喷墨式3D打印方法技术

喷墨式3D打印方法，该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。本发明专利技术的优点在于本发明专利技术的优点在于能够通过自动化3D打印制作出表面光洁度高、厚度精度高的具有复杂曲面的空心结构。

Inkjet 3D printing method

The ink-jet 3D printing method includes the following operations: establishing the digital model of the bottom mold and making the solid model of the bottom mold; obtaining the digital model of the parts to be formed on the digital model of the bottom mold; planning the 3D printing path of the digital model of the parts to be formed, using the extrusion type to support the forming surface of the bottom mold and using the ink-jet printing to spray the liquid bio ink on the surface of the bottom mold The spray head of the ink-jet printing sprays nano droplets to the bottom mold, and the ink-jet range of the spray head is a fixed value. The invention has the advantages that the hollow structure with complex surface with high surface finish and high thickness accuracy can be produced by automatic 3D printing.

【技术实现步骤摘要】
喷墨式3D打印方法
本专利技术涉及一种能够精确成型出具有复杂曲面的空心结构的3D打印方法及打印机。
技术介绍
随着生物制造技术的发展，3D打印技术已经成为组织器官修复、移植和重大疾病治疗、研究的重要方法之一。角膜、心房、肾小球、卵巢等，都是具有复杂曲面的空心结构，以角膜为例说明。角膜移植供体短缺是国际上眼盲治疗领域的重大挑战，其中我国就超过500万，而且每年至少增加10万例新患，其中94.7%的角膜盲患者可以通过移植角膜恢复，但每年供体捐献仅能维持月5000个移植术。供体严重不足导致角膜患者与日俱增，因此，角膜体外生物制造方法研究有待突破。传统组织工程、脱细胞等方法由于难以实现精确多层成型、屈光度不可控以及功能差异性一直未得到广泛应用。角膜是眼球壁外层前部透明部分，其结构如图1所示，承担人眼主要保护和屈光功能（角膜屈光功能占总屈光力的70~75%），屈光功能主要和角膜的形状、曲率、厚度等形貌参数有关，角膜损伤会导致角膜盲，形貌控制不好容易产生屈光不正、散光等多种角膜疾病。因此，屈光度可控的定制化角膜替代物才能有效保障角膜的光学功能。角膜替代物体外构建主要是依据其结构和屈光特性进行构建，角膜分为5层：上皮细胞层、Bowman层、基质层、Descemet膜、内皮细胞层。上皮层具有3~5层上皮细胞，起到保护内部结构作用，基质层占角膜总厚度的90%，由角膜基质细胞及高透明度胶原板层构成，角膜的透明度、形状的完整性、厚度以及曲率半径是影响角膜屈光能力的关键因素。传统角膜替代物制造方法主要分为两类，非生物假体机械加工法，生物膜类细胞和组织工程制备法。非生物假体机械加工法采用不可降解的非生物材料制造，分为光学镜柱和支架两部分，中央光学镜柱要求光学性能好，提供眼视光通道，常为透明塑料制品，无法屈光，支架主要用来固定光学部件，与受体组织相结合，通常采用金属或自体骨。假体部分主要依靠机械加工方法制备，可实现一定光学功能，目前均按照统一参数制备，由于采用硬质材料导致自体组织产生严重磨损，移植手术过程极其复杂，术后视野受限，无法与自体组织结合，外观十分不理想，仅适用于终末期角膜病患者。Dohlman等学者首次报道的波士顿型角膜假体以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）镜柱和钛背板支架结合，镜柱和支架结合方式类似螺母，然而这种方法通常产生微小缝隙，容易导致术后感染。Strampelli等学者首次报道的骨-角膜瓣假体以患者自身的牙根和牙槽骨支撑光学圆柱体，需要手术取用自体组织，制备方法非常复杂。因此，角膜假体局限性很大，难以推广。生物膜类制备法通常采用生物材料，接近天然角膜，但由于膜结构去逛能力不可控。常规组织工程的方法主要存在以下问题：1、平面膜结构，其变曲率曲面形貌难以精确控制，仅能获得有一定透光率的平面角膜，无法提供任何屈光能力；应用到临床中，只能为患者提供光亮，无法提供清晰的视觉。