一种基于成像原理的3D打印设备

摘要

本发明提供一种基于成像原理的3D打印设备,该设备包括:光路转换单元,该单元能够把从投影设备生成的一副或者多幅图像投射到一固化单元中进行固化，在一些优选的方式中，其中，所述的固化单元为固定不动，光转换单元围绕固化单元呈圆周运动的方式设置。这样可以打印复杂的结构，让打印结构的精度提高。

权利要求

1.一种基于成像原理的3D打印设备,该设备包括:光路转换单元,该单元能够把从投影设备生成的一幅或者多幅图像投射到一固化单元中进行固化;其中，所述的光路转换单元相对固化单元被转动设置；其中，所述的设备还包括旋转角度测定装置来测定光路转换单元围绕固化单元旋转的角度；其中还包括计算机系统，让角度测定装置测定的角度对投影的图像进行角度的调整,其中，所述的设备还包括被设置在固化单元外围的偏光单元，所述的偏光单元包括一个玻璃棱镜和一个柱面透镜，其中玻璃棱镜的一面为弧形，和固化单元的曲面形状的表面贴合，其余为平面；和固化单元贴合处填充折射率和棱镜相同的油，用于光线穿透以及转动时的润滑；柱面透镜用于补偿玻璃棱镜和墨水之间的折射率偏差造成的图像焦面的偏移。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，所述的固化单元为容纳生物墨水的墨水容器，所述的图像被投射到所述的墨水容器中。

3.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，光路转换单元与固化单元的位置为相对转动设置。

4.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述的固化单元为固定不动，光路转换单元围绕固化单元呈圆周运动的方式设置。

5.根据权利要求2所述的3D打印设备，其中，所述的光路转换单元通过光的反射把投影图像投射到固化单元中。

6.根据权利要求5所述的3D打印设备，其中，所述的反射的光与固化单元垂直。

7.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述的固化单元的纵轴线与投影设备的图像轴线垂直。

8.根据权利要求2所述的3D打印设备，其中，所述的设备还包括容纳墨水容器的盒体，该盒体环绕该墨水容器，在墨水容器与盒体之间装有与墨水折射率相近的液体。

9.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述的光路转换单元包括透镜和/或反射镜。

10.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述的光路转换单元包括反射镜。

说明书

一种基于成像原理的3D打印设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光3D生物打印系统以及也涉及到用于打印的生物材料。

背景技术

[0002] 在临床上，有大量患者因为组织和器官的坏死而无法过上正常的生活。目前主要的治疗方式还是依靠自体组织移植或者异体器官捐赠。但是异体组织和器官的捐献量远远
无法满足临床的实际需求。不仅如此，异体组织或器官的移植还存在排异反应的风险，导致
移植失败。所以，仍有大量的患者无法得到治疗或者得不到有效的治疗。

[0003] 近年来，随着组织工程和再生医学的发展，体外构建具有生物活性的组织和器官成为了一大研究热点。但是，传统的组织工程手段只能构建具有简单结构的组织工程组织，
并没有办法从体外模仿体内的组织和器官。3D打印技术作为一种更便捷且有效的三维结构
构建手段被广泛用于组织工程和再生医学领域。

[0004] 目前主流的光3D打印方法主要有立体光刻（Stereolithography，STL）打印和基于数字光处理（Digital light processing， DLP）的光3D方法。

[0005] DLP光固化打印和挤出式打印。DLP光固化打印设备中包含一个可以容纳树脂的液槽，用于盛放可被特定波长的紫外光照射后固化的树脂，DLP成像系统置于液槽下方，其成
像面正好位于液槽底部，通过能量及图形控制，每次可固化一定厚度及形状的薄层树脂(该
层树脂与前面切分所得的截面外形完全相同)。液槽上方设置一个提拉托盘的提拉机构，托
盘步进、从而在托盘（或已成型层）与液槽之间形成一个层厚的成型面，每次截面曝光完成
后向上提拉一定高度(该高度与分层厚度一致)，使得当前固化完成的固态树脂与液槽底面
分离并粘接在提拉板或上一次成型的树脂层上，这样，通过逐层曝光并提升来生成三维实
体。DLP式3D打印机，其光学系统固定，且光学系统每次只完成一个层厚的打印。一般采用先
升再降的方式，即如果以0.1mm层厚打印，先抬高5mm，再下降4.9mm。每次成型面均在液面，
成型后模型浸在料液内。但是这种方式也会有问题，料液表面张力会影响成型层层厚及成
型效果。并且，每次成型面均在液面，因此每次打印都需要将液槽充满，即使待成型实体的
实际用料量远小于液槽的容积，也必须将液槽充满，才能保证每次的成型面在液面；并且，
剩余料液在成型后无法二次使用。另外，DLP光固化打印提拉机构也浸入料液内，并且为了
使每次成型面在液面，需要平衡提拉机构下沉导致的容积差，因此液槽内还要设置平衡块，
提拉机构、平衡块和托盘均位于液槽内，提拉机构、平衡块占用液槽的截面积，导致有效成
型面积（托盘面积）小于液槽的截面积，有效成型面积小。

[0006] 现有的挤出与光固化复合成型的人工软组织制备方法，包括以下步骤：1、对人工软组织建模，得到人工软组织模型；2、对人工软组织模型中每一层的轮廓进行处理：用3D打
印分层软件计算出人工软组织模型中每一层的轮廓信息，并将该轮廓信息生成挤出喷头的
运行路径；3、制备光固化复合溶液：先使活体细胞、生长因子及胶原溶液三者混合以得到混
合液，再向混合液中注入光固化水凝胶，然后再加入可见光光引发剂，得到能够保持一定形
状的水凝胶复合物；4、以步骤3制备的光固化复合溶液为原料，采用3D打印机进行人工软组
织制备：4-1，控制液压挤出头按运行路径于工作平台上挤出水凝胶复合物，形成半凝固状
的胶体层；4-2、对胶体层进行光固化，得到固化层。液压挤出头与光固化头固定连接，当液
压挤出头处于工作状态时，光固化头关闭；在液压挤出头按工作时的运动轨迹复位时，液压
挤出头关闭，光固化头处于工作状态。

[0007] 这种生物组织的成型方式的缺点在于：1、无论是DLP方式，还是挤出式，都无法使用多种材料来协作完成一个生物组织的成型任务，因此无法实现多种材料的混合加工。而
活性生物体是包含多种结构、多种物质成分的非均匀混合体系，上述的方法无法完成实现
非均匀混合体系的成型。2、DLP的加料、成型速度快，但浪费的料液多，料液的一次使用率
低。这也需要对现有传统打印进行改进设计，希望可以打印更为复杂结构的生物活性材料。

[0008] 但是，人体组织和器官都具有复杂的装配结构和多种多样的成分，组织或者细胞的不均匀性是活体组织的固有属性。这就需要对现有的3D打印生物活体材料或者支架提出
改进的方法，让其更接近自然的活体组织的性质，从而才更具有医学上的应用价值。

发明内容

[0009] 因此要在体外构建具有生理活性的仿生组织和器官就需要在进行3D时同时模仿天然健康组织和器官的结构和成分从而实现在体外模拟其生理功能，这样才能提供更具有
应用价值的活体材料。

[0010] 本发明小组基于一体成像的原理，可以实现复杂结构的一体式打印，而通过在树脂槽上端和下端安装进出生物墨水的管道又可以实现打印过程中更换生物墨水来模仿组
织的不同成分。所以，研发一套整体式彩色光3D生物打印系统来进行体外构建具有生理活
性的仿生组织和器官是完全可行的。

[0011] 本发明的目的之一在于提供一种能够实现一体式成型，且多种材料交替供料的3D生物打印系统。

[0012] 所以，本发明的第一方面，提供一种打印系统，包括光学成像单元,通过该单元把打印的主体转化为光学图像。在一些方式中，还包括光路转换单元；该单元让成像的光路投
射到可以被光固化的生物墨水中，从而通过光的聚焦，让所形成的像对生物墨水进行光固
化。

