面向皮肤大面积损伤修复的原位打印系统工作空间分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.202

面向皮肤大面积损伤修复的原位打印系统工作空间分析

朱慧轩^,^,¹^,²^,³^,⁴, 崔广泽¹^,²^,³, 李炳南²^,³, 郭凯²^,³, 王蔚¹, 李松^,²^,³

1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870

2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 110016

3.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁沈阳 110169

4.中国科学院大学，北京 100049

Workspace analysis of in situ printing system for repairing large-skin wounds

ZHU Huixuan^,^,¹^,²^,³^,⁴, CUI Guangze¹^,²^,³, LI Bingnan²^,³, GUO Kai²^,³, WANG Wei¹, LI Song^,²^,³

1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China

2.State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3.Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110169, China

4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 李　松（1992—），男，辽宁沈阳人，助理研究员，硕士，从事机器人控制研究，E-mail: lisong@sia.cn

收稿日期: 2023-09-12 修回日期: 2023-11-20

基金资助:

国家自然科学基金资助项目. 52205319
中国科学院青年创新促进会项目. 2021200

Received: 2023-09-12 Revised: 2023-11-20

作者简介 About authors

朱慧轩（1989—），男，山东昌邑人，副研究员，博士生，从事生物制造研究，E-mail:zhuhuixuan@sia.cn，https://orcid.org.0009-0004-0030-6445 , E-mail：zhuhuixuan@sia.cn

摘要

皮肤大面积损伤修复一直是临床上亟待解决的难题。目前，常用的修复方法主要为自体皮肤移植和伤口敷料治疗，但这些方法不能同时满足皮肤大面积修复和定制化治疗的需求。原位皮肤打印技术为皮肤大面积损伤修复提供了新思路，但现有的生物打印设备打印范围小且打印精度低，无法实现皮肤大面积组织的随形打印。为解决上述问题，提出了一种由Stewart并联机器人、直线模组机构、打印头和三维扫描仪等组成的原位皮肤打印系统。其中，Stewart并联机器人的重复定位精度高且累积误差小，其作为打印驱动装置可实现高精度的皮肤原位打印；Stewart并联机器人具有6个自由度，可在三维空间中实时调整打印角度，使得生物墨水能够沿皮肤曲面完整地覆盖在皮肤损伤处，有利于伤口修复。为分析所设计原位皮肤打印系统的可行性，通过数值法计算并联机器人的工作空间，得到了原位皮肤打印系统的工作范围，并通过打印实验进行了验证。实验结果表明，并联机器人可按照指定路径运行，打印头在打印过程中可稳定喷射生物墨水；原位皮肤打印系统的工作范围与并联机器人的工作空间基本吻合，可满足皮肤大面积损伤修复的需求。研究结果为后续的皮肤大面积修复动物实验奠定了理论基础。

关键词： 皮肤大面积损伤修复 ; 原位皮肤打印技术 ; 并联机器人 ; 工作空间

Abstract

The repair of large-skin wounds has been a difficult problem to be solved urgently. At present, the commonly used repair methods are mainly autologous skin transplantation and wound dressing treatment, but these methods cannot simultaneously meet the needs of large-skin repair and customized repairment. The in situ skin printing technology provides a new idea for the repair of large-skin wounds. However, the existing bioprinting equipment has small printing range and low printing precision, which cannot realize the shape printing of large area of skin tissue. In order to solve the above problems, an in situ skin printing system composed of Stewart parallel robot, linear module mechanism, print head and 3D scanner was proposed. The Stewart parallel robot could achieve high-precision skin in situ printing as printing driving device due to high repeated positioning precision and low cumulative error. The Stewart parallel robot had six degrees of freedom and could adjust the printing angle in 3D space, allowing bioink to fully cover the skin wounds along the skin surface, which was beneficial for wound repair. In order to analyze the feasibility of the designed in situ skin printing system, the workspace of the parallel robot was calculated by numerical method, and the working range of the in situ skin printing system was obtained and verified through printing experiments. The experimental results showed that the parallel robot operated according to the specified path, and the print head could stably inject bioink during the printing process. The working range of the in situ skin printing system was basically consistent with the workspace of the parallel robot, which met the needs of repairing large-skin wounds. The research results lay a theoretical foundation for the subsequent animal experiments on large-skin repair.

