全世界每年都有庞大数量的人员遭受各种类型的伤害导致组织缺损，或发生一些重大疾病从而须进行器官移植，但由于器官供体等待周期长、来源短缺、免疫排斥等问题，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难. 组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的方法^[1-2]，从长期来看组织工程是解决人体组织/器官巨大移植需求的根本途径^[3-4]，也可以用于体外精准构建微组织/微生物模型从而为药物研发提供新方法、新技术.

在生物三维（three-dimensional，3D）打印领域，美国维克森林大学利用生物打印技术成功制造出真正的人类膀胱，并成功移植^[5]. 哈佛大学医学院研发出多材料连续挤出式生物打印机，成功打印构建了多层皮肤结构^[6]. 韩国浦项科技大学研发组织/器官制造系统^[7]，采用成骨细胞和软骨细胞进行软骨再生研究. Organovo公司在国际上首次推出商业化的细胞打印，并开发了用于药物毒性测试的肝脏、肾脏体外模型^[8]. 在国内，清华大学研发出系列生物打印技术与装备^[9]，利用细胞精确受控组装技术构建体外三维肿瘤模型，为癌症疾病研究和药物开发提供仿生生物学研究手段. 西安交通大学建立面向骨组织构建的个性化植入物设计和制造方法，并实现对气管支架、乳房填充支架的构建，成功进行了临床实验^[10]. 杭州电子科技大学自主研发Bio-Architect系列生物3D打印机^[11]，成功打印出人类的耳朵软骨组织以及肝单元.

近年来，为了提高3D打印机的准确性和可靠性，国内外学者在3D打印过程监控及检测方面进行了一些研究. Sitthi等^[12]研发了机器视觉系统，用于对3D打印系统进行校准、打印检查和深度估计. Dinwiddie等^[13]采用红外摄像机对3D打印过程中工件的内部温度进行测量，用于判断工件的热应力和几何变形. Wu等^[14]研制了自动视觉检测系统，通过对捕捉的图片信息的分析，检测打印过程中材料填充的缺陷. Shen等^[15]提出多视角、全方位的视觉检测方法，用于识别3D打印过程中的外表面缺陷.

在生物3D打印研究领域已取得较多进展^[16-17]，不过现有的检测系统只能用来检测打印模型表面形貌的缺陷，无法实现对打印模型的形貌重建. 针对此问题，本研究设计了配有视觉检测系统的生物3D打印机，该检测系统不但能实时观测打印全过程，还能实现对打印模型的形貌检测及重建，并通过对打印模型外观形貌数据的分析，构建更精确的打印模型，提高打印成型的准确性，为高精度复杂异质生物结构的构建提供检测手段.

生物3D打印机主要由运动系统、供料系统、温控系统、视觉检测系统、控制系统组成，结构如图1所示.

运动系统是生物3D打印机的主体部分，用于驱动打印头实现空间定位和轨迹运动，主要包括X、Y轴直线电机运动系统、2套Z轴伺服电机运动系统、大理石基座、大理石龙门架等，如图2所示.

在X、Y轴采用直线电机驱动，直线电机运动特性较好，可以提高打印效率. 在Z轴方向上采用2个相互独立的伺服电机分别驱动各自的直线模组，在直线模组上可以安装2个供料系统用于同时打印不同材料，也可以分别安装供料系统和视觉检测系统用于对打印模型的形貌检测.

气动挤出式供料系统启动压力不易判断，且随着挤出材料的不断减少，同一气压挤出材料的均匀度会发生变化. 此外，气动挤出式供料系统需要气泵、阀外部元件，无法集成到打印机内部. 本研究采用基于电动挤出式的供料系统，包括底板、步进电机、联轴器、丝杠螺母副、直线导轨、针筒固定机构及推杆固定机构，如图3所示. 该供料系统不会因打印材料的减少而影响打印材料的挤出均匀性，可以实现对供料速度的连续调节，提高系统的打印精度.