[0013] 在一些方式中，供给生物墨水的供料单元，排出生物墨水的出料单元，该两个单元与容纳生物墨水的单元直接或者间接连接，用于不同生物墨水的替换。一般被光固化的生
物墨水被容纳在的固化单元中。在一些方式中，固化单元可以具有来自供料单元的生物墨
水。

[0014] 在一些方式中，光学成像单元所呈现的图像来自图像处理单元。

[0015] 在一些方式中，图像处理单元包括计算机断层扫描模块，对三维图像进行处理。在这了，经过图像处理后形成不同的图像数字信号，通过投影设备进行投影，从而展现出需要
打印主体的一些局部或者多层结构中的一层。

[0016] 在一些方式中，被图像处理单元处理出来的图像为三维建模的模型,并以中央轴旋转每隔固定角度的切片图像。这里的切片图像共同构成的模型就是3D打印的结构，该结
构具有仿生性或者是具有承载具有生物活性细胞能力的结构体。

[0017] 在一些优选的方式中，固化单元可以是例如，石英树脂槽；固化单元上下面外侧分别于供料单元和出料单元相连通。

[0018] 在另一些方式中，固化单元的可光交联生物墨水可直接被影像的光交联，且树脂槽独立于光学系统。

[0019] 所谓的独立，生物墨水被固化的位置和光学成像单元相对独立的位置，两者的移动并不会相互干扰的。一般是生物墨水被固化的位置（固化单元）保持静止不动，而光学成
像系统则处于变化的状态，这种变化的状态可以是位置的变化，也可以是光学成像或者光
波的变化。在一些方式中，还可以包括光路转换单元，该单元相对固化单元进行位置的改
变。这个时候，投影设备和固化单元都不移动，而是依靠光转化器来进行转移投影的图像并
投射到固化单元的转换。当需要打印复杂结构的时候，一个物体总是三维的结构，总是一个
立体的结构，这让方便调节光路转换单元的角度和位置，从而进行不同材质的整体固化。具
体下面会结合具体实施例子详细描述。

[0020] 这样让生物墨水的固化位置保持静止不动，可以实现更为精密复杂的结构的生成，这是因为当多种不同的成分的生物墨水进行连续或者同时打印（被固化）的时候，生物
墨水都是呈流体的性质，例如液体性质或者半固体状（非固体的），光的固化需要一定的时
间之内才能完成，如果让固化单元处于移动过程中，不同的生物墨水在固化的过程中可能
混合从而造成交叉污染。当处于固定的位置中，让光源发生变化，从而可以精确控制固化的
位置或者体积，实现更为精密的打印，特别是复杂多维结构的生成，更具有现实应用意义。

[0021] 光的变化或者转化可以体现为光聚焦位置的变化、强度的变化，从而实现不同部位的不同结构，或者更为复杂结构的打印或者加工。这里的打印和加工可以互换，表示相同
的含义。

[0022] 固化单元可以是树脂槽或者石英槽，目的在于使光学系统能够投影的实像在石英树脂槽的中央区域，实现生物墨水的光固化。供料单元在光学系统之外，供料单元的料液在
光学系统的光固化区域之外，在打印时，无需移动石英树脂槽，即可进行生物墨水的光固
化。光学系统空间位置上独立于石英树脂槽，指的是光学系统的移动不会导致石英树脂槽
的移动。在一个方式中，固化单元包括内部容器，内部容器用来接收生物墨水，其中内部容
器固定不动。

[0023] 在一些方式中，在内部容器的外部包括可以运动的外部容器，外部容器可以围绕内部容器转动。在一些方式中，转动为周沿转动。可以认为外部容器围绕内部容器转动。这
样在转动的过程中，让光进行定点的固化生物墨水，从而可以实现精确打印

[0024] 本发明的第二方面，提供一种打印系统，包括光学成像单元，该单元让被打印的主体形成光学一副或者多幅图像，该图像被投影到打印固化单元中进行光固化处理。

[0025] 在优选的方式中，所述的光学成像单元包括图像处理单元和投影单元。

[0026] 在优选的方式中，图像处理单元包括对打印主体的图像进行分割处理的模块。

[0027] 在优选的方式中，所述的固化单元与多个出料口连接，所述的多个出料口的每一个出料口对应不同的生物墨水，从而排除固化单元的中的生物墨水。

[0028] 在优选的方式中，所述的固化单元上包括升降平台，该平台能够向上移动。

[0029] 在优选的方式中，所述的图像透过固化单元从下向上投影到固化单元中。

[0030] 在优选的方式中，所述的固化单元位于升降平台与投影设备之间。

[0031] 在优选的方式中，所述的分割是对打印的主体进行部分结构的分割，被分割的图像被投影到固化单元中。

[0032] 在优选的方式中，所述的系统还包括与固化单元连接的进料口，所述的进料口上包括可拆卸的生物墨水装置，可以承载多个不同的生物墨水。

[0033] 本发明的第三方面，本发明提供一种打印设备，该设备包括:光路转换单元,该单元能够把从投影设备生成的一副或者多幅图像投射到一固化单元中进行固化。

[0034] 优选的，所述的固化单元包括用于容纳生物墨水的墨水容器，所述的图像被投射到所述的墨水容器中。

[0035] 优选的，光路转换单元与固化单元的位置为相对转动设置。

[0036] 优选的，其中，所述的固化单元为固定不动，光路转换单元围绕固化单元呈圆周运动的方式设置。

[0037] 优选的，其中，所述的光路转换单元通过光的反射把投影图像投射到固化单元中。

[0038] 优选的，其中，所述的反射的光与固化单元垂直。

[0039] 优选的，其中，所述的固化单元的纵轴线与投影设备的图像轴线垂直。

[0040] 优选的，其中，所述的设备还包括容纳墨水容器的盒体，该盒体环绕该墨水容器，在墨水容器与盒体之间装有与墨水折射率相近的液体。

[0041] 优选的，其中，所述的光路转换单元包括透镜和/或反射镜。

[0042] 优选的，其中，所述的透镜把来自投影设备的光转化为平行光，反射镜用来把平行光垂直投射到固化容器中。

[0043] 优选的，其中，所述的光路转换单元相对固化单元被转动设置。

[0044] 优选的，其中，所述的光路转换单元包括反射镜。

[0045] 优选的，其中，所述的设备还包括旋转角度测定装置来测定光路转换单元围绕固化单元旋转的角度。

[0046] 优选的，其中还包括计算机系统，让角度测定装置测定的角度对投影的图像进行角度的调整。

[0047] 本发明的第四方面，本发明提供一种基于成像原理的一体式彩色光3D生物打印方法，该方法包括： 提供被打印的主体的三维建模图形； 让图像处理单元对三维图形进行分
割，从而形成图像信息 让投影设备把图像信息转化为一副或者多图图像 让光学转换单元
把图像转移到固化单元中对生物墨水进行光固化。

[0048] 优选的，图像处理单元为包括让软件Matlab读取建模的文件。

[0049] 优选的，其中 使用软件Matlab中的Image Processing Toolbox对3D模型进行图像的分割。

[0050] 优选的，其中模型使用软件Matlab中的Image Blending Package进行图像融合。

[0051] 优选的，找到模型的中心对称轴，作出一个包含对称轴的平面，并将3D模型在该平面上的映射输出数据；沿顺时针方向旋转该平面，每隔一定相同角度度切割一次，循环完切
割过程后，得到处理完成后的结果文件数据。

