本發(fā)明涉及生物3d打印，尤其涉及一種超聲3d打印裝置及打印方法。

背景技術(shù)：

1、3d打印技術(shù)是目前眾多快速成型技術(shù)中的一種，亦稱增材制造，是一種以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末、塑料或高分子溶液等材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的先進(jìn)技術(shù)。目前，已有一部分生物植入體是通過3d打印技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的。然而，現(xiàn)有生物3d打印技術(shù)一般是體外利用噴墨式、激光直寫式、擠出式、光固化式等3d打印方式構(gòu)建所需的生物材料，在植入過程中可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：(1)柔軟的生物材料如水凝膠等可能會(huì)被人工破壞；(2)進(jìn)行大范圍開放性手術(shù)，增加感染風(fēng)險(xiǎn)；(3)生物材料與組織出現(xiàn)界面不匹配，降低其生物學(xué)功能。

2、前沿的生物3d打印技術(shù)趨向于在體內(nèi)直接進(jìn)行生物活性材料/器件的構(gòu)建。近紅外光(nir)作為一種有效的刺激調(diào)控媒介，已有研究報(bào)道用于對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行無創(chuàng)的體內(nèi)3d生物打印。然而，由于nir僅能穿透5mm以內(nèi)深度的生物組織，所以將nir深入到光學(xué)散射介質(zhì)(如生物組織)以及進(jìn)行后續(xù)的3d打印操作仍存在挑戰(zhàn)性。此外，光敏油墨本身的光衰減、光引發(fā)劑的生物毒性等都對(duì)光固化生物3d打印的材料選擇和構(gòu)建尺寸造成了限制。

3、超聲波具有更強(qiáng)的穿透性能，可達(dá)到厘米級(jí)，足以深入體內(nèi)各個(gè)組織。同時(shí)，超聲波也可以使用聚焦超聲(fus)換能器聚焦于某一“焦點(diǎn)”中，可有效避免非目標(biāo)區(qū)域的組織產(chǎn)生能量吸收，保護(hù)植入材料外的健康組織。另外，由于fus換能器可以產(chǎn)生正負(fù)壓在兆赫茲頻率交替并沿深度方向傳播的聲波，所以該技術(shù)可持續(xù)高精度地將聲能傳遞到焦點(diǎn)區(qū)域。但是當(dāng)前的聚焦超聲生物3d打印設(shè)備仍存在著精度較低(毫米級(jí))、聲壓較強(qiáng)(峰值達(dá)到35mpa以上)、功能較單一且裝置較為復(fù)雜等問題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度超聲生物3d打印、組織修復(fù)等臨床應(yīng)用仍具有一段距離。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種超聲3d打印裝置及打印方法，以解決上述問題。

2、本發(fā)明提供一種超聲3d打印裝置，包括：成型艙室(1)，成型模塊，發(fā)射模塊，運(yùn)動(dòng)模塊，輔助功能模塊，中央電源(17)；所述成型模塊設(shè)置在所述成型艙室(1)中，包括生物墨水容器(2)和生物墨水(3)，所述生物墨水容器(2)用于盛放所述生物墨水(3)及打印初產(chǎn)物，所述生物墨水(3)基于超聲作用實(shí)現(xiàn)熱固化；所述發(fā)射模塊包括聚焦超聲波換能器組(4)，所述聚焦超聲波換能器組(4)用于對(duì)不同空間位置的生物墨水進(jìn)行精確的固化打印，通過連接件安裝于所述運(yùn)動(dòng)模塊中的三維運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊(6)上；所述運(yùn)動(dòng)模塊包括具有承載三維運(yùn)動(dòng)功能的導(dǎo)軌和位移控制單元(10)，所述位移控制單元(10)將預(yù)設(shè)的三維模型進(jìn)行切割，以路徑指令輸出，控制所述導(dǎo)軌上安裝的滑塊(6)進(jìn)行位移，帶動(dòng)所述聚焦超聲波換能器(4)對(duì)空間位置的生物墨水進(jìn)行精確固化；所述輔助功能模塊包括高清攝像機(jī)(11)、高清顯示屏(12)、滅菌裝置(13)、溫度控制裝置(15)，所述高清攝像機(jī)(11)對(duì)聚焦超聲波打印范圍內(nèi)的場景進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并將畫面?zhèn)魉椭吝B接的高清顯示屏(12)，以反饋實(shí)時(shí)的打印狀態(tài)，供調(diào)節(jié)打印參數(shù)；所述滅菌裝置(13)用于殺滅打印環(huán)境中的微生物；所述溫度控制裝置(15)用于維持打印環(huán)境中溫度的恒定；所述中央電源(17)用于提供超聲3d打印裝置所需的電力。

3、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述聚焦超聲波換能器組(4)中集成了多個(gè)不同頻率的聚焦超聲波換能器。

4、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述聚焦超聲波換能器組(4)由聚焦超聲波控制單元(5)調(diào)控，用于產(chǎn)生不同功率密度的超聲波聚焦效果。

5、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述聚焦超聲波換能器組(4)的頻率范圍為20khz-50?mhz。

