[发明专利]一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统

说明书

本发明提供一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统。系统至少包括打印成形模块，装载有生物墨水并用于打印成形组织器官样本；荧光显微摄像装置，用于观察所打印含细胞结构的明场和荧光图像，监控摄像头，用于观察和记录打印过程，监控摄像头和荧光显微摄像装置将在卫星上监测到的打印数据传输给地面站，打印成形模块根据所述地面站的指示调整打印过程。本发明的生物3D打印系统集成了远程控制的、完全密封的打印成形模块，监测打印进程的监控摄像头和观察打印的细胞结构的荧光显微摄像装置，能够在微小卫星上的微重力和真空环境中以显著减小的空间占用实现多种形式的生物3D打印，并实现原位遥感监测和远程控制，提高打印通量和成功率。

技术领域

本发明属于空间卫星技术领域，尤其涉及一种基于微小卫星的遥控全自动生物3D打印系统。

背景技术

随着商业航天的蓬勃发展，人类进入了一个新的太空飞行黄金时代。微小卫星为通信、对地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验提供了更灵活的平台。空间技术和微重力将给地球上的人类健康带来深远的益处，在太空开展生物3D打印被称为“21世纪的登月计划”。空间微重力环境有利于柔性的生物材料打印成形，使细胞的聚集方式更接近人体组织，能增强干细胞的增殖、分化等性能，空间生物3D打印对于制造在空间或返回地球使用的人体器官和组织具有重要的意义，也是开展航天医学工程与空间生物学研究的重要技术支撑。

生物3D打印是以计算机三维模型为“图纸”，装配特制“生物墨水”，最终制造出人造器官和生物医学产品的新科技手段。在单层细胞结构中，细胞无法展现3D结构的细胞交流(cell interaction)，从而导致细胞功能(cell function)的部分丧失。生物3D打印技术能够通过CT、MRI等获得生物组织的结构图像，再将数据输入数据处理系统，然后通过电脑软件3D建模(CAD Computer Aided Design)，从而实现生物组织的三维打印。通过精确控制生物材料、生物细胞、生长因子等在整体3D结构中的位置、组合、互相作用，使之具有生物活性，能实现打印成品与目标组织或生物器官接近，实现人体器官的复制，甚至提升人体器官的潜能。

生物3D打印技术具有可量身定制性，结构和孔隙可控性以及可复合多种材料等特性。该技术也为许多具有突破性的治疗方案及设备的发明提供了技术支持。

由于微小卫星具有发射成本高、空间狭窄的特点，空间打印设备应当具有结构尺寸紧凑化、功率消耗低等特点，但要实现多种材料等系列打印实验往往就需要大尺寸和高功耗的设备。此外由于太空特殊环境所造成的不确定性，目前已有的空间打印设备往往容易发生喷头堵塞、光固化粘连等问题造成打印失败，因此如何在打印发生意外时及时恢复打印机的打印能力，提高打印的效率和成功率也是时下空间三维打印的难点。另外，空间卫星上的3D打印设备无法现场人工操作，需要具备良好的实施远程监测和远程控制的功能，便于地面站人员对打印过程的监测和及时调整，排除故障，调控打印进程，提高打印成功率。

不管是在先进控制策略的应用过程中还是对产品质量的直接控制过程中，一个棘手的问题是难以对产品的质量进行在线实时测量。生物3D打印也面对同样的问题，如果在打印的过程中出现了偏差，但由于没有在线检测的功能加入，操作人员及上位机并不知道出现了问题，倘若任其继续打印下去，结果就是最终的产品不合格、达不到精度要求。此问题在空间卫星中进行的生物3D打印过程中更为突出。受到空间环境中真空、微重力、温度、湿度等与地面显著不同的环境变量的影响，卫星上对3D打印过程的在线监测更为重要。基于此，在卫星上的生物3D打印过程中引入实时、准确的在线检测和反馈控制单元，就变得更为重要。

此外，在三维打印生物支架或生物组织及器官的三维实体的过程中，其成形过程受到诸多因素的影响，包括环境温度、工艺参数、叠层制造引起的应力累积、打印材料在喷头处的堵塞、打印材料中存在气泡、定位精度的下降等。所以从某种意义上来说，打印实体的成形过程具有一定的不可预知性。因此，如果对打印实体的成形过程进行实时在线检测，并进一步进行在线纠偏、智能控制，将外界干扰控制在一定的范围内，则将对最后的成形结果具有重大的意义。