[0052] 优选的，把结果文件数据通过投影设备进行转化，从而获得一副或者多幅图像。

[0053] 优选的，其中，让光学转换单元围绕固化单元做圆周运动。

[0054] 优选的，，让光学转换单元让竖直的光转换为平行的光，并垂直入射到固化容器中。

[0055] 详细说明

[0056] 图像处理系统

[0057] 在一些方式中 ，图 像处理系统基于计算机断层扫描的基本原理（computedtomography，简称CT）。首先，由待打印物体的三维模型获得其二维切片数字图
像。然后，对每一幅切片图像沿360°方向，以一定的角度间隔做投影，得到沿各个投影方向
的一维线积分。这里的角度可以是任何角度，例如1度，2度，5度等不同的角度。在某一个投
影方向上，对所有切片图的线积分沿切片切割方向进行叠加可得到该投影方向上的二维投
影图像。

[0058] 投影图像的角度间隔越小，打印的物体分辨率越高。理论上投影间隔为1°时即可达到较高的分辨率。在一些方式中，对投影图像需进行滤波处理，以免重建的物体出现“星
状伪迹”现象。由于滤波处理后的投影会不可避免地引入负像素值，为实现正常的投影以及
获得尽可能高的打印分辨率，本系统设计并应用了迭代优化算法，以期得到最高的打印质
量。

[0059] 图像处理就是对打印的三维建模进行前期处理，希望把建模的主体分割成不同的零碎的部分，从而可以精确加工不同的复杂的结构。众所周知，生物体都不是连续均值的状
态，都是非连续非均值的状态，在这些复杂的结构中，只有对这些加工的主体进行无限或者
精密的分割，形成不同的分割单元，这些被分割的单元之间的质地、结构并不完全一样，这
样可以用不同的生物墨水进行加工，按照分割的单元进行加工，最终可以完成复杂结构的
加工。图像分割可以是纵向或者横向分割，然后把打印的主体的三维图像分割为多个图像
单元，每一副图像代表需要光固化的一层结构，最终主体是由无数幅图像组成，在光固化的
时候是由无数层固化层组成的完整结构。

[0060] 在进行分割的时候，实际上就是对复杂结构进行解析或者分解，从而形成不同的图像单元，对图像单元进行分层固化加工。这些图像单元都是以光学图像为主，一般这些图
像通过投影设备来进行实现。让图像单元被投影到生物墨水中，进行图像单元的固化，等固
化完全后，如果下一幅图像单元所指代的结构与上一幅图像所指代的结构不同，例如质地、
密度、是否含有空等等，则需要更换不同的墨水进行固化，这个时候，让上一幅图像的墨水
排除，添加另外对应的不同的墨水来对下一幅图像进行固化，以此类推，可以实现所谓的
“彩色打印”。如果图像处理的分辨率越高，图像单元越小，则打印效果就越紧密和精细。

[0061] 在进行图像投影的时候，并不是直接让图像投射到固化单元中，而是进过光路转化，从而把图像的光经过光路转化，从而让光垂直于固化单元中，从而进行光的固化。一般
一副图像的光的光的强度一样（当图像对应的打印的区域是相同材质的时候），有光的地方
进行固化，没有光的地方不进行固化（比如对应的打印材质相同，但是具有孔、洞等结构）。
用来固化的光就是光路转化而来的光进行的。可以理解，图像处理就是把三维模型进行不
断的分割处理形成多个不同的图像单元，每一个图像单元代表所要打印主体的一个面，面
的长度大小或者厚度都是可以自由设定，可以是长方形，圆形，任何形状，厚度也可以是几
微米、几毫米不等。如果打印主图的组成是多个不同结构组成，图像处理就按照不同的结构
进行分割，从而获得不同的分割图像数据。

[0062] 例如，以图8，图9，图10，图11为例进行说明具体的图像处理方法如下：

[0063] 1. 用CAD软件建模，创建目标打印结构，例如可以是一个具有上下两层的柱状结构，如图8所示上下两侧结构，或者三维构建不同的结构，内部结构不一一样的任何都可以
实现。

[0064] 2. 将模型的上下两层进行分离，分别导出为上层结构（upper.stl）和下层结构（bottom.stl）的格式文件，如图9和图10所示。

[0065] 3. 使用软件Matlab读取upper与bottom的.stl文件。

[0066] 4. 使用软件Matlab中的Image Processing Toolbox对upper和bottom两个3D模型进行图像的分割（分割的度数为0.9°）。

[0067] 5. 将upper与bottom两个模型使用软件Matlab中的ImageBlendingPackage进行图像融合，并使得孔洞对应。

[0068] 6. 找到upper与bottom两个模型的中心对称轴，作出一个包含对称轴的平面，并将3D模型在该平面上的映射输出，输出的是数字模式；

[0069] 7. 沿顺时针方向旋转该平面，每隔一定相同角度度切割一次，如图11所示，循环完切割过程后，得到处理完成后的结果文件，输出的是数字模式（）。

[0070] 投影设备和光路转换单元

[0071] 在一些方式中，光学系统的核心部分为DLP投影机1005和/或步进电机1004。DLP投影机为固定装置，负责将经过图像处理的信息转化为光学图像（一副或者多幅图像），这里
的图像数据来自图像处理系统经过处理过三维模型的图像。

[0072] 投影机1005的出射光经过光路转化系统或者转化单元1002被投射到容纳有生物墨水的容器中，从而在容器中呈现需要固化的图像的。这里的图像与生成的光学图像一样
或者经过处理图像，这些图像都是通过光来表征的，这些光经过光路转化，把出射光转化到
固化容器中，从而让光聚焦而固化，该固化的形状与图像是可以一一对应的。

[0073] 在一些方式中，投影机的出射光经透镜1003转化为平行光照射到反射镜10129,10128,10127经反射后照射到装有生物墨水的容器1102中。这里光路转换单元可以包括透
镜和/或反射镜。

[0074] 在一些方式中，让光线投射到固化容器中，在这个过程中，光可能要受到干扰，理想状态是，来自反射的光希望100%被投射到固化容器中，而且方向不发生改变，这样投射到
固化容器中的图像的大小和质量才和投影出来的图像一致，也希望投影出来的图像与实际
分割的图像是一致的。所谓一致是指尺寸、位置和像素等等。但是，做到这些并非容易。这实
际涉及到光的干扰和图像的形变。

[0075] 在一个方式中，当光路转换单元围绕固化单元或者固化容器周沿运动的时候，一般固化容器是曲面的，例如圆形的壁，这样让图像在360度的范围内都可以投射到容器的墨
水中。但是容器具有容器壁，该壁具有一定的厚度，来自反射镜1002的平行光在投射到圆柱
的固化容器的壁上的时候，也希望这些平行光的方向不变而进入到生物墨水中。但是由于
圆柱的壁并不是一个镜面，这样就会在其它曲面的壁上发生光的折射或者反射（与平行光
不垂直的面），从而造成图像的形变和光的强度的减少。所以，为了减少折射，在曲面的壁的
外围设置一个偏光单元，该单元可以矫正光线进入容器的方向，尽可能让每一条光都垂直
于弧形的壁，从而减少光线的偏移。在一个方式中，偏光单元可是一个方盒的原件，在方盒
和弧形壁之间填充与生物墨水折射率相近的液体，这样进入固化容器的光始终是垂直的，
从而不会影响图像的形状的改变。在一些优选的方式中，为减小投影光由空气进入树脂槽
（或者固化容器1102中）产生的折射，将树脂槽放置在一方盒中1101，方盒内装有与生物墨
水折射率相近的液体1104，并使投影机主光线始终垂直于方盒的表面入射，这样进入固化
容器中的光线始终可以保持垂直。这里方盒位于固化单元的外面，包围住固化单元，当然可
以不是方盒，是与固化容器匹配的任何形状的容器都可以，该容器中设置固化容器，固化容
器用来承载生物墨水。生物墨水一般是液态的，具有光的时候，可以被光固化而形成固态。
这里的类似方盒的结构也可以与光路转化系统为一体结构，当光路转换单元运动的时候，
方盒也一起围绕固化单元运动。这样可以始终保持反射光是垂直入射到固化容器中的。可
以理解，方盒也可以和固化单元为一体结构同事保持固定状态，让光路转换单元进行相对
的转动来投射光到固化容器中。这里的固化容器也可以是任何形状，长方体、圆柱体等都是
可以的。

