印層的幾何形貌和3D方向上精度，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至控制中心，控制中心根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整工藝參數(shù)。
[0012]
本發(fā)明的工作原理如下:
激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生激光陣列照射下表面涂覆有細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液的透明基板，由于溫度升高，照射區(qū)域細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液中液體汽化，將產(chǎn)生脈動(dòng)高氣壓誘導(dǎo)細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液脫離透明基板，滴涂到打印載體。控制中心通過控制三維移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)和調(diào)控激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)輸出功率實(shí)現(xiàn)高精度的3D生物打印。
[0013]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)快速、高精度、大幅面的生物器官打印，有利于大大減低3D生物打印的制造成本和制造周期。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本發(fā)明方法，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅為本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0015]圖1為激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明裝置的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明方法的具體工藝過程示意圖；
圖4為本發(fā)明工作原理示意圖。
[0016]圖中，0010-激光源，0020-光路系統(tǒng)，0030-數(shù)字反射鏡，0040-光掃描裝置，0050-透明基板，0060-細(xì)胞溶液，0070-培養(yǎng)液，0080-容器，0090-三維移動(dòng)平臺(tái)，00110-實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，00120-生物器官，00130-蒸汽，00140-激光束，00150-激光陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合【具體實(shí)施方式】和附圖對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說明。
[0018]見圖1，本發(fā)明激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)包括激光源(0010)、光路系統(tǒng)(0020)和分光裝置，激光源(0010 )產(chǎn)生的激光束(00140 )通過光路系統(tǒng)(0020 )傳送至分光裝置，分光裝置對(duì)激光束(00140)進(jìn)行分光，從而獲得單束或多束的激光陣列(00150)。具體實(shí)施時(shí)，分光裝置可以采用數(shù)字反射鏡(0030 )或光掃描裝置(0040 )。
[0019]見圖2，本發(fā)明裝置包括激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、三維移動(dòng)平臺(tái)(0090)、用來給透明基板涂覆細(xì)胞溶液(0060 )和培養(yǎng)液(0070 )的機(jī)械臂(未在圖還畫出)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(00110 )和控制中心，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、三維移動(dòng)平臺(tái)(0090 )、機(jī)械臂、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(00110 )均與控制中心信號(hào)連接，控制中心用來控制激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、三維移動(dòng)平臺(tái)(0090 )、機(jī)械臂工作，并接收實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(00110 )的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
[0020]圖3為本發(fā)明工藝過程示意圖，本發(fā)明按層進(jìn)行打印，各打印層的打印過程如下: Cl)打印載體置于容器(0080)內(nèi)，容器(0080)置于三維移動(dòng)平臺(tái)(0090)上。
[0021 ] (2)在兩塊透明基板(0050 )下表面分別涂覆細(xì)胞溶液(0060 )和培養(yǎng)液(0070 )，透明基板(0050)通過固定件(未在圖中畫出)設(shè)于三維移動(dòng)平臺(tái)(0090)上方，固定件可以為機(jī)械臂。
[0022](3)激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列(00150)照射到下表面涂覆細(xì)胞溶液(0060)的透明基板(0050)上表面，激光陣列(00150)照射區(qū)域內(nèi)由于溫度升高，細(xì)胞溶液
(0060)中液體汽化產(chǎn)生蒸汽(00130)，蒸汽(00130)誘導(dǎo)該照射區(qū)域內(nèi)細(xì)胞溶液(0060)從透明基板(0050)上脫離，滴落至打印載體上，見圖4。
[0023](4)激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列(00150)照射到下表面涂覆培養(yǎng)液(0070)的透明基板(0050 )上表面，誘導(dǎo)該照射區(qū)域內(nèi)培養(yǎng)液(0070 )從透明基板(0050 )上脫離，滴落至容器(0080)內(nèi)未涂覆細(xì)胞溶液的區(qū)域，從而獲得當(dāng)前打印層。
[0024]具體實(shí)施時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(00110)采集容器(0080)及其內(nèi)打印載體的位置數(shù)據(jù)，控制中心根據(jù)位置數(shù)據(jù)調(diào)控激光陣列(00150)出射位置和移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)(0090)，使得細(xì)胞溶液(0060)可正好滴落至打印載體上、培養(yǎng)液(0070)可正好滴落至容器(0080)內(nèi)細(xì)胞溶液(0060)外區(qū)域。