Keywords： repair of large-skin wounds ; in situ skin printing technology ; parallel robot ; workspace

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本文引用格式

朱慧轩, 崔广泽, 李炳南, 郭凯, 王蔚, 李松. 面向皮肤大面积损伤修复的原位打印系统工作空间分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 529-537 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.202

ZHU Huixuan, CUI Guangze, LI Bingnan, GUO Kai, WANG Wei, LI Song. Workspace analysis of in situ printing system for repairing large-skin wounds[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(4): 529-537 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.202

本文链接：https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.202

皮肤作为人体最大的器官，具有很多重要功能：1）充当人体与外部环境之间的物理屏障；2）作为温度调节系统；3）排放代谢产物，以调节人体的健康状况^[1]。热力、化学物质、电击或机械性外力易造成皮肤大面积损伤，引起皮肤组织破坏与缺失，这类伤口难以愈合。这种长期难以愈合的伤口会给患者带来巨大的身体和心理负担以及经济压力^[2]。世界卫生组织2023年的统计报告显示：低收入和中等收入国家每年死于烧伤的人数高达18万。目前，临床上常采用自体皮肤移植术和伤口敷料进行皮肤大面积损伤修复。自体皮肤移植是指从患者未受损伤的部位取皮并覆盖至受损部位。然而，皮肤移植治疗会造成新的皮肤损伤，且当患者皮肤受损面积过大时，其自身未受损皮肤面积有限，无法满足皮肤移植的需求。而伤口敷料必须具备良好的机械强度和透气性、一定的生物活性和吸水性能、适宜的生物相容性以及降解性能。用于制备伤口敷料的材料有很多，最常用的是一些天然聚合物、合成聚合物以及纳米复合材料^[3]。天然聚合物中常用于制备伤口敷料的材料为壳聚糖和明胶。其中：壳聚糖具有出色的生物相容性和生物降解性，有助于细胞黏附、增殖和分化，但单一壳聚糖的机械性能较差，拉伸时易断裂，挤压时易变形^[4]；明胶可以很好地保持水分，有利于细胞黏附，且其含有丰富的胶原蛋白，可为细胞的生长提供营养物质^[5]。在合成聚合物以及纳米复合材料中，常用于制备伤口敷料的材料为纳米黏土，由其生成的水凝胶敷料具有良好的机械性能和耐热性能，但该类伤口敷料含有不可降解的纳米微粒，不利于伤口恢复。此外，合成聚合物以及纳米复合材料的优缺点单一，极大地限制了治疗效果^[6]。

生物3D打印作为一种创新性的医疗手段^[7]，已成为受损皮肤修复的新途径之一，推动了生物医药行业的发展^[8-9]。生物3D打印技术具有细胞打印定位精确、细胞活性高及制造效率高等特点^[10]。按打印方式的不同，生物3D打印可分为激光打印、喷墨打印和挤出式打印三种。其中，喷墨打印技术通过热、压电或声学驱动等方式将细胞悬浮液滴沉积在目标位置处^[11]，以在液体基质中打印出高分辨率的图案化细胞结构^[12]。基于喷墨打印技术打印的水凝胶3D结构带有大量细胞，可加快受损皮肤愈合^[13]，其在组织工程中得到了广泛应用。

原位皮肤打印技术是根据患者皮肤受损处的形态，直接在受损部位进行生物3D打印，以修复受损组织^[14]。多伦多大学的Hakimi等^[15]研制了一种手持式皮肤打印机，该打印机的多喷头结构可打印出多种不同种类的细胞，从而形成多种皮肤组织形态。杭州捷诺飞生物科技有限公司的赵占盈等^[16]自主研发了Regenovo生物3D打印机，该打印机的运动精度为20 $μ m$ ，工作空间为160 mm ×160 mm×50 mm。苏州大学的张伟^[17]所研制的嵌入式3D打印平台的工作空间为230 mm×300 mm，打印精度为100~400 $μ m$ ，重复定位精度为5 $μ m$ 。浙江大学的王润秋^[18]研制了一款工作空间为100 mm×100 mm×50 mm的生物打印平台，并通过打印硅胶材料开展了切片参数优化实验，确定了合适的打印工艺参数。