[0076] 在另一些方式中，偏光单元可以是一个玻璃棱镜和/或一个柱面透镜。 在一些方式中，在固化容器的外围设置一个玻璃棱镜和一个柱面透镜，其中玻璃棱镜的一面为弧形，
和墨水容器曲面形状的表面贴合，其余为平面。和墨水容器贴合处填充折射率和棱镜相同
的油，用于光线穿透以及转动时的润滑。柱面透镜用于补偿玻璃棱镜和墨水之间的折射率
偏差造成的图像焦面的偏移。从而让光线进入到固化容器中，让图像保持与投影出来的图
像的大小一致性。例如如图19和20所示，曲面的容器壁6001和玻璃棱镜6002以及柱面透镜
6003的位置关系，在容器壁6001和玻璃棱镜6002的结合处具有润滑油，一方面减少玻璃棱
镜在围绕容器转动的时候的摩擦力，另一方面该油的折射率和棱镜相同，让进入容器的光
的方向尽可能保持平行。当平行光穿过柱面透镜后进入玻璃棱镜，穿过油，然后穿过容器的
壁，在容器中仍然是平行的光，这样在容器中形成的图像的形状和位置与其它已经固化的
图像保持一个精确的位置，从而让在容器中固化的结构与实际设计的建模的结构保持一
致，不然就让打印的精度不够，特备是对于复杂微小结构，更需要精确的打印。这实际就是
尽可能让来自反射镜的平行光也平行的投射到固化容器的墨水中，让光的方向不发生改
变；都是平行光。例如，如图11所示，图像处理系统按照中心轴线进行纵向切割，切割为不同
的长方体，该长方体实际就是圆柱体的一个纵切面（例如一个长方体的面），这些图像经过
图像处理系统，然后输入投影设备中，然后通过投影仪器投影出来一个长方体的面，该面通
过光的投射和反射，在装有墨水的容器内形成一个长方形的面，同时在光照射的地方，光线
穿过墨水，在形成的长方体的面上聚焦而固化墨水，形成一个固化后的长方体的面。当需要
打印下一个面的时候，继续让投影器投影下一副图像，然后经过光路转折系统内，在装有墨
水的容器中生成另外一个图形，又有聚焦位置的改变，所以需要让光路发生转动，让光聚焦
在另一个平面上从而让墨水固化。

[0077] 当在具有孔的地方（例如图9的106切割面），实际上投影出来的不是一个完整的平面，而是局域缺口的平面，投影则是投影的具有缺口的图像，在缺口的地方没有光的聚焦，
从而不会发生固化。这样经过不断的循环，从而在生物墨水中打印出来一个完整的立体三
维结构。

[0078] 打印过程中，步进电机1004带动光路转换单元1002围绕固化单元做圆周运动。在一些方式中，反射镜和方盒做同步转动，投影机和树脂槽固定不动，或者透镜也固定不动。
反射镜和方盒的旋转中心均与固化单元，例如树脂槽的几何中心重合。根据图像处理系统
预先设定的角度间隔，步进电机每转过一个角度，带动反射镜和方盒同方向旋转一个角度，
同时，投影机迅速切换至下一幅投影图像，完成一个投影方向上的曝光。经过360°的曝光
后，将会在树脂槽内形成特定的曝光量分布，超过生物墨水光固化曝光阈值的位置固化成
形，其余位置仍为液体，从而实现模型的3D打印。

[0079] 所以，如何通过光的转化或者旋转，根据不同的图像分割方式来决定的。在一些方式中，可以是周沿切线的方式进行分割从而形成不同的图像单元。例如图8-11的分割方式
就是圆周的形式分割的。例如上层的圆柱和下层的圆柱质地不同，但是上层结构本身除了
孔之外，质地一样，所以用一种墨水就足够了。但是如果上层结构本身还具有其他的不同的
性质，例如孔的大小不同，位置不同，或者质地不同，则图像处理需要继续进行分解，知道分
解到不同的图像单元来进行单个图像一副一副的固化打印。

[0080] 以打印图8所示的两层结构，结合图13进行光学系统说明。

[0081] 1. 将图像处理系统处理完成后的文件导入光学系统。

[0082] 2. 打开DLP投影机，产生不同的投影光学图像，一般是一副一副的图像。

[0083] 3.将装有GelMA的供料单元1将生物墨水GelMA由内层容器下方注入，生物墨水的高度略大于下层结构高度。

[0084] 4.启动打印程序，DLP投影机的投影图像经过光路转折系统，投射到装载有生物墨水的容器，其中内层容器1102装载生物墨水，固定不动，外层容器（方盒1101）随转动平台一
起转动。DLP投影的不同角度的模型切割图像能依靠光路转折系统进行对应角度变换实现
模型的3D打印。其实现方法在于步进电机通过传动装置带动光路转折系统旋转使投影图像
可以沿360°方向任意投射。（PC机程序控制步进电机旋转与投影机图像的同步切换）

[0085] 5.光路转折系统旋转360°后，所有角度投影区域的生物墨水GelMA固化成形，其余位置仍为液体，完成下层结构的打印。

[0086] 6. 出料单元从内层容器底部将未固化的生物墨水GelMA全部抽走。然后装有SilMA的供料单元2将生物墨水SilMA由内层容器下方注入树脂槽，生物墨水的高度略大于
上层结构顶面对应到树脂槽的高度。

[0087] 7.重复步骤4与5，就完成了图8整个模型的打印。

[0088] 图12为各个层的显微结构图，其中，不同空洞尺寸的俯视图可以看出，侧孔和俯视的孔之间互为相同排列。同时采用荧光显微镜下观察400um的荧光结构图。这样可以更为精
细的打印出复杂结构。

[0089] 在一些方式中，光路转换单元除了可以围绕固化单元做圆周运动，还是可以做相对的上下运动；或者圆周运动和上下运动交替进行也是可以自由设置的。这些设置方式是
根据打印的主体来决定的。如果打印的主体内部的不同位置具有不同的结构，例如同一个
打印主体，例如类似图9的结构，除了具有空洞之外，下靠近下面102的地方的结构疏松，而
在靠近上表面的结构质地紧密，或者整个结构从下表面和上表面从疏松逐渐过渡到紧密。
在打印这样的结构的时候，对于三维图像处理的时候，首先进行图像的横向分割，把疏松的
结构和精密的结构进行很横向分割，然后在对相同质地的材料进行纵向分割。当如果质地
结构是过渡的状态，但是在对进行图像分割的时候，分割的精度就需要高，基本让每一副图
像内的质地一样，但是多幅图像之间可能不一样的时候，在打印的时候，则需要多次更换墨
水，多次调整光投射的角度。例如当第一幅图像代表的是下层疏松质地的材料，则用配置的
疏松材料的模式进行固化，但是第二幅图像则表示紧密结构的打印，该疏松和精密的图像
处于同一个纵向分割平面上，这个时候，则可以更换代表质地紧密的墨水，然后让光转化系
统向上运动，在疏松面上固化打印质地紧密的面。这个时候可能没有周沿运动，但是具有上
下运动。如果是从下层到上层是连续紧密或者连续疏松的，可以进行横向和纵向分割，最终
分割的每一个图像单元代表的是就是一个打印固化的单元，这个单元可以面积很大，也可
以很小，甚至面积为几微米，几毫米或者厘米等等，则光固化的时候所谓的图像单元则仅仅
需要一束光就足够了。

[0090] 总之，图像的大小和分割是图像处理单元来完成，而投影设备则反映图像分割的图像，则进行光路转化则可以打印和图像一致尺寸的或者按比例放大或者按比例缩小的固
化层。

