CN110171128A

CN110171128A - 一种3d打印方法

Info

Publication number: CN110171128A
Application number: CN201810699527.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳宏伟; 洪逸; 周飞飞; 章淑芳
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-08-27

Abstract

本发明提供一种3D打印方法，该方法包括：1)、准备3D打印系统和料液，输入打印任务，将料液装入承担供料任务的料筒内，将料筒安装就位；2)、升降平台在腔内下降一个层厚；3)、料筒向腔内供料，料液充满升降平台与腔围成的空间；4)、光学系统对料液光固化，光学系统采用DLP技术的光学成像系统，光学系统的曝光区域与每层的待成型轮廓相同，曝光区域照射在液料上，液料固化成型，未被照射区域，液料仍为液体。本发明提供的3D打印方法能够实现多材料交替供料，实现非均匀混合体系。

Description

一种3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印系统，也涉及到用于打印的生物材料。

背景技术

众所周知，由于供体组织和器官短缺，临床上需要大量工程组织。虽然已经尝试过许多方法来制造工程组织，例如静电纺丝，挤出3D打印和纺织技术。但它们都只能制造出相对简单的三维结构，不能满足临床应用的需求。因此，迫切需要制造具有高分辨率的复杂和分层的组织构建体用于临床使用。最近，基于数字光处理(DLP)的3D打印技术被用于制造具有高打印速度，微尺度分辨率，厚垂直结构和强层间结合特性的复杂三维微结构。它可以模拟天然组织的精确几何体来创建复杂的3D血管化组织，这在组织工程领域迈出了巨大的一步。

3D打印技术实际上是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建立立体模型，再将简称的三维模型切片、分成逐层的截面，然后指导打印机逐层打印。

目前，应用于医学领域，打印活体组织的方法有：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。

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。

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。

迄今为止，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)被用于挤出3D打印，这些作为生物3D打印的材料，也称为“生物墨水”。然而，其中一些表现出较差的机械性能或较慢的凝胶时间，限制了其在基于DLP的3D打印中的应用。

同时，为了解决这个问题，需要具有可调节的机械性能和快速凝胶化的混合水凝胶基生物水凝胶。这就需要提供一些改进的生物墨水，适用打印出复杂的生物材料，满足实际的需要。

发明内容

一方面，本发明的目的之一在于提供一种能够实现多材料交替供料，实现非均匀混合体系的3D打印系统。

一种3D打印系统，包括光学系统，供料机构，升降平台和腔；升降平台和腔形成承接供料机构来料的空间，升降平台与供料机构独立；每次打印，升降平台相对光学系统步进。

升降平台每次步进一个层厚，升降平台步进的目的在于使光学系统能够对待成型的层聚焦、实现光固化。供料机构在光学系统之外，供料机构的料液在光学系统的光固化区域之外，在打印时，无需将料液移位，即可进行光固化。升降平台与供料机构独立指的是升降平台不与供料机构融合，而是各自独立的机构，供料机构将料液定量的注入升降平台，升降平台的升降不会导致供料机构的供料。

光学系统

光学系统采用DLP技术的光学成像系统，光学系统的曝光区域与每层的待成型轮廓相同。可以根据不同成型层的截面图形，进行实时成像曝光，曝光区域照射在液料上，液料固化成型，未被照射区域，液料仍为液体。

升降平台

在一些优选的方式中，升降平台是可独立升降的平台，升降平台承接供料机构的供料，升降平台步进后，可以向供料机构发出需要供料的信号，但升降平台的步进并不直接导致料液流入平台。升降平台在光学系统的光固化区域内，升降平台内的料液接受光学系统的光照，完成光固化成型。

在一些优选的方案中，光学系统在升降平台之上。每次打印，升降平台向下步进。优选的，升降平台包括活塞，活塞位于腔内，活塞承接供料，活塞由平台驱动件步进式驱动。

优选的，平台驱动件位于活塞之下。优选的，活塞的上表面与料液接触。在一些优选的方案中，平台驱动件与活塞的底部固定，平台驱动件包括驱动电机、丝杆机构和滑块，丝杆与驱动电机连接，螺母与滑块固定，滑块与活塞连接。丝杆机构将驱动电机的转矩转换成直线移动，滑块带着活塞向下或向上步进，腔同时作为活塞运动时的导向件。平台驱动件不占用活塞与料液的接触面积和空间，活塞的上表面的所有面积均为可以用于光固化成型的有效面积。

腔

在一些优选的方式中，腔用于容纳料液或者生物墨水、或者生物材料，升降平台在腔内升降。每一次打印，料液加入腔内，当腔内的料液液面达到层厚要求时，光学系统进行光固化。

在一些优选的方案中，打印系统包括支架，腔固定于支架上。优选的，腔由设于块状本体上的通孔形成，块状本体固定在支架上。优选的，腔的截面为矩形，或者正方形，或者圆形，或者椭圆形等常规形状。优选的，块状本体设有容纳平台驱动件的通道或槽。平台驱动件的滑块能够在块状本体的通道或槽内不受干涉的上下平动位移。优选的，块状本体为矩形板，或方形板，或圆形，或椭圆形等常规形状。

供料

供料机构向升降平台加料，且每次供料量基本等于成型当前层的所需的料液量。所谓基本相等，指的是供料的量能够满足成型所需的料液量，并且使液面和层厚在有效的固化范围，不是数学意义上的绝对相等。

在一些优选的方案中，供料机构具有供料单元，供料单元有各自的料筒，送料杆，出料喷嘴和定量驱动机构，送料杆与定量驱动机构连接。送料杆推着料筒内的料液从出料喷嘴挤出，出料喷嘴将料液滴加于升降平台。