生物3D打印与普通3D打印的区别在于其所打印的对象是具有生物活性的细胞及生物材料，这些材料的3D打印工艺对材料本身温度控制要求较高，较小的温度改变会引起材料打印特性的较大变化，使得打印过程难以掌控. 因此，为了维持打印过程的细胞活性和材料打印特性，设计了在打印过程中能够对材料温度进行精确控制的温控系统. 温控系统包括打印喷头温控系统和打印平台温控系统2部分，如图4所示. 每个子温控系统均由温度PID控制模块单独控制，与温控装置之间设有温度传感器接口和半导体制冷元件控制接口. 整个温控系统通过RS485串口与上位机控制系统连接，每个温控装置的目标温度由上位机设置.

打印喷头的温度控制不但可以满足细胞生存和材料熔化的要求，也可以改善打印过程中流体的流变特性，提高打印材料的成形性. 为了满足不同生物材料对打印温度的不同需求，所提出的生物3D打印装备配备有2种打印喷头：高温打印喷头和低温打印喷头. 低温打印喷头温控系统包括针筒温控装置、针头温控装置、散热装置和保温装置，如图5所示. 针筒温控范围为0~70 °C，针头温控范围为10~ 45 °C. 高温打印喷头温控系统主要包括支撑座、不锈钢针筒、加热层、隔热罩、上端盖、下端盖、温度传感器和加热棒，如图6所示，温控范围为50~250 °C.

打印平台温控系统能够确保在打印过程中维持特定温度为组织细胞提供最适宜的温度环境，维持组织在打印过程中的生物活性. 利用温度变化可以促进溶液交联形成水凝胶，从而提高组织结构的力学性能和整体性.

打印平台温控系统主要包括半导体制冷元件、半导体温控和水循环风冷系统，如图7所示. 半导体制冷元件底部安装在散热块上，散热块内部设有循环水道，水道的进出口分别与水循环风冷系统连接. 水循环风冷系统利用内部水泵建立冷却液循环流动，用于调节半导体底部的温度.

检测系统对形貌的分辨率要求较高，所以需要超高精度的位移传感器. 由于生物材料的特殊性，为了避免材料受到污染，不能使用接触式位移传感器. 在符合高分辨测量的非接触式位移传感器中，主要有激光测量、白光干涉和色散共焦能够满足精度要求，如表1所示，其中，能用于透明材质测量的只有白光干涉和色散共焦2种类型传感器. 白光干涉光斑照射后形成区域立体结构，只能针对光斑区域，类似于显微镜，无法集成到打印设备上进行实时检测和大范围立体结构数据的采集，因此最终选用色散共焦传感器.

检测系统的总体设计方案如图8所示，主要包括光学探头、光学控制单元和计算机. 光学探头包括色散物镜和光纤耦合器，光学控制单元包括白光光源、分光系统、电路处理，其中白光部分通过光纤为色散物镜提供光源.

控制系统主要由主控制器、上位机、电机及驱动器、限位开关、对刀器、温度控制器、光学探头及光电控制单元等组成，生物3D打印机控制系统框图如图9所示. 通过上位机发送指令给主控制器及温度控制器，通过主控制器实现对三轴系统的运动控制、供料、运动限位、对刀等功能；温度控制器通过RS485与上位机连接，利用上位机软件设定打印时打印平台、低温针管针头和高温针管所需要的温度；通过光学探头及光电控制单元获取打印模型的信息传递给上位机.

检测系统使用色散共焦探头对打印完的生物模型进行测量，生成待测量生物三维模型的点位数据，同时通过试验人员观察和分析打印模型存在的缺陷优化新的打印模型，提高打印的准确性.

除了1.5节中列出的检测系统硬件外，还须搭建四大模块，分别为三维控制模块、扫描模块、数据收集模块和三维建模模块，其中三维建模模块属于测量后数据处理模块，各模块之间的关系如图10所示.