[0091] 旋转角检测装置

[0092] 在另一些方案中，该系统设备还包括旋转角检测装置，该装置与计算机系统连接，一是对于旋转角度的监测和控制，或者,另外也可以是对图像进行校正。在本发明中，反射
镜的相对位置一般是固定不同的，这些反射镜围绕固化容器进行周沿运动，既围绕固化容
器做圆周运动。从投影设备透出的图像经过透镜后，光线的方向发生了改变，至少改变为竖
直方向的光，例如平行光，这些竖直方向的光经过反射镜的多次发射，光的方向都变化为平
行光进入到固化容器中，形成图像。但是，当需要转动的时候，需要打印下一幅图像的时候，
无论是什么角度的转动，投射镜和反射镜在水平方向上的角度发生了变化，从而让投镜出
来的光照射到反射镜10129的光的方向会发生改变（与前一副图像比较），虽然经过光的2次
反射或者多次反射，但是图像本身在此情况下会发生角度的改变，图像的形状可能不变，但
是图像的角度会发生变化，这样投射到固化容器中的图像的角度发生变化，则让打印出来
的材料发生了误差。这个时候，旋转角度测试仪器实时监测反射镜水平旋转的角度，把实际
的角度输入都计算机控制系统后，计算机通过计算，让投影的角度提前进行角度的补偿，从
而保证投影出来的图像的光经过透镜和反射后，角度不发生变化。

[0093] 例如在图18中，当投影的第一图像为0度的时候，经过透镜和反射的光路转化后，也是以0度的角度投射到固化容器中，但是当反射镜水平转移一定的角度后（例如45度），如
果投影设备仍然透出0度的第二图像，按照上面的解释，投影到固化容器的第二图像也是45
度的角度，这样就和0度的第一图像发生角度的偏差，这样就和实际需要打印的图像不符
合。为了减少这样的误差，通过旋转角检测装置测定转动的角度，然后输入计算机系统，该
系统经过运算，让投影偷射的图像提前有一个45的角度，然后经过光路的转化，让投影的图
像以0度的角度投射到固化容器中，这样两幅图像的角度就为一致。这里可以理解，当需要
打印的两幅图像的角度为一致的时候，需要对投影的图像做角度位置的改变，这种改变是
因为投影和反射镜转动的角度发生改变而做出的调节。如果本来希望打印的图像之间就需
要有一定的角度，仍然需要通过旋转角检测装置来监测旋转的角度来调节投射图像的角
度，让其与设计定的图像之间的角度保持一致。

[0094] 按照类似的解释，当旋转90度的时候，投射的图像也需要预先通过运算调节到旋转90度，从图18可以看出，0度的图像和90度的图像大下尺寸一样，但是方向不一样，角度的
不同，从而才能保证投射到固化容器的图像的角度都为0度。

[0095] 这里调整的方法就是对对投影图像进行滤波处理。经过滤波后的投影图像中会不可避免地引入负灰度像素。程序使用灰度阈值约束的最优化算法消除负灰度像素以得到投
影机可以显示的最优化投影图像。最优化算法如图21所示。通过实验确定生物墨水成胶的
曝光量分布阈值，根据曝光量阈值确定约束灰度，利用该灰度值约束投影图像，以保证最终
生物墨水内部正确的曝光量分布，即模型所在的位置曝光量高于阈值固化，其余位置曝光
量低于阈值仍为液体。

[0096] 装置通过步进电机带动旋转平台旋转，使投影机的投影图像可以经过光路转折装置沿任意方向投射到生物墨水上。投影机的投影图像跟随步进电机的转动同步切换。步进
电机和投影机均由PC机程序控制。控制程序基于C++语言的Boost::Asio库，串口通信协议
为RS-232通信协议。在平台旋转过程中，光路转折装置的光路决定了投射到生物墨水上的
投影图像会随着平台的旋转而旋转，单位时间内平台转过的角度等于出射图像旋转的角
度。因此，程序设计时将每个方向的投影图像沿旋转的反方向旋转相应的角度读入内存，再
将其发送到投影机中，从而保证投射到生物墨水上的图像不会发生旋转。

[0097] 当然，这样做的优势在于保证图像的精度，既打印图像的角度方面的精度。这是因为步进电机带动反射镜所在的原件结构1002转动，这是一个机械结构的运动，各个部件之
间必然具有机械误差，当进行精密结构打印的时候，每转动一个角度都会存在一个机械误
差，当切割的角度为0.01度的时候，一个三维结构具有纵向切割为36000张图像，则每一个
副图像需要投影一次并曝光一次，则需要36000次转动，则机械误差就越大，实际上打印的
图像越多，角度越小，所产生的机械误差就越大。而采用旋转角检测装置来监测角度的变
化，可以精确测量旋转的角度的变化，根据变化来调节图像的角度，从而也客服了机械误差
而引起图像角度的变化。

[0098] 供料

[0099] 供料单元向固化容器中，例如石英树脂槽中，加料，且每次供料量基本等于成型该阶段目标结构最高高度对应的生物墨水量。所谓基本相等，指的是供料的量能够满足成型
所需的生物墨水的量。在一些方式中，供料单元个数≥2。各个供料单元有自己独立的料筒，
送料杆和定量驱动机构连接，但有一个共同的在石英树脂槽底部的出料口，送料杆与定量
驱动机构连接。送料杆推动着料筒內的生物墨水从出料口流出，生物墨水流入石英槽，到达
目标高度。出料口在石英树脂槽底部能够避免加料时生物墨水对已成型结构的力学冲击。
供料单元具有多个，是用来提供不同性质的生物墨水，实现非均质化的生物材料的生成。

[0100] 供料方式受控于控制器和传感器，传感器和控制器控制地量驱动机构的进给。优选的，指定某一个供料单元供料，或者，多个供料单元交替实现供料-光固化-出料-再供料-
光固化过程。比如，有第一供料单元和第二供料单元两个单元，第一供料单元供料、光固化，
然后出料单元排尽未固化的来自第一供料单元的生物墨水，然后第二供料单元供料、光固
化，以此实现不同单元的交叉供料。

[0101] 或者，多个供料单元同时供料，供料完成后再光固化。比如，有第一供料单元和第二供料单元两个单元，第一供料单元和第二供料单元同时供料，所有单元的供料量总和满
足当前层成型所需的料液量，供料完成后再进行光固化。

[0102] 或者，某一个或几个成型阶段采用指定供料单元供料，某一个或几个成型阶段采用多单元同时供料，某一个或几个成型阶段采用多单元交替供料。或者，指定某一个供料单
元供料，其他单元暂停工作。如此，形成单一材料的打印。

[0103] 定量驱动机构

[0104] 定量驱动机构用于定量推动送料杆，对定量驱动机构的控制，实现对供料方式的控制。在一些优选的方案中，定量驱动机构包括送料驱动件，送料驱动件与送料杆连接。优
选的，送料驱动件包括夹具，送料杆装夹于夹具、实现送料驱动件与送料杆的连接。夹具松
开送料杆时，送料杆脱离送料驱动件。送料驱动件采用电机和传动机构（如丝杆机构），电动
推杆，气缸等。

[0105] 优选的，每个料筒有各自的料筒架，料筒固定在料筒架。优选的，料筒架包括固定部和与机械臂连接部。固定部将料筒固定，保证出料的稳定，机械臂连接部实现料筒的更
换。

[0106] 出料

[0107] 在多材料打印任务时，有时需要先把第一种生物墨水排走，再加入第二种生物墨水。在一些优选的方案中，打印系统具有出料单元。优选的，出料单元包括位于石英树脂槽
底部边缘的出料口、与出料口相连的出料管道和负压吸引器。当第一种生物墨水打印完毕
后，出料单元启动负压吸引，吸走剩余的未固化的生物墨水。当前一种生物墨水排走后，第
二个供料单元工作，加入第二种生物墨水，可避免两种生物墨水相互影响、干扰。