优选的，供料单元的数量为1个，或者供料单元的数量为多个。多个指的是供料单元的个数≥2。

供料方式受控于控制器，控制器控制定量驱动机构的进给。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，升降平台步进一次，第二供料单元供料、光固化；升降平台步进一次，再第一供料单元供料、光固化，……，如此，多个供料单元交替进行供料-光固化。这种情况下，每个供料单元的一次供料量满足当前层成型所需的料液量。

优选的，交替供料是多单元按顺序供料，或者不同的供料单元交叉供料。按顺序供料的情况，比如有第一供料单元，第二供料单元和第三供料单元，按第一、第二、第三的顺序依次供料-光固化。不同的单元交叉供料，比如第一供料单元，第二供料单元和第三供料单元，第一供料单元供料-光固化，第二供料单元供料- 光固化，接着第一供料单元供料-光固化，第三供料单元供料-光固化，只要前后两次供料由不同单元完成即可。

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。两个单元的料液滴加位置一样，也可以位置不一样。

或者，某一个或多个供料单元在先供料，其他一个或多个供料单元在在先供料结束后再进行供料，所有供料单元完成供料后，再光固化。比如，有第一供料单元和第二供料单元两个单元，第一供料单元先供料，第二供料单元在第一供料单元完成供料后再进行供料，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。后供料的单元可以跟先供料的单元的料液滴加位置一样，也可以位置不一样。

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。

定量驱动机构

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。

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活动部，活动部与料筒连接，活动部与固定部之间有锁紧件。活动部相对固定部位移后，提升料筒的安装高度。优选的，活动部的高度方向设有多级螺孔，固定部设有螺孔，锁紧件为螺钉或螺栓螺母。每一级螺孔对应一个安装高度。优选的，固定部的高度方向设有多级螺孔。从而加大料筒的安装高度调整范围。固定部的两级螺孔之间的距离可以跟活动部的两级螺孔之间的距离不同，从而有差异性级差调整。

位置调整机构

位置调整机构用于调整供料机构的位置，实现供料机构将料液滴加在升降平台的指定位置。在一些优选的方案中，3D打印机包括位置调整机构，供料机构安装于位置调整机构。每个供料单元具有独立的位置调整机构。或者，所有供料单元安装于同一个位置调整机构。或者，某几个供料单元安装于同一个位置调整机构，其余供料单元安装于另外的位置调整机构。

优选的，位置调整机构包括底座和位于底座的调位驱动件和调位滑块，调位滑块呈斜坡，斜坡靠近升降平台的一端低、另一端高。斜坡的存在使料筒的料液承受一定的重力作用，避免料液残留在喷嘴，保持供料时料液量的精确。优选的，调位滑块与调位导轨配合，底座上设有调位限位开关。调位限位开关限制调位滑块的位移区间。调位驱动件使用电机、气缸、电动推杆等。

优选的，料筒架固定于调位滑块。调整料筒的安装高度，使料筒的轴线与定量驱动机构的推力方向共线。

排液

在多材料打印任务时，有时需要先把第一种料液排走，再加入第二种料液。在一些优选的方案中，打印系统具有排液机构。优选的，优选的，活塞与腔间隙配合，活塞与腔之间的间隙作为排液槽。供料时，料液的量较大，活塞与腔的间隙处由于料液的表面张力作用，料液不会从间隙排走。当一次光固化后，料液的量变得很少，未固化的液体可以从排液槽排走。

或者，活塞与腔密封配合，排液机构为吸液管。需要排液时，吸液管伸入非成型区域将剩余液体吸走。优选的，吸液管安装于吸液驱动机构，吸液驱动机构往复运动使吸液管进入腔内或从腔内撤离。优选的，吸液管与负压装置连接。依靠负压将残余料液吸走。

前一种料液排走后，再加入另一种料液，避免前后两种料液相互影响、干扰。

另一方面，本发明提供一种3D打印方法，该方法包括：

1)、准备3D打印系统和料液，输入打印任务，将料液装入承担供料任务的料筒内，将料筒安装就位；

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、料筒向腔内供料，料液充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对料液光固化，完成当前层料液固化。

在一些方案中，在打印任务只使用一种材料进行打印时，步骤3)之后，重复步骤2)-4)，直到完成打印任务。供料机构每次提供满足一层打印的料液量，使料液层始终在光学系统的光固化范围内。上下两个层厚之间不排液，或者前一个层厚固化完成后，残余料液排走，但下一次供料时，料液量能满足料液层在光学系统的聚焦范围内。当前打印层需要多少料液供多少料，未供出的料液保存在料筒内，仍可以供其他打印任务实用，提高一次加料的使用率。

并且，当上下两层之间出现悬梁或悬臂结构时，料液完成充满前一次打印层，料液的浮力支撑当前层固化的悬梁或悬臂，避免悬梁或悬臂塌陷，能够成型出无悬梁(或悬臂)塌陷、变形的镂空结构，镂空结构增大了活性物质(如细胞)的附着面积。

在一些方案中，步骤4)之后，进入步骤5A)，判断当前层是否需要使用另一种料液完成打印任务，若否，升降平台下降一个层厚，准备后一层的打印；若是，则排液、使升降平台保持在当前层位置。在一些方案中，当前层需要另一种料液完成其他结构的打印时，排液和升降平台位于正确位置后，装有指定材料的供料机构向升降平台供料，供液完成后，光学系统对料液光固化，重复步骤5A)，直到当前层完成。

在进行当前层时，进入步骤5A)。

在一些方案中，步骤4)之后，进入步骤5B)，判断后一层与当前层是否使用同一材料，若否，则重复步骤2)-5)；若是，则排液、使升降平台保持在当前层位置，装有指定材料的供料机构向升降平台供料，供液完成后，光学系统对料液光固化。

