[发明专利]光固化打印设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术，更具体地，涉及光固化打印设备及方法。

背景技术

3D打印属于快速成型技术的一种，也称为“增材制造”技术(Additive process)。目前，可用于3D打印的材料非常有限，主要为塑料、陶瓷等容易塑形的材料和能够光聚合的光敏材料。

3D生物打印主要应用在组织工程领域，即先打印出生物支架，然后将细胞进行培养扩增后接种到生物支架上。细胞-生物支架复合物在体外培养后被移植到体内。在这种体系中，细胞无法种植到生物支架内部，无法构建内部比较复杂的组织和器官，尤其无法实现构建的组织和器官与体内通过血管相连。

3D生物打印的发展趋势是采用活体细胞，或者活体细胞-生物材料的复合体直接打印组织或器官。由于体内细胞的多样性和组织结构的复杂性，这方面的成功报告仍然很少。美国Organovo公司已经成功地3D打印20层肝实质细胞和肝星状细胞，构建了仅有两种细胞组成的具有生物功能的微型肝脏。该微型肝脏的结构简单，能否取代患者的器官还需要进一步的实验结果来证实。

可以采用喷墨式3D打印设备或光固化打印设备来进行3D生物打印。喷墨式3D打印设备，例如购自美国3-D Systems公司的Project HD3500型打印机，可以实现的最小层厚达到16微米，结构分辨率达到50微米。由于缺乏生物活性功能的热塑材料，该打印机不能直接进行生物打印。替代地，利用该打印机打印出心血管的蜡模型，然后通过高分子胶体材料倒模形成微型管道。然而，该微型管道的内部不平整，其结构分辨率不能满足要求。光固化打印设备，例如购自德国蔡司公司的Femtosecond Laser Direct Writer，可以直接打印生物活性材料，并且实现 更高的打印精度，例如二维特征尺度达到100纳米，三维特征尺度小于150纳米。光固化打印设备的精度可以满足3D生物打印的要求。

上述的光固化打印设备打印物体的尺寸和速度均受到很大的限制。例如打印物体的行程小于100微米。Femtosecond Laser Direct Writer是逐个像素打印，也即逐点激光扫描固化，从而限制了打印速度。如果用于构造单个细胞尺寸可达30微米的三维生物结构，则打印时间需要以天数计算。过长的打印时间对于双光子激光器的工作寿命及能耗都是不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以用于3D生物打印的高精度和高速度的光固化打印设备及方法。

根据本发明的一方面，提供一种光固化打印设备，用于根据计算机存储的图像在光敏水凝胶中形成三维结构，包括：数字投影单元，用于将图像投影至光敏水凝胶层中；光敏水凝胶固化单元，用于提供光敏水凝胶以形成光敏水凝胶层，并且根据投影的图像在光敏水凝胶层中逐层固化；以及计算机控制单元，用于向数字投影单元提供图像以及控制投影的图像在光敏水凝胶层中的成像位置，其中，所述光敏水凝胶固化单元包括导杆以及设置成沿着导杆移动的承载片，所述承载片的下表面限定光敏水凝胶层的上液面。

优选地，所述数字投影单元包括：数字微镜器件，包括多个微镜组成的阵列并且根据所述图像设置微镜的开关状态；全反射棱镜，用于将从光源产生的平行光反射至数字微镜器件；以及投影透镜，用于将处于开状态的微镜的反射光投射到光敏水凝胶层中，从而在投影透镜的焦平面位置成像。

优选地，所述数字投影单元还包括快门，用于根据计算机控制单元的控制命令切断或恢复光路。

优选地，所述光敏水凝胶固化单元还包括：平台，包括用于支撑光敏水凝胶层的上表面；注入通道，设置在平台内部，用于将光敏水凝胶输送至平台的上表面；升降装置，用于调整平台的上表面高度；注入管， 用于容纳光敏水凝胶并且与注入通道连通；注入推进装置，用于将注入管中的光敏水凝胶推进至注入通道中；以及注入控制器，用于控制注入推进装置的动作，从而控制注入量。

优选地，所述承载片为石英玻璃片。

优选地，所述承载片的下表面经过疏水处理，或者涂附矿物油，从而获得疏水表面。

优选地，所述平台的上表面经过疏水处理，或者涂附矿物油，从而获得疏水表面。

优选地，所述图像为三维结构的断层切片图像。

根据本发明的另一方面，提供一种光固化打印方法，用于根据计算机存储的图像在光敏水凝胶中形成三维结构，包括：注入步骤，在平台和承载片之间形成光敏水凝胶层，利用承载片的下表面限定光敏水凝胶层的上液面；曝光步骤，在光敏水凝胶层中的成像面产生投影图像，使得光敏水凝胶层的相应部分固化。

优选地，所述成像面是投影透镜的焦平面。