获取三维数据的扫描过程依赖三维控制模块、扫描模块和数据收集模块. 其中，三维控制模块依赖三轴打印系统，一方面控制扫描过程，另一方面从中获取X、Y轴的位置信息. 扫描模块依赖光学探头、光学控制单元和扫描程序，从中获取Z轴的高度变化信息. 数据收集模块收集X、Y、Z轴的数据信息，为三维建模模块提供点位信息. 如图11所示为获取X、Y轴数据信息的原理框图.

整个扫描过程如图12所示. 定义2个判定标志位，一个标志位取值为0或1，0表示不回行扫描，1表示回行扫描；另一个标志位取值为0、1或2，用于表示扫描算法的类型，0表示普通扫描算法，1表示梯度扫描算法，2表示扫描速度变化的梯度扫描算法.

在扫描过程中，光学控制单元不断获取每个点位的位置信息，点位信息具有易失去性，即光学控制单元缓冲的数据量较小，后面的数据可能会覆盖前面的数据，所以须编写程序从光学控制单元读入相应的数据保存在数组中，然后统一输出保存在外部文件上，为三维重建提供原始测量数据.

光学控制单元提供了一些封装好的函数以供开发者进行二次开发，因此使用C++编写程序完成对光学控制单元的控制、数据读取和数据保存，数据采集程序流程如图13所示.

生物3D打印机上位机程序的图形化界面采用LabVIEW设计，如图14所示，采用功能分区方式来增加软件的交互性，其中左边区域为开始、复位、停止和回原点功能区. 中部区域为JOG运动、自动打印、温度控制、扫描等打印及检测功能区. 右边区域为系统报警指示及打印位置实时反馈功能区，将打印过程中须控制的参数可视化显示出来，以观察打印参数的实时变化和报错处理.

1）回原点功能. “HOME”按钮具有让X、Y、Z轴同时回原点的功能，在打印前和打印结束后须进行回原点的操作，考虑到须对单个运动轴进行回原点的操作也设置了各运动轴的独立操作键.

2）点位运动功能. 为了实现对各运动轴的单独点位手动控制，方便调试、打印、扫描等操作，设置点位运动功能，其中供料系统在进行点位运动时，系统根据打印速度自动匹配供料速度，不需要额外设置.

3）打印功能. 打印功能可以使打印机脱离切片软件，只须在对应的文本框中设置相应的参数，即可自动生成坐标点和执行的次数，实现对所需细胞培养网格支架的快速打印，根据进度数值显示打印进行程度.

4）换料功能. 当打印过程中出现打印材料用完的情况时，须使用换料功能. 该功能的操作流程为，先设置辅助坐标点和移动速度，然后点击“换料”按钮终止打印，记录当前坐标位置并显示；将对应的供料系统移动到辅助坐标点的位置进行换料，完成后点击“换料完成”按钮，供料系统即可回到先前记录的打印终止位置并继续未完成的打印任务.

5）温控功能. 温度控制功能为打印平台、打印针筒及打印针头设置合适的温度，在对应的温度控制框中输入温度值即可，以满足不同生物材料对打印温度的不同需求.

6）G代码打印功能. G代码打印功能区设有选择G文件按钮和开始打印按钮，分别对应G代码文件的导入和开始G代码打印. 可以实时显示G代码打印程序、缓存区剩余空间、当前执行到的代码行、打印进度等信息.

7）对刀功能. 在开始对刀前须按下“HOME”键使所有的轴回到原点，然后将Z轴移动到对刀器的上方进行对刀操作. 使用的打印薄片厚度不均，因此设置了补偿键，以设置针头到打印薄片的距离.

8）扫描功能. 扫描功能包含扫描开始按钮、边长设置框、速度设置框和扫描间隙设置框，利用该功能实现对视觉测试系统进行数据采集时运动轨迹的控制，实现对打印模型外观形貌数据的测量.