当前层打印任务完成后，进入步骤5B)。

优选的，使升降平台保持在当前位置的方法包括：打印完一层，升降平台不下降；或者，打印完一层、升降平台下降一个层厚；再使升降平台向上复位一个层厚。先排液、再使升降平台保持当前层位置，或者先使升降平台保持当前层位置、再排液，或者使升降平台保持当前层位置和排液同时进行，都可以。

在另一方面，本发明的另一目的提供一种生物材料或者生物墨水，可以作为 3D打印的原料，或者可以被3D打印机进行加工的一种基础材料，通过类似打印的方式进行加工，而形成一种具有复杂结构的组织或者器官，可以直接用于各种用途。

本发明目的是提供一种光控3D打印生物墨水及其应用，改善现有3D打印生物墨水机械性能较差和成胶时间慢的问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种光控3D打印生物墨水，所述胶水由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、光引发剂和去离子水组成；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％，所述光引发剂质量终浓度以去离子水质量计为 0.001～1％；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；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％。

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(CH₂)_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(CH₂)_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；

进一步，优选所述邻硝基苄基类光扳机为邻硝基苄基。

进一步，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。

进一步，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。

进一步，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％。

进一步，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。

进一步，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。

进一步，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％。

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。

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。

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。

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。

本发明的优点对于新设计的打印机来讲在于：

1、供料机构以滴加的方式向升降平台和腔围成的区域加料，供料机构与升降平台为相互独立的机构，无需预加料；每次添加的料液与每一层成型所需的料液量匹配，提高一次加料的使用率，极大的降低料液的浪费。

2、每次加料厚度为一层层厚，在打印镂空结构时，未固化的区域仍保持液态，再后一层打印时，液态的物料能够支撑起新料，从而避免后一层物料塌陷，精确完成打印形态。

3、通过对供料单元的控制，能够实现多种材料逐层交替打印、多种材料同层非均匀混合打印、单一材料打印等多种加料打印模式，打印模式灵活多变，能够实现材料的非均匀混合体系成型，更加真实的模拟实际生物体系。

4、能够通过调节挤出供料机构的位置，控制料液滴入的位置，更加真实的模拟实际生物体系。

5、液面的面积与升降平台基本相等，有效光固化面积大。

另外，与现有技术相比，本发明对于新的生物材料来讲主要体现在：

本发明的光控3D打印墨水的力学性能，可以通过光照激活来控制。光照激发前，生物胶水中不含醛基，无法与氨基发生反应形成双层网络，因此力学性能较差。光照激活后，邻硝基苄基类光板机分子上产生醛基，能够快速与氨基发生反应光控3D打印墨水，从而使生物胶水具有较好的力学性能。通过增加邻硝基苄基类光扳机修饰的大分子的浓度，可以增加力学性能。本法发明采用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，生物安全性好，用法简单可用于组织缺损修复再生医学领域，实现组织完美修复。

附图说明

图1是本发明制软骨打印的模型图(上层支架)。

图2是本发明的打印机的整体结构图。

图3是平台驱动件和升降平台的结构图。

图4是升降平台支架的结构图。

图5是供料机构2向升降平台3加料的示意图。

图6是具有可升降料筒架的供料单元结构图。

图7是具有固定高度料筒架的供料单元结构图。

图8是位置调整机构的结构图。

图9是升降平台活塞的结构图。

图10是使用一种材料打印立体真皮镂空结构示意图。

图11是图10的格栅层与立柱阵列层用同一材料成型的立体示意图。

图12是图1的格栅层与立柱阵列层用两种不同材料成型的立体示意图。

图13是图10中连续N层使用一种材料成型、其余层使用另一种材料成型的示意图。

图14是本发明为图10所建立模型的打印真皮的实物图。

图15A图14所示的真皮的俯视显微结构图，图15B是图14所示的真皮的切面图。

图16A-16C为采用本发明的生物墨水打印出来的皮肤支架共聚焦显微结构表征图(悬梁结构，微米级高精度3轴连通孔)。

图17A-17C为采用本发明的生物墨水打印出来的皮肤支架共聚焦显微结构表征图其中，活细胞放生器官细胞活性表征共聚焦照片，体积为1立方毫米，细胞增殖不受影响，7天活性大于95％)。

图18为本发明一个具体实施方式中的软骨模型图。

图19为打印出来的不同孔的俯视显微结构图。

图20为打印出来的不同孔的实物图。

结合附图详细说明

如图2所示，一种3D打印系统，包括光学系统1，供料机构2，升降平台3 和腔302；升降平台3和腔302形成承接供料机构2来料的区域，升降平台3与供料机构2独立；每次打印，升降平台3相对光学系统步进。图1是3D打印系统制作出的镂空状态的皮肤组织。

光学系统

升降平台

升降平台是可独立升降的平台，升降平台承接供料机构的供料，升降平台步进后，可以向供料机构发出需要供料的信号，但升降平台的步进并不直接导致料液流入平台。升降平台在光学系统的光固化区域内，升降平台内的料液接受光学系统的光照，完成光固化成型。

如图2所示，在一些优选的方案中，光学系统1在升降平台3之上。每次打印，升降平台3向下步进。升降平台3包括活塞301，活塞301位于腔302内，活塞301承接供料，活塞301由平台驱动件5步进式驱动。

如图9所示，活塞301与腔302密封连接时，活塞301上设置密封圈303。

优选的，平台驱动件位于活塞之下。优选的，活塞的上表面与料液接触。如图3所示，在一些优选的方案中，平台驱动件5与活塞301的底部固定，平台驱动件5包括驱动电机501、丝杆机构502和滑块503，丝杆机构502与驱动电机 501连接，螺母与滑块固定，滑块503与活塞301连接。丝杆机构502将驱动电机501的转矩转换成直线移动，滑块503带着活塞301向下或向上步进，腔302 同时作为活塞301运动时的导向件。平台驱动件不占用活塞与料液的接触面积和空间，活塞的上表面的所有面积均为可以用于光固化成型的有效面积。