[0108] 料、料液：

[0109] 在本发明里所述的料或者料液指的是用于被打印机进行加工的一种材料或者混合物。当用本发明的3D打印机进行加工的时候，现有的一些生物材料可以被用来进行打印。
例如，许多材料包括天然聚合物：胶原，丝纤维，明胶，海藻酸盐和合成聚合物：聚乙二醇
（PEG）或者它们任意一种混合可以被用于本发明的打印机进行加工。这些作为生物3D打印
的材料，也称为“生物墨水”。虽然材料本身属于传统材料，但是都可以采用被分发明的打印
进进行打印。这种打印的生物材料具有立体空间结构，或者具有思维空间，可以设置任意的
通孔的。

[0110] 在一些方式中，料筒为容纳不同材料的容器，不同的料筒可以用于盛装同样的材料。可选的，在料筒里可以盛放不同的材料或者生物墨水，例如料筒A盛放一种生物材料，料
筒B盛放另外一种生物材料，两种材料的性质不是一样的，采用本发明的打印技术，可以实
现复杂生物组织或者器官的打印。这是因为，一种生物材料或者器官，在结构是并不是均匀
一致的，而是具有结构或者生物性质上的差异。比如，哺乳动物的皮肤材料，具有表皮、真
皮，真皮具有血管以及与肌肉连接的组织，这些不同部位的结构不同，厚度不同，还有各个
组织之间的过度结构也是不同的，这种不同还包括密度、孔径等等。这样，如果需要通过传
统的打印进行打印，所有的结构或者组织都是一样的，而通过本发明的打印技术，可以一次
性进行不同结构的生物材料。

[0111] 在一些方式中，本发明所说的料可以与干细胞混合在一起进行加工或者打印，这样，材料作为支架结构，而细胞作为活性成本可以进行分化，最终，形成具有活性的组织。当
然，也可以打印出支架结构，然后让干细胞填充了骨架的空间里去，最终也形成活的组织。

[0112] 总之，本发明的新设计的打印进可以打印任何合适材料。

[0113] 在一些具体的方式中,本发明提供一种新的3D打印生物墨水，又称新的材料。在一些具体的方式中，本发明提供一种光控3D打印生物墨水或者材料，所述材料包括光响应交
联基团修饰的大分子、邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子、光引发剂。在一些例子中，还包
括水，例如去离子水。 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子和邻硝基
苄基类光扳机修饰的大分子质量终浓度以去离子水质量计均为0.1 10%。
~

[0114] 在一些优选的方式中，所述光引发剂质量终浓度以去离子水质量计为0.001 1%。~

[0115] 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子中光响应交联基团的接枝取代率为10 90%，光响应交联基团为甲基丙烯酰胺，甲基丙烯酸酐，甲基丙烯酸缩水甘油
~
酯或丙烯酰氯。

[0116] 在一些优选的方式中，所述邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子中邻硝基苄基类光扳机的接枝取代率为1 100%。
~

[0117] 在一些优选的方式中，进一步，所述邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子如式（I）所示，式（I）中，R1为-H 或选自-CO(CH2)xCH3、-CO(CH2CH2O)xCH3、-CO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3的酯
键类、选自-(CH2)xCH3、-(CH2CH2O)xCH3、-(CH2)x(CH2CH2O)yCH3、 的醚键类、选自-COO(CH2)
xCH3、-COO(CH2CH2O)xCH3、-COO(CH2)x(CH2CH2O)yCH3的碳酸酯键类、选自-CONH(CH 2)xCH3、-
CONH(CH2CH2O)xCH3、-CONH(CH2)x(CH2CH2O)yCH3的异氰酸酯键类，其中x 和y ≥ 0 且为整
数；R2为-H 或选自-O(CH 2)xCH3、-O(CH2CH2O)xCH3、-O(CH2)x(CH2CH2O)yCH3的取代基，其中x 
和y ≥ 0 且为整数；R3选自氨基类连接键-O(CH2)xCONH(CH2)yNH-、卤代类连接键-O(CH2)x- 
和羧基类连接键-O(CH2)xCO-，其中x 和y ≥ 1 且为整数；R4为-H 或-CONH(CH2)xCH3，其中x 
≥ 0 且为整数；P1为大分子；

[0118] （I）。

[0119] 进一步，优选所述邻硝基苄基类光扳机为邻硝基苄基。

[0120] 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子和邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子中的天然生物大分子均为葡聚糖、透明质酸、明胶、海藻酸钠、硫酸软骨素、丝
素、壳聚糖、羧甲基纤维素或胶原，聚乙二醇或柠檬酸聚合物（PEGMC）中的一种。

[0121] 在一些优选的方式中，所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮（2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone，I2959）或苯基(2,4,6-三甲
基苯甲酰基)磷酸锂盐（lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate，LAP）中的
一种；所述的光引发剂与光响应交联基团接枝改性的大分子的质量比为1 3:100。
~

[0122] 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子的接枝取代率为10~
30%；所述邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子的接枝取代率为1 20%。
~

[0123] 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子为接枝取代率为10%的甲基丙烯酸酐修饰的明胶、接枝取代率为90%的甲基丙烯酰胺修饰的明胶、接枝取代率为
40%的甲基丙烯酸酐修饰的明胶、接枝取代率为20%的甲基丙烯酰胺修饰的明胶、接枝取代
率为30%的甲基丙烯酸酐修饰的胶原、接枝取代率为90%的甲基丙烯酸酐修饰的硫酸软骨素
或接枝取代率为10%的甲基丙烯酰胺修饰的羧甲基纤维素，接枝取代率为10%的丙烯酰氯修
饰的聚乙二醇，接枝取代率为20%的甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的葡聚糖中的一种。

[0124] 在一些优选的方式中，所述邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子为接枝取代率为100%的邻硝基苄基修饰的透明质酸、接枝取代率为50%的邻硝基苄基修饰的海藻酸钠、接枝
取代率为10%的邻硝基苄基修饰的硫酸软骨素、接枝取代率为30%的邻硝基苄基修饰的明
胶、接枝取代率为90%的邻硝基苄基修饰的丝素、接枝取代率为100%的邻硝基苄基修饰的胶
原或接枝取代率为10%的邻硝基苄基修饰的壳聚糖，10%的邻硝基苄基修饰的柠檬酸聚合物
（PEGMC）中的一种。

[0125] 在一些优选的方式中，所述光响应交联基团修饰的大分子质量终浓度以去离子水质量计均为3-10%，邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子质量终浓度以去离子水质量计为2-
4%，所述光引发剂质量终浓度以去离子水质量计为0.03-0.2%。

[0126] 本发明还提供一种所述光控3D打印墨水在皮肤损伤修复中的应用。

[0127] 本发明还提供一种所述光控3D打印墨水在关节软骨缺损修复中的应用。

[0128] 进一步，所述的应用为：将所述光控3D打印墨水利用基于数字光处理（DLP）的3D打印技术打印成支架并植入皮肤缺损的位置，实现皮肤组织修复。

[0129] 本发明利用邻硝基苄基类光扳机在光照激发后产生醛基，产生的醛基和氨基能够反应形成强力化学键的原理，同时，光响应交联基团修饰的大分子在光照下迅速固化，双交
联网络增强力学性能，3D打印的多孔精微结构能够达到快速修复缺损的目的，是一种理想
的用于皮肤缺损或骨软骨缺损修复的光控3D打印墨水。这里的材料可以以任何形式存在，
可以以固态的形式存在，当需要的时候，配置为液体的形式进行打印加工，或者直接配置成
液态的形式，等需要进行打印的时候，直接进行打印加工。

[0130] 在这里，材料，和生物墨水可以互换，一般作为打印加工的物质可以称之为材料，也可以称之为墨水或者生物墨水，这里的材料或者墨水可以包括一些活性成分，例如干细
胞或者细胞或者其他成分在内，当然，也仅仅是材料或者墨水本身进行打印或者加工，然后
再添加活性成分也是可以的。