[0025]實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(00110)還實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前打印層的幾何形貌和3D方向上精度，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至控制中心，控制中心可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整工藝參數(shù)。
[0026]步驟(2)中，控制中心控制移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)(0090)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞溶液在打印載體上的均勻分布。
[0027]
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)，其特征在于，包括: 激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、固定件、三維移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和控制中心，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、固定件、三維移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)均與控制中心信號(hào)連接；其中: 激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)，用來產(chǎn)生單束或多束的激光陣列，且產(chǎn)生的激光陣列照射至透明基板上表面； 固定件，用來將透明基板固定于三維移動(dòng)平臺(tái)上方； 三維移動(dòng)平臺(tái)，用來放置打印載體并使打印載體三維移動(dòng)； 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控打印載體位置數(shù)據(jù)以及當(dāng)前打印層的幾何形貌和精度。2.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)，其特征在于: 所述的激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)包括激光源、光路系統(tǒng)和分光裝置，激光源產(chǎn)生的激光束通過光路系統(tǒng)傳送至分光裝置。3.如權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)，其特征在于: 還包括機(jī)械臂，用來給透明基板下表面涂覆細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液。4.基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印方法，其特征在于: 采用權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印裝置逐層打印，各打印層的打印步驟包括: 步驟1，打印載體置于容器內(nèi)，容器置于三維移動(dòng)平臺(tái)上，下表面分別涂覆細(xì)胞溶液和培養(yǎng)液的兩塊透明基板通過固定件固定于容器上方； 步驟2，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列照射到下表面涂覆細(xì)胞溶液的透明基板上表面，誘導(dǎo)照射區(qū)域內(nèi)細(xì)胞溶液從透明基板上脫離，滴落至打印載體； 步驟3，激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的激光陣列照射到下表面涂覆培養(yǎng)液的透明基板上表面，誘導(dǎo)該照射區(qū)域內(nèi)培養(yǎng)液從透明基板上脫離，滴落至容器內(nèi)未涂覆細(xì)胞溶液的區(qū)域。5.如權(quán)利要求4所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印方法，其特征在于: 步驟2和3中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集容器內(nèi)打印載體的位置數(shù)據(jù)，控制中心根據(jù)位置數(shù)據(jù)調(diào)控激光陣列出射位置和移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)，使得細(xì)胞溶液可正好滴落至打印載體上、培養(yǎng)液可正好滴落至容器內(nèi)細(xì)胞溶液外區(qū)域。6.如權(quán)利要求4所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印方法，其特征在于: 步驟2中，控制中心控制移動(dòng)三維移動(dòng)平臺(tái)，使得細(xì)胞溶液在打印載體上均勻分布。7.如權(quán)利要求4所述的基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印方法，其特征在于: 打印過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前打印層的幾何形貌和3D方向上精度，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋至控制中心，控制中心根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整工藝參數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光誘導(dǎo)的3D生物打印系統(tǒng)及方法，包括激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)、固定件、三維移動(dòng)平臺(tái)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和控制中心，其中：激光陣列產(chǎn)生系統(tǒng)，用來產(chǎn)生單束或多束的激光陣列，且產(chǎn)生的激光陣列照射至透明基板上表面；固定件，用來將透明基板固定于三維移動(dòng)平臺(tái)上方；三維移動(dòng)平臺(tái)，用來放置打印載體并使打印載體三維移動(dòng)；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控打印載體位置數(shù)據(jù)以及當(dāng)前打印層的幾何形貌和精度。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)快速、高精度、大幅面的生物器官打印，有利于大大減低3D生物打印的制造成本和制造周期。
【IPC分類】A61F2/02, B33Y10/00, B33Y70/00, B33Y30/00
【公開號(hào)】CN105125316
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510410756
【發(fā)明人】劉勝, 鄭懷, 郭醒, 雷翔, 李曉天
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月14日