腔

腔用于容纳料液，升降平台在腔内升降。每一次打印，料液加入腔内，当腔内的料液液面达到层厚要求时，光学系统进行光固化。

如图4所示，在一些优选的方案中，打印系统包括支架4，腔302固定于支架4上。腔由设于块状本体上的通孔形成，块状本体固定在支架上。腔的截面为矩形，或者正方形，或者圆形，或者椭圆形等常规形状。块状本体设有容纳平台驱动件的通道或槽。平台驱动件的滑块能够在块状本体的通道或槽内不受干涉的上下平动位移。块状本体为矩形板，或方形板，或圆形，或椭圆形等常规形状。

供料

如图5所示，供料机构2向升降平台3加料，且每次供料量基本等于成型当前层的所需的料液量。所谓基本相等，指的是供料的量能够满足成型所需的料液量，并且使液面在有效的固化范围，可能会略有余量，不是数学意义上的绝对相等。

如图6和图7所示，在一些实施例中，供料机构2具有供料单元6，供料单元6有各自的料筒601，送料杆602，出料喷嘴603和定量驱动机构604，送料杆602与定量驱动机构604连接。送料杆602推着料筒601内的料液从出料喷嘴 603挤出，出料喷嘴603将料液滴加于升降平台。

供料单元的数量为1个，或者供料单元的数量为多个。多个指的是供料单元的个数≥2。

在一些实施例中，交替供料是多单元按顺序供料，或者不同的供料单元交叉供料。按顺序供料的情况，比如有第一供料单元，第二供料单元和第三供料单元，按第一、第二、第三的顺序依次供料-光固化。不同的单元交叉供料，比如第一供料单元，第二供料单元和第三供料单元，第一供料单元供料-光固化，第二供料单元供料-光固化，接着第一供料单元供料-光固化，第三供料单元供料-光固化，只要前后两次供料由不同单元完成即可。

或者，在一些实施例中，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。两个单元的料液滴加位置一样，也可以位置不一样。

或者，在一些实施例中，某一个或多个供料单元在先供料，其他一个或多个供料单元在在先供料结束后再进行供料，所有供料单元完成供料后，再光固化。比如，有第一供料单元和第二供料单元两个单元，第一供料单元先供料，第二供料单元在第一供料单元完成供料后再进行供料，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。后供料的单元可以跟先供料的单元的料液滴加位置一样，也可以位置不一样。

或者，在一些实施例中，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，在一些实施例中，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。

定量驱动机构

如图6和图7所示，定量驱动机构604用于定量推动送料杆602，对定量驱动机构的控制，实现对供料方式的控制。在一些实施例中，定量驱动机构包括送料驱动件605，送料驱动件605与送料杆602连接。优选的，送料驱动件605包括夹具606，送料杆602装夹于夹具606、实现送料驱动件605与送料杆602的连接。夹具606松开送料杆602时，送料杆602脱离送料驱动件605。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。每个料筒有各自的料筒架，料筒固定在料筒架。

如图7所示，在一些实施例中，料筒架607包括固定部608和活动部609，活动部609与料筒601连接，活动部609与固定部608之间有锁紧件610。活动部609相对固定部608位移后，提升料筒601的安装高度。优选的，活动部的高度方向设有多级螺孔，固定部设有螺孔，锁紧件为螺钉或螺栓螺母。每一级螺孔对应一个安装高度。优选的，固定部的高度方向设有多级螺孔。从而加大料筒的安装高度调整范围。固定部的两级螺孔之间的距离可以跟活动部的两级螺孔之间的距离不同，从而有差异性级差调整。

位置调整机构

位置调整机构用于调整供料机构的位置，实现供料机构将料液滴加在升降平台的指定位置。如图2所示，在一些实施例中，3D打印机包括位置调整机构7，供料机构2安装于位置调整机构7。每个供料单元具有独立的位置调整机构。或者，所有供料单元安装于同一个位置调整机构。或者，某几个供料单元安装于同一个位置调整机构，其余供料单元安装于另外的位置调整机构。

如图8所示，位置调整机构包括底座701和位于底座的调位驱动件702和调位滑块703，调位滑块703呈斜坡，斜坡靠近升降平台3的一端低、另一端高。斜坡的存在使料筒的料液承受一定的重力作用，避免料液残留在喷嘴，保持供料时料液量的精确调位滑块与调位导轨配合，底座上设有调位限位开关。调位限位开关限制调位滑块的位移区间。调位驱动件使用电机、气缸、电动推杆等。

料筒架固定于调位滑块。调整料筒的安装高度，使料筒的轴线与定量驱动机构的推力方向共线。

排液

在多材料打印任务时，有时需要先把第一种料液排走，再加入第二种料液。前后两种料液可以是同一种料液，也可以是不同的料液。

在一些实施例中，打印系统具有排液机构。优选的，如图4和图9所示，活塞301与腔302间隙配合，活塞301与腔302之间的间隙作为排液槽。供料时，料液的量较大，活塞与腔的间隙处由于料液的表面张力作用，料液不会从间隙排走。当一次光固化后，料液的量变得很少，未固化的液体可以从排液槽排走。

或者，在一些实施例中，活塞与腔密封配合，排液机构为吸液管。需要排液时，吸液管伸入非成型区域将剩余液体吸走。优选的，吸液管安装于吸液驱动机构，吸液驱动机构往复运动使吸液管进入腔内或从腔内撤离。优选的，吸液管与负压装置连接。依靠负压将残余料液吸走。

另一方面，本发明提供一种3D打印方法，该方法包括：

1)、准备3D打印系统和料液；

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、料筒向腔内供料，料液充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对料液光固化，完成当前层料液固化。