[0131] 打印设备

[0132] 在一些方式中，本发明提供一种打印设备，例如图13-17所示意的结构。在一些方式中，所述的打印设备包括光固化单元，在固化单元上具有可以容纳生物墨水的容器1102，
与该容器连接的可以是进料系统和出料系统。一般光的固化发生在容器内1102的生物墨水
中。在一些方式中，固化单元或者固化容器为固定设置。该打印设备还包括可以相对固化单
元运动的光路转换单元1002，该单元实现把投影设备的图像的光转化到固化单元中，实现
光的固化打印。在一些方式中，光转化单元包括透镜1003和/或反射镜10129，实现光的方向
的改变。在一些方式中，投影设备投射出图像到透镜1003中，透镜实现图来自投影设备的光
学图像转化为平行光，平行光经过反射镜对光的反射并投射到光固化容器1102中实现管的
固化。在一些方式中，反射镜可以是一个或者多个不同角度的反射进行光路线的改变。例如
图17为本发明一个实施方式中光学路线转化的结构原理图，投影设备1005投影图像6000到
透镜1003中，这里的图像就是经过图像处理后的图像单元，该单元代表需要进行打印的最
小单元。该入射到透镜的光5001透镜1003转化的光线5003平行入射到反光镜10129中实现
光路线的第一次改变，投射到反射镜10128中的光线，然后实现光学路线的第二次改变，最
后光线5004投射到10127的反射镜中。实现了光学方向的改变从而变成了平行光，该平行光
投射到固化容器1001中进行光的固化。一般图像单元6000的图像最终经过光学路线的改变
被投射到固化容器中，具有图像5000，该光线的投射实现了生物墨水的固化，从而完成一副
图像的打印。在一些方式中，包括有反射镜的单元可以围绕固化容器1001做周沿运动，周沿
运动一般表示圆周运动。圆周运动可以是360度的运动，也可以是一定弧度的运动。在一些
方式中，反射镜被设置在一个光路通道中，该通道实现光线方向的改变。该光路通道1002实
现整体的转动设置来围绕固化容器1001的转动设置。光路通道被固定在转动结构1002上，
转动结构的转动带动光路通道的改变，从而实现光学路线的转动。而转动结构的转动1002
具有支架结构10124，与直接结构连接的是转动轴10143，该转动轴与步进马达1004连接，实
现整个结构的转动。而转动的弧度或者角度是在图像处理分割的时候进过数字化处理后的
角度。当然，当需要实现光路通道相对于固化单元做上下运动，则需要具有带动光路通道做
上下运动的电机。这些电机或者步进马达的运动可以通过计算机软件自动控制，而控制的
参数可以是图像处理的数据中的部分参数来知道运动的轨迹和参数。当然，为了避免外界
的光线进入到光路通道中或者干涉投影设备投影图像的光，可以在投影设备与透镜或者光
路通道实现全封闭的通道，这样避免外界光线的进入。在经过反射光投射到光固化单元中，
也实现紧密的配合，防止外界杂光的进入从而干扰光的固化。

[0133] 在一些方式中，还包括旋转角度监测设备，该设备来监测角度的变化，从而把角度的变化度数输入到计算机，通过计算机的运算来调节投影图像的角度，这样让实际投影到
固化容器的图像之间的角度与设计的图像的角度保持一致，保证打印角度的精度。

[0134] 有益效果

[0135] 本发明的优点对于新设计的打印机来讲在于：

[0136] 1、多个供料单元和出料单元的使用可以便捷地实现采用多种材料进行打印，能更好地模仿天然组织和器官多成分特性。

[0137] 2、供料单元的进料口和出料单元的出料口都设置才石英树脂槽底部外侧，可以最小化供料和出料时生物墨水的流动对已成型结构的影响。

[0138] 3、体投影成像原理用于对生物墨水进行光固化，可实现目标结构的一体式打印，而不是由上至下或由下至上的层层堆叠。这种方式能打印更复杂的结构，能更好地模仿天
然组织和器官的复杂结构。

[0139] 4、整个打印过程中，不需要移动石英树脂槽，这样可以保证打印结构的形状更加稳定。

附图说明

[0140] 图1是本发明供料系统、料池和升级平台的结构示意图。

[0141] 图2是打印8色微米立方体的流程示意图。

[0142] 图3是批量打印8色微米立方体中单元立方体1和5阵列的投影图片。

[0143] 图4是批量打印8色微米立方体中单元立方体2和6阵列的投影图片。

[0144] 图5是批量打印8色微米立方体中单元立方体3和7阵列的投影图片。

[0145] 图6是批量打印8色微米立方体中单元立方体4和8阵列的投影图片。

[0146] 图7是通过图2的打印流程批量打印的8色微米立方体的光学显微镜照片。

[0147] 图8是本发明的一个具体实施方式打印主体的三维建模立体三维结构示意图。

[0148] 图9是图8所示结构的上层结构的三维模型图。

[0149] 图10是图8所示结构的下层结构的三维模型图。

[0150] 图11是图8上层结构的图像处理的分割方式的示意图。

[0151] 图12是本发明打印的方法打印的图8所示的结构的实物图在显微镜下的照片图。

[0152] 图13为本发明的一个具体实施方式中打印设备的立体结构图。

[0153] 图14是本发明的一个具体实施方式中打印设备的分解结构图。

[0154] 图15是本发明的一个具体实施方式中可以相对运动的光转化单元立体结构示意图。

[0155] 图16是本发明的一个具体实施方式中相对运动的光转化单元的剖面图和固化容器的剖面结构示意图。

[0156] 图17是本发明的一个具体实施方式光学路径改变的原理示意图。

[0157] 图18为投影图像角度调整的原理示意图。

[0158] 图19为让投影图像的光的方向保持不变的结构示意图。

[0159] 图20为图19结构的俯视图。

[0160] 图21为旋转角度测量的角度变化进行图像处理的方法示意图。

具体实施方式

[0161] 本发明提供具体实施例子来说明本发明的打印方法，可以理解，这些例子仅仅是对如何实现本发明做进一步的解释，并不能对本发明构成任何限制，本发明的范围以权利
要求为准。

[0162] 实施例1：用于8色彩色微米立方体的快速批量打印

[0163] 生物墨水的配置:1）将75mg邻硝基苄基修饰的透明质酸 (HA-NB) 、250mg甲基丙烯酸酐修饰的明胶（GelMA）和10mg的苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐（LAP）溶于
10ml去离子水中配制成含有为0.75%的HA-NB、2.5%的GelMA和0.1%的LAP的光控3D打印墨
水。

[0164] 打印设备的结构如图1所示，左边是俯视图，右边是立体图，具有3个出料口A，B，C，分别排除不同的墨水，升降平台位于打印池的上面，光从下面投射到打印池中，当打印不同
材质的物体的时候，可以方便排除不同的墨水，墨水的种类可以方便更换，不会造成墨水之
间的污染。让打印的材质更为精确。墨水的种类不同，打印的物体的结构也约复杂。

[0165] 例如，如图2所示，先建立四个单元立方体阵列模型，四个单元立方体的投影图片如图3-6所示，然后根据建立的模型进行程序控制，然后进行打印。打印步骤如下：

[0166] 1.首先设置好层厚，比如单元立方体边长是50um，那么层厚就设置为50um（例如图2中的编号1）；

[0167] 2.供一层厚度的墨水A，选择位置1单位立方体模型进行投影曝光打印；

[0168] 3.吸走未固化的墨水A；

[0169] 4.保持层厚高度不变，供一层厚度的料B，选择位置2立方体模型进行投影曝光打印（例如图2中的编号2的位置进行）；

[0170] 5.吸走未固化的墨水B；

[0171] 6.重复步骤2 5直至第一层结构全部打印完成，图2中编号为3,4等的打印；~

[0172] 7.样品平台上升一层高度；

[0173] 8.供两层厚度的料E，选择选择位置1单位立方体模型进行投影曝光打印（例如图2中的编号5）；

[0174] 9.吸走未固化的墨水E；

[0175] 10.重复步骤8 9直至第二层结构全部打印完成（图2中编号5,6,7,8），完成8色彩~
色微米立方体打印最终得到如图7所示的批量打印的8色彩色微米立方体，曝光光强为50，
每层曝光时间为1000ms。这样可以方便实现彩色打印的结构。其中，标号1,5,6,2标示不同
墨水形成的结构。