6、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述承載三維運(yùn)動(dòng)功能的導(dǎo)軌包括x軸絲杠導(dǎo)軌(7)、y軸絲杠導(dǎo)軌(8)、z軸絲杠導(dǎo)軌(9)；所述滑塊(6)在x，y，z軸方向上的位移帶動(dòng)所述聚焦超聲波換能器組(4)對(duì)不同空間位置的生物墨水進(jìn)行聚焦打印。

7、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述滅菌裝置(13)包括臭氧發(fā)生器、紫外燈和定時(shí)開關(guān)元件。

8、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，所述溫度控制裝置(15)包括溫敏傳感器、冷卻元件、升溫元件和溫控處理器(16)；通過所述溫敏傳感器將打印容器內(nèi)實(shí)時(shí)的溫度信息反饋至溫控處理器(16)，所述溫控處理器輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)升溫元件或降溫元件。

9、在本發(fā)明的另一方面，提供一種超聲3d打印方法，應(yīng)用于上述的超聲3d打印裝置，包括：根據(jù)預(yù)設(shè)比例將聚合物材料、生物活性成分以及聲敏劑進(jìn)行混合，得到生物墨水；將所述生物墨水輸送到成型模塊的生物墨水容器或生物體需填充的部位中；通過控制單元進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，按打印產(chǎn)品的要求對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行數(shù)字化切割，用以設(shè)定打印路徑；利用聚焦超聲波控制單元設(shè)置3d打印所需的超聲頻率或強(qiáng)度，使所述打印路徑中焦點(diǎn)部位的生物墨水快速響應(yīng)固化；通過運(yùn)動(dòng)模塊中滑塊的三維運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)聚焦超聲波換能器不斷改變焦點(diǎn)，使所述打印路徑中不同空間位置的生物墨水固化，得到打印產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)模型。

10、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，其特征在于，還包括：通過輔助功能模塊中的攝像頭對(duì)所述三維結(jié)構(gòu)模型的打印過程進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)打印狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)打印參數(shù)，保證打印的順利進(jìn)行。

11、在本發(fā)明的另一實(shí)現(xiàn)方式中，還包括：根據(jù)所述打印產(chǎn)品的要求控制滅菌裝置，以保證打印過程的無菌狀態(tài)及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)；通過溫控裝置維持成型艙室內(nèi)溫度的恒定，保證打印過程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，減少溫度變化帶來的成型效果差異。

12、本發(fā)明的超聲3d打印裝置，采用了集成式超聲換能器發(fā)射模塊，可針對(duì)不同類別或結(jié)構(gòu)需求的生物墨水快速切換不同頻率的超聲換能器；采用可三維方向運(yùn)動(dòng)的滑塊，具有微米級(jí)的定位精度，提升了超聲生物3d打印的精度；模塊化程度較高，可針對(duì)不同場景需求快速更換組件，也有利于后期的維護(hù)保養(yǎng)；通過調(diào)控超聲頻率、強(qiáng)度，可降低超聲聲壓；通過調(diào)節(jié)生物墨水或者控制成型艙室的溫度，可以調(diào)控材料成型溫度，使其具有生物安全性。

技術(shù)特征：

1.一種超聲3d打印裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聚焦超聲波換能器組(4)中集成了多個(gè)不同頻率的聚焦超聲波換能器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述聚焦超聲波換能器組(4)由聚焦超聲波控制單元(5)調(diào)控，用于產(chǎn)生不同功率密度的超聲波聚焦效果。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述聚焦超聲波換能器組(4)的頻率范圍為20khz-50?mhz。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述承載三維運(yùn)動(dòng)功能的導(dǎo)軌包括x軸絲杠導(dǎo)軌(7)、y軸絲杠導(dǎo)軌(8)、z軸絲杠導(dǎo)軌(9)；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述滅菌裝置(13)包括臭氧發(fā)生器、紫外燈和定時(shí)開關(guān)元件。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度控制裝置(15)包括溫敏傳感器、冷卻元件、升溫元件和溫控處理器(16)；

8.一種超聲3d打印方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的超聲3d打印裝置，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種超聲3D打印裝置及打印方法。所述超聲3D打印裝置包括：成型艙室(1)，成型模塊，發(fā)射模塊，運(yùn)動(dòng)模塊，輔助功能模塊，中央電源(17)；成型模塊設(shè)置在成型艙室(1)中，包括生物墨水容器(2)和生物墨水(3)；發(fā)射模塊包括聚焦超聲波換能器組(4)，通過連接件安裝于運(yùn)動(dòng)模塊中的三維運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊(6)上；運(yùn)動(dòng)模塊包括具有承載三維運(yùn)動(dòng)功能的導(dǎo)軌和位移控制單元(10)；輔助功能模塊包括高清攝像機(jī)(11)、高清顯示屏(12)、滅菌裝置(13)和溫度控制裝置(15)；中央電源(17)用于提供超聲3D打印裝置所需的電力。本發(fā)明的超聲3D打印裝置提高了超聲生物3D打印的精度及生物安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：張?jiān)Y,賴毓霄,鄧俊杰,張衛(wèi),聶楊逸,李龍,李彩榮,姚振宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6