供料机构每次提供满足一层打印的料液量，使料液层始终在光学系统的光固化范围内。上下两个层厚之间不排液，或者前一个层厚固化完成后，残余料液排走，但下一次供料时，料液量能满足料液层在光学系统的聚焦范围内。当前打印层需要多少料液供多少料，未供出的料液保存在料筒内，仍可以供其他打印任务实用，提高一次加料的使用率。

在一些实施例中，在打印任务只使用一种材料进行打印时，步骤3)之后，重复步骤2)-4)，直到完成打印任务。打印任务包括用哪些料筒进行供料，供料的顺序，料液的供应量和位置，以及光学系统的光固化轮廓等。

以打印如图1所示的立体镂空结构为例，该立体镂空结构由格栅层和立柱阵列呈间隔组成。当该镂空结构未单一材料时，将打印材料装入料筒，料筒以液态向腔内供料。初始时，升降平台与腔的顶面齐平。

开始打印，升降平台下降一个层厚，料筒供料，光学系统照射料液液面，料液按光照的图形固化成型，如图10和11，成型出骨架和孔交替的格栅形状的 D1层；一层打印完成。升降平台下降一个层厚，料筒再次供料、使液面上升到腔顶；光学系统照射料液液面，料液按光照的图形固化成型，如图10和11，成型出立柱阵列的D2层，立柱位于D1层的骨架相交处；立柱的截面呈方形，D1 层与D2层叠加的立体效果如图15所示。升降平台下降一个层厚，料筒再次供料、使液面上升到腔顶；光学系统照射料液液面，料液按光照的图形固化成型，如图10，成型出D2层之上的D3层，D3层的结构与D1层一致，从俯视方向看， D1层和D3层完全重合。在C层成型时，料液填充了B层的立柱之间的空间，因此，料液的浮力支撑了C层骨架的悬空部分，在边缘处，料液的浮力支撑伸出立柱的悬梁，避免悬梁或悬臂塌陷，能够成型出无悬梁(或悬臂)塌陷、变形的三维镂空结构，镂空结构增大了活性物质(如细胞)的附着面积。升降平台下降一个层厚，再打印一层立柱阵列……，如此，形成如图1所示一层格栅层一层立柱阵列层的立体镂空结构。在相邻的两层打印时，可以先将光固化后的残余料液排出后再加料，也可以是直接加料进行下一层打印。

在对同一种料进行加料时，可以是一个料筒完成；也可以是一组料筒完成，一组料筒中的多个料筒在从不同位置向腔内供料。在一些实施例中，一种3D打印的方法，该方法适用于每一层中具有两种材料的，包括：

1)准备3D打印系统和料液，输入打印任务，将料液装入承担供料任务的料筒内，材料A装入料筒A，材料B装入料筒B，将料筒A和料筒B安装就位；

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、当打印任务中先打印材料A、再打印材料B时，料筒A向腔内供料，材料A充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对材料A光固化，完成材料A的固化；升降平台在腔内下降一个层厚；

5A)、判断打印任务、还有材料B未完成：

5A1)、将材料A排走，使升降平台上升一个层厚；

5A2)、向腔内注入材料B，材料B的液面与腔的顶面齐平；

5A3)、光学系统对材料B光固化；

5A4)当前层的所有材料均完成打印；将液体状的材料B排走，升降平台下降一个层厚；后一个层厚作为当前打印任务；重复步骤3)-5A)。在一些实施例中，这种打印方法实现同一层由两种不同材料组成。每一次注入的料液均充满升降平台与腔围成的空间，料液处于光学系统的聚焦范围内。

以打印如图1所示的立体镂空结构为例，该立体镂空结构由格栅层和立柱阵列呈间隔组成。当该镂空结构的同一层由不同的材料组成时(如打印生物器官时、同一层中同时肌肉组织与血管组织，打印肌肉组织的材料跟血管组织的材料不同)，分别将两种材料装入料筒A和料筒B(或者料筒组A和料筒组B)，料筒以液态向腔内供料。初始时，升降平台与腔的顶面齐平。初始时，升降平台与腔的顶面齐平。准备打印第一层，升降平台下降一个层厚，料筒A供料，光学系统照射料液液面，料液按光照的图形固化成型，如图12，成型出格栅形的主体 (表示肌肉组织)，主体包括正交的栅条，栅条交叉形成孔；成型后，将材料A 的残余料液排出；升降平台下降一个层厚之后再复位一个层厚，料筒B供料，光学系统照射料液液面，料液按第一层的光照图形固化成型，如图12，成型出孔四周的壁(表示血管组织)。第一层的打印任务完成，把材料B的残余料液排出。准备打印第二层，升降平台下降一个层厚，料筒A供料，成型出立柱阵列的主体(表示肌肉)，立柱位于第一层的栅条交叉处。成型后，将材料A的残余料液排出；升降平台下降一个层厚之后再复位一个层厚，料筒B供料，光学系统照射料液液面，料液按第二层的光照图形固化成型，每个立柱的表面成型出壁 (表示血管组织)，在俯视方向上，第一层的壁和第二层的壁重合；第二层的打印任务完成，把材料B的残余料液排出。成第三层的成型方法与光照图案与第一层相同；第四层的成型方法与光照图案与第二层相同；……奇数层的成型方法与光照图案与第一层相同；偶数层的成型方法与光照图案与第二层相同。奇数层与偶数层交替，打印形成每层具有不同材料组织的空间镂空结构。延伸到同一层使用两种以上的材料组成的情况时，只要准备相应的料筒、每次成型完一种材料后，使升降平台保持在相应层的位置，再加料，控制光照图形来成型想要的结构。。