9）报警及位置实时显示功能. 为了实现打印机与用户更好的交互，设计了报警及位置实时显示的功能，报警显示功能能够明确故障源及故障信息，位置实时显示功能方便操作者观察打印机是否出现打印误差以便及时矫正.

利用研制的生物3D打印机对视觉检测功能进行测试，验证系统设计的合理性及检测的可行性，打印机及各模块如图15所示. 其中，利用摄像头实现对打印过程的实时视频监控，利用光学探头和光学控制单元实现对打印模型外观形貌数据的获取，最终利用获取的数据重建三维模型，流程如图16所示.

本研究采用海藻酸钠和明胶混合材料进行打印实验，对打印机的参数设定如表2所示. 表中，d为针头内径，s₁为打印速度，s₂为供料速度，θ₁为打印喷头温度，θ₂为平台温度.

所选用的摄像头自带视频监控软件，可以完成视频在线观看和录制，如图17所示，通过摄像头观察和记录打印全过程，可以及时发现打印过程中出现的问题，如材料挤出不均匀、堆料和断料等.

组织支架是构建复杂生物结构的支撑主体，它为细胞提供空间和养料. 构建良好的组织支架具有重要的意义，因此使用本打印系统构建如图18所示1 mm×1 mm的网格支架，验证系统的检测效果.

对打印出的网格支架按照如图16所示的步骤流程进行扫描测量，将得到的测量数据文件导入3D形貌重建软件MountainsMap，因数据量较大，文中只截取部分数据进行重建，得到重建模型如图19所示，生成位移彩虹云图如图20所示. 图中，x、y、z分别为水平、竖直、高度方向距离.

为了详细观测重建模型的高度变化情况，截取三维重建模型的某一截面，如图21所示. 图中，虚线部分为截取区域，得到截面的轮廓曲线如图22所示，使用点位提取得到指定点的高度数据，如表3所示. 由图22可以看出，网格支架的波峰、波谷均不在同一个平面. 图中，Δx、Δz分别为指定点之间的水平、垂直方向距离. 波峰处最大落差为1.8 μm，说明各处打印材料的塌陷程度存在细微的差别；波谷处最大落差为2.2 μm，说明打印网格支架用的培养皿表面不平整或打印材料未完全塌落到培养皿表面.

如表4所示为网格支架实际打印距离. 表中，h为各波峰之间的距离，即为网格支架实际打印的距离. 求得打印模型的平均误差率为1%，说明该网格支架的整体打印质量较好，同时也证明了设备的位置控制精度较高. 如果要进一步改进网格支架的打印精度，可以从减小坍塌入手，比如加强材料的交联.

凸台结构的构建测量是为了检测角度特性的好坏，凸台并不是生物3D打印的最终产品，它的存在是为了构建角膜结构，如图23所示. 使用上述方法，对凸台进行三维扫描然后进行三维重建，得到三维形貌（见图24）和位移云图（见图25）. 截取中间截面，如图26所示，图中虚线部分为截取区域，得到中间截面位移曲线，如图27所示. 由图27可以看出，凸台表面较光滑，有个别地方出现凸起，从位置0可以看出，该位置左侧发生了失真，这是由于凸台厚度较厚，在边缘的角度特性超过本光学头的最大测量角度（±22°）.

（1）提出模型在线检测方法，利用色散共焦传感器通过对打印模型的扫描得到打印模型外观形貌数据，构建具有真实立体结构在任意维度都可以进行测量和分析的扫描模型，从而实现对打印模型的外观形貌检测.

（2）利用LabVIEW软件设计上位机操作界面，采用功能分区方式来增加软件的交互性，并建立G-code与打印模型的映射关系，实现打印轨迹的可视化.

（3）实验证明了生物3D打印机的在线检测功能，能够实现对打印过程的观测和模型形貌的扫描重建及检测，通过对打印模型的形貌数据的分析，可以构建更精确的打印模型，提高打印成型的准确性，为高精度生物模型的构建提供检测手段.

（4）后续可以进一步研究在模型打印过程中进行实时形貌重建的方法.