根据《人体损伤程度鉴定标准》，一级轻伤的判定标准包括头皮创口或瘢痕长度累计超过20 cm。现有的生物打印机无法满足皮肤大面积打印的需求。此外，现有的生物打印机多为三轴打印机，无法满足皮肤曲面随形打印的需求，且运动精度也不符合皮肤原位打印的要求。针对以上问题，笔者团队开发了一款原位皮肤打印系统，并对其工作空间进行分析，旨在为实现皮肤大面积损伤修复提供参考。

1 原位皮肤打印系统结构设计

本文所设计的原位皮肤打印系统主要由直线模组机构、转向机构、三维扫描仪、Stewart并联机器人、打印头和支撑机构等组成。其中，Stewart并联机器人的运动姿态灵活，可满足打印系统沿皮肤受损表面随形打印的需求。该打印系统的工作原理如下：首先，利用三维扫描仪对受损皮肤进行扫描，以获取受损部位的高分辨率图像信息；然后，通过图像识别算法来识别所获取图像的轮廓和深度，并利用CAD（computer aided design，计算机辅助设计）技术对轮廓进行实体化与分层处理，以生成打印路径；最后，利用并联机器人驱动打印头在受损部位进行打印，实现对受损部位的修复。利用SolidWorks软件对原位皮肤打印系统进行建模设计，其结构装配如图1(a)所示。该打印系统利用铝型材框架作为支撑机构，直线模组机构固定在支撑机构上方；Stewart并联机器人安装在直线模组机构下方，并通过连接件与三维扫描仪相连；打印头固定在并联机器人动平台一端，其在动平台驱动下进行随形打印，以实现对受损皮肤的修复。其中，直线模组机构可有效扩大整个打印系统的工作范围；转向机构可使三维扫描仪转换方向，实现对伤口的全方位扫描。所设计的原位皮肤打印系统采用负压打印方式，其储料仓顶部固定在Stewart并联机器人的静平台上，储料仓底部直接与打印头相连，模块化设计缩小了储料仓与打印头之间的距离，节省了打印材料。此外，为满足现场救治的需求，可采用三脚架代替铝型材框架作为打印系统的支撑机构。同时，打印系统的整套设备可放入图1(b)所示的收纳箱中，方便携带，且收纳箱中配有便携式液氮罐。在皮肤损伤修复前，将液氮罐中的生物墨水取出，并使用由便携式USB（universal serial bus，通用串行总线）电池供电的微型加热垫解冻至37 ℃。

图1

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图1 原位皮肤打印系统及其收纳箱示意图

Fig.1 Schematic of in situ skin printing system and its storage box

2 Stewart并联机器人的结构与运动学分析

2.1　并联机器人结构与自由度分析

原位皮肤打印系统中Stewart并联机器人的结构简图如图2所示，其主要由动平台、连杆、球副、滑块、静平台和直线驱动器等零部件组成。

图2

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图2 Stewart并联机器人结构简图

Fig.2 Structure diagram of Stewart parallel robot

Stewart并联机器人共有6条运动支链，每条运动支链的两端通过球副分别与动、静平台相连接。直线驱动器通过驱动运动支链，使并联机器人动平台完成平移和旋转运动。并联机器人自由度W的计算式如下：

W = 6 n - (p_{1} + 2 p_{2} + 3 p_{3} + 4 p_{4} + 5 p_{5}) = 6 n - \sum_{i = 1}^{5} i p_{i}

(1)

式中：n为活动构件数量， $p_{i} 为$ $i$ 级运动副的相对自由度。

Stewart并联机器人的活动构件数量n=13，其直线驱动器的运动副为圆柱副，圆柱副属于空间IV级副，IV级副的相对自由度p₄=18。Stewart并联机器人中不存在局部自由度和虚约束构件，根据式(1)，计算得到其自由度：

W = 6 \times 13 - 4 \times 18 = 6

(2)

由此可知，Stewart并联机器人具有6个自由度，其动平台可沿X、Y、Z三个方向进行平移和旋转运动。在并联机器人动平台驱动下，打印头可进行平移与旋转，充分利用角度调整来提高曲面打印精度，从而实现高适配性的随形打印，推进皮肤大面积损伤的个性化修复。