步骤3)中，打印任务中已设置好各材料的顺序，则步骤3)-5A)的成型顺序按照预设顺序进行。或者，步骤3)中，打印任务中并未安排各种材料的顺序，则随机取一种材料先打印，直到完成所有材料的打印。

在一些实施例中，一种3D打印的方法，该方法适用于每一层只有一种材料，但整个组织由两种或两种以上的材料的(比如包括材料A，材料B，材料C)，该方法包括以下步骤：

1)准备3D打印系统和料液，输入打印任务，将料液装入承担供料任务的料筒内，材料A装入料筒A，材料B装入料筒B，材料C装入料筒C，将料筒 A、料筒B和料筒C安装就位；

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、识别当前打印任务，打印任务中打印材料A，料筒A向腔内供料，材料A充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对材料A光固化，完成材料A的固化；升降平台在腔内下降一个层厚，将未固化的材料A排走，读取下一层作为当前打印任务；

5B1)、识别当前打印任务，如、打印任务中打印材料B，料筒B向腔内供料，材料B充满升降平台与腔围成的空间；光学系统对材料B光固化，完成材料B的固化；升降平台在腔内下降一个层厚，将未固化的材料B排走，读取下一层作为当前打印任务；

5B2)、识别当前打印任务，如、打印任务中打印材料C，料筒C向腔内供料，材料C充满升降平台与腔围成的空间；光学系统对材料C光固化，完成材料C的固化；升降平台在腔内下降一个层厚，将未固化的材料B排走，读取下一层作为当前打印任务；

如此，每次识别当前打印任务中材料，进行供料、固化、排液，直到所有打印任务完成。

在一些实施例中，一种3D打印的方法，该方法适用于每一层只有一种材料，但整个组织由两种或两种以上的材料的(比如包括材料A，材料B)，但是，连续N个层厚为材料A；该方法包括以下步骤：

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

5)、读取下一层作为当前打印任务，判断当前打印任务、当前层使用材料A，则料筒A供料；光学系统对材料A光固化，完成材料A的固化；升降平台在腔内下降一个层厚；……，如此，直到连续使用材料A的所有层打印完成；

6)、读取下一层作为当前打印任务，判断当前打印任务、当前层使用材料B，则将材料A的残余液体排掉，料筒B供料；光学系统对材料B光固化，完成材料B的固化；升降平台在腔内下降一个层厚；……，如此，直到连续使用材料B 的所有层打印完成；

重复步骤6)，直到完成所有打印任务。

例如，打印皮肤时，皮肤的表皮层与真皮层的组织不同，因此，成型使用的材料也不同。以打印如图1所示的结构为例。前面N层表示真皮层，真皮层使用的材料相同(如使用材料A)。之后的层表示表皮层，表皮层使用的材料相同 (如使用材料B)。但真皮层材料与表皮层材料不同。如图13所示，成型时，前 N层均使用材料A成型(无论是格栅层还是立柱阵列层)；前N层打印完后，第 N+1层开始，需要使用材料B成型，第N+1层供料前，要将材料A的残余料液排出，再将材料B注入腔内，并使液面到达腔顶；成型第N+1层；之后的层均用材料B打印成型。

如图14所示，用上述两种方法结合，打印牙齿。牙齿具有牙釉质、牙本质和牙髓，牙根的根尖只有牙本质，接着是若干层牙本质在外、牙髓在内；接着是若干层牙釉质在外牙本质在中间、牙髓在内；最后是若干层只有牙釉质。在模拟打印自然牙的这些材料属性时，从牙根向牙冠的方向成型时，如，使用材料C 作为牙釉质、材料A作为牙本质、材料B作为牙髓。

在一些实施例中，例如打印牙本质的若干层，和牙本质、牙髓的若干层。一种3D打印的方法，该方法适用于有一些层只有一种材料(比如材料A)，还有一些层使用多种材料(比如A和B)；整个组织由两种或两种以上的材料的；该方法包括以下步骤：

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

6)、读取下一层作为当前打印任务，当前打印任务(当前层使用材料A和B)、材料B先打印，则材料A的残余液体排掉，料筒B供料；光学系统对材料B光固化，完成材料B的固化；升降平台在腔内下降一个层厚；使升降平台上升一个层厚，材料B的残余液体排掉，料筒A供料；光学系统对材料A光固化，完成材料A的固化；

重复步骤5)-6)，直到完成所有打印任务。

在一些实施例中，例如打印牙釉质的若干层，和牙本质、牙髓和牙釉质的若干层，使用材料C作为牙釉质、材料A作为牙本质、材料B作为牙髓。一种3D 打印的方法，该方法适用于每一层有多种材料，并且个组织由两种或两种以上的材料(如包括材料A，材料B，材料C)，该方法包括以下步骤：

1)准备3D打印系统和料液，输入打印任务，将料液装入承担供料任务的料筒内，材料A装入料筒A，材料B装入料筒B，材料C装入料筒C，将料筒A、料筒B和料筒C安装就位；

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、识别当前打印任务，当前层只有一种材料C，料筒C向腔内供料，材料 A充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对材料C光固化，完成材料C的固化；升降平台在腔内下降一个层厚，将排出残余料液，读取下一层作为当前打印任务；

5A1)、识别当前打印任务，打印任务中包括材料A、B和C，假设材料B 先打印(包括任务中已设置顺序和随机挑选材料B先打印的情况)；料筒B向腔内供料，材料B充满升降平台与腔围成的空间；光学系统对材料B光固化，完成材料B的固化；排出残余料液、升降平台在腔内下降一个层厚，再使升降平台上升一个层厚，即回到材料B供料时的高度；

5A2)、料筒C向腔内供料，材料C充满升降平台与腔围成的空间；光学系统对材料C光固化，完成材料C的固化，此时，当前层的所有材料均完成打印；升降平台在腔内下降一个层厚，排出残余料液，读取下一层作为当前打印任务；

