[發明專利]光固化打印設備及方法

有效

• 申請號: 201510025512.8
• 申請日: 2015-01-19
• 公開（公告）號: CN104589651B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 劉靂宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: B29C64/135
• 分類號: B29C64/135;B29C64/321;B29C64/393;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y50/02
• 代理公司: 北京成創同維知識產權代理有限公司11449
• 代理人: 蔡純,張靖琳

技術領域

本發明涉及3D打印技術，更具體地，涉及光固化打印設備及方法。

背景技術

3D打印屬于快速成型技術的一種，也稱為“增材制造”技術(Additive process)。目前，可用于3D打印的材料非常有限，主要為塑料、陶瓷等容易塑形的材料和能夠光聚合的光敏材料。

3D生物打印主要應用在組織工程領域，即先打印出生物支架，然后將細胞進行培養擴增后接種到生物支架上。細胞-生物支架復合物在體外培養后被移植到體內。在這種體系中，細胞無法種植到生物支架內部，無法構建內部比較復雜的組織和器官，尤其無法實現構建的組織和器官與體內通過血管相連。

3D生物打印的發展趨勢是采用活體細胞，或者活體細胞-生物材料的復合體直接打印組織或器官。由于體內細胞的多樣性和組織結構的復雜性，這方面的成功報告仍然很少。美國Organovo公司已經成功地3D打印20層肝實質細胞和肝星狀細胞，構建了僅有兩種細胞組成的具有生物功能的微型肝臟。該微型肝臟的結構簡單，能否取代患者的器官還需要進一步的實驗結果來證實。

可以采用噴墨式3D打印設備或光固化打印設備來進行3D生物打印。噴墨式3D打印設備，例如購自美國3-D Systems公司的Project HD3500型打印機，可以實現的最小層厚達到16微米，結構分辨率達到50微米。由于缺乏生物活性功能的熱塑材料，該打印機不能直接進行生物打印。替代地，利用該打印機打印出心血管的蠟模型，然后通過高分子膠體材料倒模形成微型管道。然而，該微型管道的內部不平整，其結構分辨率不能滿足要求。光固化打印設備，例如購自德國蔡司公司的Femtosecond Laser Direct Writer，可以直接打印生物活性材料，并且實現 更高的打印精度，例如二維特征尺度達到100納米，三維特征尺度小于150納米。光固化打印設備的精度可以滿足3D生物打印的要求。

上述的光固化打印設備打印物體的尺寸和速度均受到很大的限制。例如打印物體的行程小于100微米。Femtosecond Laser Direct Writer是逐個像素打印，也即逐點激光掃描固化，從而限制了打印速度。如果用于構造單個細胞尺寸可達30微米的三維生物結構，則打印時間需要以天數計算。過長的打印時間對于雙光子激光器的工作壽命及能耗都是不利的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以用于3D生物打印的高精度和高速度的光固化打印設備及方法。

根據本發明的一方面，提供一種光固化打印設備，用于根據計算機存儲的圖像在光敏水凝膠中形成三維結構，包括：數字投影單元，用于將圖像投影至光敏水凝膠層中；光敏水凝膠固化單元，用于提供光敏水凝膠以形成光敏水凝膠層，并且根據投影的圖像在光敏水凝膠層中逐層固化；以及計算機控制單元，用于向數字投影單元提供圖像以及控制投影的圖像在光敏水凝膠層中的成像位置，其中，所述光敏水凝膠固化單元包括導桿以及設置成沿著導桿移動的承載片，所述承載片的下表面限定光敏水凝膠層的上液面。

優選地，所述數字投影單元包括：數字微鏡器件，包括多個微鏡組成的陣列并且根據所述圖像設置微鏡的開關狀態；全反射棱鏡，用于將從光源產生的平行光反射至數字微鏡器件；以及投影透鏡，用于將處于開狀態的微鏡的反射光投射到光敏水凝膠層中，從而在投影透鏡的焦平面位置成像。

優選地，所述數字投影單元還包括快門，用于根據計算機控制單元的控制命令切斷或恢復光路。

優選地，所述光敏水凝膠固化單元還包括：平臺，包括用于支撐光敏水凝膠層的上表面；注入通道，設置在平臺內部，用于將光敏水凝膠輸送至平臺的上表面；升降裝置，用于調整平臺的上表面高度；注入管， 用于容納光敏水凝膠并且與注入通道連通；注入推進裝置，用于將注入管中的光敏水凝膠推進至注入通道中；以及注入控制器，用于控制注入推進裝置的動作，從而控制注入量。

優選地，所述承載片為石英玻璃片。

優選地，所述承載片的下表面經過疏水處理，或者涂附礦物油，從而獲得疏水表面。

優選地，所述平臺的上表面經過疏水處理，或者涂附礦物油，從而獲得疏水表面。

優選地，所述圖像為三維結構的斷層切片圖像。

根據本發明的另一方面，提供一種光固化打印方法，用于根據計算機存儲的圖像在光敏水凝膠中形成三維結構，包括：注入步驟，在平臺和承載片之間形成光敏水凝膠層，利用承載片的下表面限定光敏水凝膠層的上液面；曝光步驟，在光敏水凝膠層中的成像面產生投影圖像，使得光敏水凝膠層的相應部分固化。

優選地，所述成像面是投影透鏡的焦平面。