[0176] 这里的图像投影可以采用本发明的图像处理单元前期进行图像处理，然后通过投影设备进行输出，投影到打印池中，直接对投影的图像进行光的固化。例如图2中的不同编
号都可以是一个投影图像，该投影图像仅仅是多幅相同的图像叠加打印而已。例如编号1具
有50um，例如每一幅图像打印的厚度为5um，则连续投影10幅相同的图像进行光的固化，则
就可以实现编号1的打印。一次类推，当编号2是另外的生物墨水的时候，则用不同的生物墨
水打印10幅相同的投影图像2，则获得编号2的打印。这样，编号1和编号2的墨水不同，则材
质不同，按照这样的理解，这样的方式更为复杂，但是打印的结构更为复杂，更接近生物体
的本身的构造，为人体器官的替换提供了可能。

[0177] 实施例2：用于骨软骨缺损修复的3D打印软骨支架

[0178] 例如如图8、9、10所示，先对所需打印的目标结构进行建模，然后根据建立的模型实施程序控制，进行支架不同部位不同材料的“彩色”体成像打印。

[0179] 例如建立的模型图8、9和10所示，图8为软骨支架模型，它由两部分组成，分别为图9的上层支架和图10的下层支架。其中上层支架为俯视有30个圆孔，侧面也有30个圆孔，各
个圆孔交叉相通。

[0180] 以上层结构为例，本方案对模型的切割方式如图11所示。沿着中心点105进行图像的切割，在图像处理系统里输入数字信息。切割的位置可以是纵切割106，沿着整个圆柱100
进行不同角度的切割，例如每一个弧度为1度的角度进行切割，实际上是切割成无数个长方
体的面，只不过是，有些面上没有缺口，有些面具有缺口，没有缺口的位置表示没有孔的形
成，有缺口的位置具有孔的形成。缺口可以是在长方体的内部，也可以在长方面的边缘。例
如每1°进行切割，实际上可以形成360个面，当如果是0.5°的角度切割，就形成了720个面。
如何切割以及切割而成的图像都可以在软件中自动完成，这样就形成了不同面的数字信
息，可以实现非常精确的图像的构建。这些数字信息通过投影仪投影出来，每一次投影就是
一个切割的面，该面的光线经过光学反射，照射到具有生物墨水的容器中，在生物墨水的容
器中形成了一个切割面的影像，由于需要固化，具有聚焦的光才能固化，而非聚焦的光可以
穿过墨水而不发生固化。这样，在生物墨水中形成一个长方体的面，因为是360度的维度进
行的，所以，每一个固化面形成后，需要旋转光路系统，让聚焦的位置发生改变，随着不断旋
转，完成360°的旋转，完成了多个不同面的聚焦固化，从而最终完成整个模型的打印。

[0181] 如果不同的组织或者结构，或者每一个面的结构不一样，可以在形成一个面后，排除墨水，注入新的不同的墨水来形成另一个面，这个面可以是不同高度、不同厚度、也可以
是不同结构的面。这样就可以方便的实现彩色打印。

[0182] 这样设计在于用该支架用于软骨修复，下层支架俯视图为有30个孔洞，这样设计的目的是为了使骨髓间充质干细胞向上层迁移，有助于软骨的修复。对于上层支架的设计，
中间孔洞是为了使骨髓间充质干细胞向软骨层迁移，侧面孔洞为了软骨细胞向损伤处迁
移，更好的修复软骨缺损。

[0183] 支架结构上下层所采用的生物墨水的配比分别如下：

[0184] 上层墨水：上层为甲基丙烯酸酐接枝的丝素（SilMA），浓度为15%。光敏剂为10%v/v，酚红浓度0.8%；

[0185] 下层墨水：下层为8M甲基丙烯酸酐接枝的明胶（GelMA），浓度为15%。光敏剂为10%v/v，酚红浓度0.8%。配置过程：

[0186] 采用两种生物材料按照如图8所示的模型为例描述打印过程，如下：以下层支架先整体成型，上层支架再整体成型为例，采用两种生物材料按照软骨支架模型的打印方法过
程如下：

[0187] 图像的处理：

[0188] 用CAD软件建模，创建目标打印结构，例如可以是一个具有上下两层的柱状结构，如图8所示上下两侧结构，或者三维构建不同的结构，内部结构不一一样的任何都可以实
现。

[0189] 2. 将模型的上下两层进行分离，分别导出为上层结构（upper.stl）和下层结构（bottom.stl）的格式文件，如图9和图10所示。

[0190] 3. 使用软件Matlab读取upper与bottom的.stl文件。

[0191] 4. 使用软件Matlab中的Image Processing Toolbox对upper和bottom两个3D模型进行图像的分割。

[0192] 5. 将upper与bottom两个模型使用软件Matlab中的ImageBlendingPackage进行图像融合，并使得孔洞对应。

[0193] 6. 找到upper与bottom两个模型的中心对称轴，作出一个包含对称轴的平面，并将3D模型在该平面上的映射输出；

[0194] 7. 沿顺时针方向旋转该平面，每隔一定相同角度度切割一次，如图11所示，循环完切割过程后，得到处理完成后的结果文件。

[0195] 步骤1：将3D软骨支架模型上层和下层分别进行切片，每层切片的图形作为该层的光照图形；将两种生物墨水按照打印的对象分别按照需要装入供料单元，初始时下层切片
投影得到的影像底部与树脂槽底面齐平。

[0196] 步骤2: 装有GelMA的供料单元1将生物墨水GelMA由石英树脂槽下方注入树脂槽，生物墨水的高度略大于下层结构高度，实际上就是让墨水的高度与形成的结构高度一致，
体积一致或者形状相似）。步进电机1004带动反射镜10129,10128,10127和方盒1101做同步
转动，投影机1005和墨水容器1102，例如树脂槽固定不动。反射镜和方盒的旋转中心均与树
脂槽的几何中心5002重合。根据图像处理系统预先设定的角度间隔，步进电机每转过一个
角度，带动反射镜和方盒同方向旋转一个角度，同时，投影机迅速切换至下一幅投影图像，
完成一个投影方向上的曝光。经过360°的曝光后，将会在树脂槽内形成特定的曝光量分布，
超过生物墨水GelMA光固化曝光阈值的位置固化成形，其余位置仍为液体，完成下层结构的
打印。这里的透镜1003也是固定不动的。

[0197] 步骤3：出料单元从树脂槽底部将未固化的生物墨水GelMA全部抽走。然后装有SilMA的供料单元2将生物墨水SilMA由石英树脂槽下方注入固化容器中11021，例如树脂
槽，生物墨水的高度略大于上层结构顶面对应到树脂槽的高度。此时上层结构的投影与下
层结构上部有少量重叠部分，以保证上下层结构之间的连接稳定。步进电机带动反射镜和
方盒做同步转动，投影机和固化容器不动。反射镜和方盒的旋转中心均与树脂槽的几何中
心5002重合。根据图像处理系统预先设定的角度间隔，步进电机每转过一个角度，带动反射
镜和方盒同方向旋转一个角度，同时，投影机迅速切换至下一幅投影图像，完成一个投影方
向上的曝光。经过360°的曝光后，将会在树脂槽内形成特定的曝光量分布，超过生物墨水
SilMA光固化曝光阈值的位置固化成形，其余位置仍为液体，完成上层结构的打印。

[0198] 步骤4：出料单元从树脂槽底部将未固化的生物墨水SilMA全部抽走。整个支架完成打印。

[0199] 图11为各个层的显微结构图，其中，不同空洞尺寸的俯视图可以看出，侧孔和俯视的孔之间互为相同排列。同时采用荧光显微镜下观察400um的荧光结构图。

[0200] 在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表
达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在
本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开
了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认
为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。