5A3)、料筒A向腔内供料，材料A充满升降平台与腔围成的空间；光学系统对材料A光固化，完成材料A的固化，此时，当前层的所有材料均完成打印；升降平台在腔内下降一个层厚，排出残余料液，读取下一层作为当前打印任务；重复步骤5A1)-5A3)，直到完成当前打印任务的所有材料；

重复步骤3)-5A3)，直到完成所有打印任务。

在一些实施例中，如图15所示，例如当打印某种组织时，有特定的一个或几个不问，成型这些部位的材料除了主体材料以外，但还需要添加指定的其他材料。例如，打印肌肉组织时，有特定的部位需要具备高活性，并且活性部位还需要在肌肉组织中呈自然扩散的非均匀混合态，因此，在肌肉组织的基础上，还需要添加高活性因子(如干细胞等)

一种3D打印的方法，该方法适用于某一层中包括材料A(表示肌肉组织) 和材料B(表示高活性因子溶液)，并且材料B位于材料A的指定位置，材料A 与材料B融合；该方法包括以下步骤：

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、料筒A供应定量的材料A，位置调整装置将料筒B调整到指定位置，料筒B供应定量的材料B；料筒A和料筒B共同提供当前层料液量；

4)、光学系统对当前层料液光固化。

材料B滴入材料A中，形成自然的扩散状态，从而能够打印出两种材料自然扩散的非均匀混合体系。

料、料液

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设备和方法进行打印。这种打印的生物材料具有立体空间结构，或者具有四维空间，可以设置任意的通孔的。这里的通孔一般是指平面的结构或者立体的结构。例如，在平面上具有孔，这孔的形状可以是任何形状，圆形，长方形，正方形，菱形等等。当多个面在不同的维度上，就形成了立体形状，立体形状的各个面或者多个面具有孔的结构，而且这些孔都具有一定的深度，这里各个孔之间可以相通，也可以不相通，或者部分相通，这样就形成了贯穿整个立体结构或者部分立体结构的通道。这样的结构采用本发明的打印机容易实现。

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。

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。

总之，本发明的新设计的打印进可以打印任何合适材料。

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。实际上，在打印之前，本发明的生物材料实际上是一种基础材料，当需要打印的时候，可以和溶剂混合而形成溶液的状态，或者流体的状态，而该基础材料可以是干的形式存在。当然，也可以直接配成液态形式进行储藏。可选的，所以作为“生物墨水”的一种基础材料。

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％。

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％。

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。

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％。

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(CH₂)_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(CH₂)_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；

进一步，优选所述邻硝基苄基类光扳机为邻硝基苄基。

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。

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。

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％。

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。

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。

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％。

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。

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或者生物墨水材料，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。

具体实施

本发明提供具体实施例子来说明本发明的打印方法和所使用的生物墨水材料，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的限制，本发明的范围以权利要求为准。

实施例1：用于损伤修复的3D打印的皮肤

例如如图10、11和12和13所示，先对所打印的材料进行建模，然后更具建立的模型进行程序控制，然后进行打印。例如建立的模型如图10和12所示，图10为真皮的模型，图12为表皮和真皮组和在一起。图11为以3层为例的打印过程示意图。例如，黑色的表示需要打印的支架，类似立体四方体的结构，而支架的12条边采用打印出的支架，而支架所形成镂空的了立体结构102，形成了一个打印支架的单元，多个单元组合就形成了悬梁形式的多孔结构。整个单元可以形成任意尺寸的真皮支架，例如可以是直径为8毫米，而表皮的厚度为1 毫米，而真皮的厚度为1毫米，这样就形成了2毫米厚度的皮肤。设计成双层结构是为了模拟皮肤的表皮层和真皮层，表皮层结构致密，真皮层结构疏松，故上层结构设计成实心圆柱体，下层结构设计成悬臂梁多孔结构，适宜细胞增殖分化和血管长入。

而支架结构所采用的材料的配比如下：甲基丙烯酸酐接枝的明胶(GelMA)和 N-(2-氨乙基)-4-(4-(羟甲基)-2-甲氧基的-5-亚硝基的含苯氧基的)丁酰胺(NB)接枝的透明质酸(HA-NB)。两者浓度为分别为：2.5％和0.625％，光敏剂浓度为总体积的2％，酚红浓度0.4％，其余成分为水。

采用生物材料按照如图10所示的模型、以3层为例描述打印的过程(图13)，如下：

步骤1、将支架结构所采用的材料装入料筒，初始时，升降平台与腔的顶面齐平；

步骤2、升降平台下降一个层厚，料筒将生物材料注入腔内、生物材料的液面与腔的顶面齐平，光学系统照射料液液面，光学图形为格栅，光照后生物材料固化、形成格栅的第一层A；

步骤3、升降平台下降一个层厚，料筒将生物材料注入腔内、生物材料的液面与腔的顶面齐平，光学系统照射料液液面，光学图形为立柱阵列，立柱位于第一层的栅条相交处，光照后生物材料固化、形成立柱阵列的第二层B；

步骤4、升降平台下降一个层厚，料筒将生物材料注入腔内、生物材料的液面与腔的顶面齐平，光学系统照射料液液面，光学图形为跟第一层相同的格栅，光照后生物材料固化、形成格栅的第三层C；在第三层成型时，生物材料填充了第二层的立柱之间的空间，因此，生物材料的浮力支撑了第三层栅条的悬空部分，在边缘处，料液的浮力支撑伸出立柱的栅条而形成悬梁，避免悬梁、悬空部分塌陷；之后的步骤，立柱阵列层和格栅层交替成型，成型出如图10所示的无塌陷、变形的三维镂空结构。以上所有打印的光强50，曝光时间：1000ms。