2、动物角膜脱落细胞基质：制备过程难以完全脱除有毒试剂，具有排斥反应，并且其结构无法与受体眼球完全匹配，导致屈光问题。3、制备工艺复杂、周期长，难以根据个体形貌差异定制、舒适度差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够制造出复杂曲面空心结构的生物3D打印方法，该打印方法先制作出底模，底模具有复杂曲面；再将液相生物墨水涂在底模表面，使生物墨水固化，获得具有具有复杂曲面的空心结构。空心结构的内表面与底模的外表面吻合，在成型空心结构时，底模对生物墨水起到支撑作用，因此球壳不会坍塌，并且具有精确的曲面形状。本专利技术还提供一种能实现上述打印方法的3D打印机。本专利技术的第一方面，提供一种能够高效率实现个性化定制打印具有复杂曲面空心结构的生物组织，复杂曲面的曲率可调的3D打印方法。复杂曲面空心结构的3D打印方法，包括以下步骤：步骤1、建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；步骤2、在底模的数字模型的表面之上，获得待成型件的数字模型；步骤3、对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑、进行增材打印。挤出式打印获得待成型件实体模型，待成型件实体模型的底面与底模的成型面吻合，为复杂曲面。作为优选的方案，步骤1中，底模为患者的眼球，获得患者的眼球数据，重建患者的眼球模型，该眼球模型具有与角膜贴合的面，眼球模型作为底模的数字模型；步骤2中，待成型件为角膜，角膜的参数包括角膜的曲率半径和厚度；角膜参数可以是通过自然人角膜的统计数据获得。底模为半球形，底模的底面为平面，与角膜贴合的面位于底模的顶部。作为优选的方案，步骤1中，使用DLP成型法制作底模的实体模型；步骤2中，使用挤出法成型待成型件；在完成底模的实体模型制作后，挤出法的挤出料筒与底模实体模型进程依次对刀，挤出法的底模实体模型与DLP成型法中底模实体模型的坐标系统一，针筒对准挤出法成形的起点位置。DLP成型法采用上提升式，光源在液槽之下，装载实体模型的载物台位于液槽内，DLP成型过程中，载物台步进式上升，每次上升一个层厚；DLP成型法和挤出法共用一个载物台，挤出法的料筒位于液槽之上；底模打印完成后，载物台上升到脱离液槽，之后载物台翻转180°、朝向挤出法的料筒，载物台自转前后、载物台的中心位置不变。DLP光源的中心对准载物台中心，挤出法的挤出路径中心与载物台中心重合。步骤2中，使用生物可降解材料作为生物墨水。步骤2中，角膜的数字模型表面分为4个部分，第一部分为角膜视轴正中央半径2mm的圆形区域，该区域曲率变化范围小于0.25D，厚度均匀；第二部分是旁中央区，旁中央区为距角膜视轴正中央半径2~4mm的环形区域，旁中央区的曲率半径从内向外逐渐增大，从中心球面平滑过渡到边缘类平面；第三部分为周边区，周边区为距角膜视轴正中央半径4~5mm的环形区域，周边区为趋近扁平面；第四部分为角膜缘区，角膜缘区为角膜过渡到巩膜的环形区域，角膜缘区的厚度从周边区向巩膜平滑均匀过渡。本专利技术的第二方面，目的在于提供一种制作出表面光滑度精度高，通过连续挤出液滴打印出来的角膜连续性好的挤出式角膜打印方法。本方案采用底模固定，挤出料筒相对底模运动的方式，完成被挤出的液滴与底模之间的相对位移，实现液滴旋涂。液滴被连续挤出，涂在底模的表面。挤出料筒的移动速度越快，则旋涂形成的膜厚度越小。挤出料筒的移动速度越慢，则旋涂形成的膜厚度越大。因此，控制挤出料筒的运动速度和、或挤出的液滴量，即可控制待成型件的厚度。作为优选的方案，采用液相旋涂法将液体生物墨水涂在底模表面，生物墨水在挤出时处于液相范围内。生物墨水采用现有的打印材料。待成型件模型沿高度方向切片，挤出料筒在每一个层厚的路径为一个完整的圆。挤出料筒在每一层只走一个圆形轨迹，液滴被挤出后，涂在底模表面，挤出料筒在每一层对底模涂上一圈液料。打印路线的圆心为底模的中心。液相旋涂过程中为避光打印或红光打印环境，旋涂结束后，对涂在底模上的生物墨水进行光固化。挤出打印过程中，载物台的温度处于生物墨水的液相温度范围内，但低于挤出料筒内生物墨水的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.喷墨式3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。/n

【技术特征摘要】
20190629 CN 20191058141361.喷墨式3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下操作：建立底模的数字模型，制作底模的实体模型；在底模的数字模型上，获得待成型件的数字模型；对待成型件的数字模型进行3D打印路径规划，使用挤出式以底模的成型面为支撑，采用喷墨打印将液体生物墨水喷涂在底模表面，喷墨打印的喷头向底模喷涂纳米液滴，喷头的喷墨范围为固定值。


2.如权利要求1所述的喷墨式3D打印方法，其特征在于：待成型件在厚度方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，薛茜，李锦涛，李琦，殷晓红，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33