2.2　并联机器人运动学分析

2.2.1　坐标平移变换

在Stewart并联机器人动平台高度不变的条件下，动平台从初始位置沿直线向任意方向平移到某一位置，假设沿X、Y、Z方向分别平移了r、q、s，则动平台上某点沿3个方向的平移齐次变换可表示为：

\begin{array}{l} X_{C} = [\begin{array}{l} 1 0 0 r \\ 0 1 0 0 \\ 0 0 1 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] \\ Y_{C} = [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 1 0 q \\ 0 0 1 0 \\ 0 0 0 1 \end{array}] \\ Z_{C} = [\begin{array}{l} 1 0 0 0 \\ 0 1 0 0 \\ 0 0 1 s \\ 0 0 0 1 \end{array}] \end{array}

式中： X_C 、 Y_C 、 Z_C 为沿X、Y、Z方向的平移矩阵。

则动平台上某点的平移齐次变换可表示为：

C = X_{C} Y_{C} Z_{C} = [\begin{array}{l} 1 0 0 r \\ 0 1 0 q \\ 0 0 1 s \\ 0 0 0 1 \end{array}]

(3)

式中： C 为平移矩阵。

利用三维扫描仪对伤口进行扫描，将伤口路径转化为G代码后，Stewart并联机器人的动平台根据G代码分别沿X、Y、Z方向作平移运动，以带动打印头平移，完成皮肤的原位打印。

2.2.2　坐标旋转变换

在Stewart并联机器人动平台中心保持位置不变的条件下，动平台朝任意方向旋转某一角度，6条运动支链的长度随动平台转角的变化而变化。图3所示为动平台上某点坐标的旋转变换示意。图中：P-XY为动平台旋转前的原始坐标系，P- $X^{'} Y^{'}$ 为动平台绕Z轴旋转 $γ$ 后的新坐标系。

图3

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图3 坐标旋转变换示意

Fig.3 Schematic of coordinate rotation transformation

根据图3，动平台旋转后 $Q^{'}$ 点的坐标( $X_{0}^{'}$ , $Y_{0}^{'}$ , $Z_{0}^{'}$ )可表示为：

[\begin{array}{l} X_{0}^{'} \\ Y_{0}^{'} \\ Z_{0}^{'} \end{array}] = [\begin{array}{l} c o s γ - s i n γ 0 \\ s i n γ c o s γ 0 \\ 0 0 1 \end{array}] [\begin{array}{l} X_{0} \\ Y_{0} \\ Z_{0} \end{array}]

(4)

其中：

R_{Z, γ} = [\begin{array}{l} c o s γ - s i n γ 0 \\ s i n γ c o s γ 0 \\ 0 0 1 \end{array}]

式中：(X₀, Y₀, Z₀)为旋转前Q点的坐标， R_Z_,_γ 为绕Z轴旋转γ时对应的旋转矩阵。

同理，动平台绕X轴旋转α和绕Y轴旋转β时的旋转矩阵 R_X_,_α 、 R_Y_,_β 分别为：

R_{X, α} = [\begin{array}{l} 1 0 0 \\ 0 c o s α - s i n α \\ 0 s i n α c o s α \end{array}]

R_{Y, β} = [\begin{array}{l} c o s β 0 s i n β \\ 0 1 0 \\ - s i n β 0 c o s β \end{array}]

由此可得，坐标系P-XY与P- $X^{'} Y^{'}$ 之间的旋转矩阵 R 可表示为：

R = R_{X, α} R_{Y, β} R_{Z, γ} = [\begin{array}{l} c o s β c o s γ s i n α s i n β c o s γ - c o s α s i n γ s i n α s i n γ + c o s α c o s γ s i n β \\ c o s β s i n γ c o s α c o s γ + s i n α s i n β s i n γ c o s α s i n β s i n γ - s i n α c o s γ \\ - s i n β s i n α c o s β c o s α c o s β \end{array}]

(5)

因皮肤伤口多为不规则形状，Stewart并联机器人动平台需通过旋转来调整角度，以驱动打印头沿伤口法向进行曲面随形打印，使得生物墨水完整地覆盖在皮肤损伤处，以更好地促进伤口恢复。