打印结果如图14所示的实物图，为真皮结构的实物图。其中，在显微结构看，从真皮的俯视图可以看出，具有类似镂空的结构(类似窗口或孔的结构101)，图15A，而实心的是支架结构104为形成孔或者窗口的支架，图15B。

从图16A-16C可以看出，共聚焦显微结构中，光柱为本打印材料的支架结构101，而在内部具有楼空104的结构。具有三维的空间结构，而且，灰色的光柱表示骨架结构104，而且在每一个光柱的四周都具有空间，形成一个三维的空间结构，该三维的立体空间解结构中可以包括干细胞或者活性成分，利于细胞的分生，从而打印的才来更具有生物活性。

如图17A-17C所示，利用本打印方法打印的支架结构中具有成纤维细胞，在培养1周后，仍然有95％的细胞具有生物活性，图17A为整个成纤维细胞成活的照片的荧光图，图17B死亡的细胞的荧光呈相图，图17C是成活和死亡的细胞拟合的图像。从图中可以看出，死亡的细胞非常少。当培养15天后，成活率为90％，培养20天后，成活率为88％，培养1个月后，成活率为85％。

而采用传统的打印技术打印的材料，细胞死亡率非常高，培养一周后，一般死亡率在90％以上，而且存活的时间很短，最多2-4天时间，基本不能具体运用到实际中。

可以理解，可以仅仅只是打印真皮，真皮的大小基于修复伤口的大下而确定，真皮打印好后，把真皮覆盖在伤口上，然后涂覆一层表皮，然后通过光固化，从而修复伤口。真皮里可以具有纤维细胞或者其它活性成分。

实施例2：3D打印软骨修复

例如如图1、18所示，先对所打印的材料进行建模，然后根据建立的模型进行程序控制，然后进行打印。例如建立的模型如图1和18所示，图18为软骨支架的模型，其中包括上层支架901和下层支架902，其中上层支架为30个圆孔 900，侧面也有30个圆孔903，各个圆孔交叉相同，例如上面的每一个圆孔900 和侧面的圆孔903是相通的，例如图1可以看到。支架的直径尺寸为4毫米，上层厚度为1毫米，下层厚度为2毫米。实际上在下层也具有对应的30个孔与上层的30个孔相同，而下次没有侧面的孔。

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，目的是为骨髓间充质干细胞向上层迁移，有助于软骨的修复。上层支架设计，中间孔洞为了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。加入KGN小分子，可以维持软骨细胞表型，促进骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化。

支架结构所采用的材料的配比如下：上下层均为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％。上层支架加入KGN 小分子，最终稀释浓度为50uM。

采用生物材料按照如图18所示的模型、以3层为例描述打印的过程(图1)，如下：以从下向上逐渐增材成型为例，采用生物材料按照软骨支架模型的打印方法的过程如下：

步骤1、对软骨支架模型按层厚切片，每层切片的图形作为该层的光照图形；将生物材料装入料筒，初始时，升降平台与腔的顶面齐平；

步骤2、升降平台下降一个层厚，料筒将生物材料注入腔内、生物材料的液面与腔的顶面齐平，光学系统按当前层光照图形照射料液液面，光照图形在与通孔对应的位置无光线覆盖，光照后生物材料固化、形成第一层；重复执行步骤2，直到完成下层支架；

步骤3、在打印上层支架径向通孔的下半部圆弧时，重复执行步骤2；

步骤4、在打印上层支架径向通孔的上半部圆弧时，后一次打印层相对前一次打印层突出而出现悬空部，升降平台下降一个层厚，料筒将生物材料注入腔内、生物材料的液面与腔的顶面齐平；在径向通孔的内壁，前一次打印时未固化的生物材料的料液的支撑当前层的悬空部，避免悬空部塌陷，从而打印出内壁呈精确圆弧的径向通孔，重复执行步骤3和4，直到完成上层支架的打印。以上所有打印的光强50，曝光时间：1000ms。

如图20所示，利用本打印方法打印的支架结构的实物机构图。图19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。

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。

本文中所述或记载的文章、专利、专利申请以及所有其他文献和以电子方式可得的信息的内容在某种程度上全文包括在此以作参考，就如同每个单独的出版物被具体和单独指出以作参考一样。申请人保留把来自任何这种文章、专利、专利申请或其他文献的任何及所有材料和信息结合入本申请中的权利。

Claims

1.一种3D打印方法，该方法包括：

2)、升降平台在腔内下降一个层厚；

3)、料筒向腔内供料，料液充满升降平台与腔围成的空间；

4)、光学系统对料液光固化，光学系统采用DLP技术的光学成像系统，光学系统的曝光区域与每层的待成型轮廓相同，曝光区域照射在液料上，液料固化成型，未被照射区域，液料仍为液体。

2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于：在打印任务只使用一种材料进行打印时，步骤3)之后，重复步骤2)-4)，直到完成打印任务。

3.如权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于：上下两个层厚之间不排液，或者前一个层厚固化完成后，残余料液排走，但下一次供料时，料液量能满足料液层在光学系统的聚焦范围内。

4.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于：步骤4)之后，进入步骤5A)，步骤5A)：判断当前层是否需要使用另一种料液完成打印任务，若否，升降平台下降一个层厚，准备后一层的打印；若是，则排液、使升降平台保持在当前层位置。

5.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于：步骤4)之后，进入步骤5B)，步骤5B)：判断后一层与当前层是否使用同一材料，若否，则重复步骤2)-5)；若是，则排液、使升降平台保持在当前层位置，装有指定材料的供料机构向升降平台供料，供液完成后，光学系统对料液光固化。

6.如权利要求2-5之一所述的3D打印方法，其特征在于：使升降平台保持在当前位置的方法包括：打印完一层，升降平台不下降；或者，打印完一层、升降平台下降一个层厚；再使升降平台向上复位一个层厚。