2.2.3 并联机器人位置正解

通过上文分析可知，确定Stewart并联机器人动平台位姿的独立参数有6个，分别为确定动平台位置的 X_C 、 Y_C 、 Z_C 和确定动平台姿势的转角 $α 、 β 、 γ$ 。动平台上各铰链点在固定坐标系（静平台坐标系）中的位姿均可表示成这6个独立参数的函数，即：

b_{j} = B_{j} (X_{C}, Y_{C}, Z_{C}, α, β, γ), j = 1, 2, \dots, 6

式中： b_j 为动平台各铰链点b_j 的位姿向量， B_j 为静平台各铰链点B_j 的位姿向量。

在给定6个直线驱动器位移 $l_{j} (j = 1, 2, \dots, 6)$ 的条件下，求解动平台各铰链点的位姿，建立如下方程组：

l_{j}^{2} = {(b_{j} - B_{j})}^{T} (b_{j} - B_{j})

(6)

式(6)为含有6个未知数、6个非线性方程的方程组，可利用最小二乘法进行求解，建立如下目标函数：

F (X_{C}, Y_{C}, Z_{C}, α, β, γ) = {\sum_{j = 1}^{6} [l_{j} - \sqrt[]{{(b_{j} - B_{j})}^{T} (b_{j} - B_{j})}]}^{2}

(7)

利用式(7)可以求解得到动平台的位姿参数，为后续求解Stewart并联机器人的工作空间提供了理论基础。

3 原位皮肤打印系统工作空间分析

3.1　并联机器人工作空间数值求解

分析原位皮肤打印系统的工作空间时需考虑以下2种情况：1）直线模组机构固定，仅依靠Stewart并联机器人的平移和旋转进行打印；2）直线模组机构工作，通过直线模组机构和Stewart并联机器人的联合运动进行打印。并联机器人动平台的操作范围即为其工作空间，工作空间是评估并联机器人功能的关键指标之一^[19-20]。并联机器人工作空间的主要影响因素包括连杆长度、关节转角及连杆间距等。常用的并联机器人工作空间计算方法包括解析法和数值法。其中：解析法是一种基于数学模型的方法，从并联机器人的几何和运动学关系出发，推导出工作空间边界的函数表达式，但由于所推导的函数表达式过于烦琐，解析法不具有通用性^[21]；数值法是指利用计算机算法，先通过迭代计算搜索并联机器人动平台的可达区域，再通过求解运动学方程来计算工作空间的边界^[22-25]。数值法运算简单，适用于多种并联机构。基于此，本文采用数值法来求解直线模组机构固定时Stewart并联机器人的工作空间。先利用Python程序遍历并联机器人运动支链与静平台角度的所有组合，随后通过正运动学运算得到所有组合对应的位置正解，剔除不符合要求的位置后，剩余位置对应点的集群即构成了并联机器人的工作空间。

图4所示为直线模组机构固定时Stewart并联机器人工作空间的数值求解结果。由图4(a)可以看出，该并联机器人动平台的工作空间在三维空间中呈倒立的非旋转体锥形，具有良好的连续性；由图4(b)可以看出，在直线模组机构固定的情况下，该并联机器人沿X方向的移动距离为91 mm，沿Y方向的移动距离为84 mm。

图4

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图4 Stewart并联机器人工作空间

Fig.4 Workspace of Stewart parallel robot

3.2　原位皮肤打印系统工作空间仿真分析

为了得到直线模组机构工作时整个原位皮肤打印系统的工作空间，在ADAMS仿真软件中构建原位皮肤打印系统仿真模型（对结构作一定简化）并开展工作空间分析。如图5所示，将原位皮肤打印系统各部分赋予材料属性，并设置连接副和驱动副；设仿真时间为23 s。通过仿真分析得到了直线模组机构与Stewart并联机器人联合运动时打印头质心沿X方向的移动距离，结果如图6所示。

图5

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图5 原位皮肤打印系统仿真模型

Fig.5 Simulation model of in situ skin printing system

图6

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图6 打印头质心沿 X 方向的移动距离

Fig.6 Movement distance of print head centroid along X direction

根据图6，打印头质心在第5秒时到达X=400 mm处，在第19秒时到达X=-400 mm处。由此可知，打印头质心沿X方向的移动距离达到了800 mm。结合图4和图6可知，在直线模组机构固定时，原位皮肤打印系统的工作空间可达到80 mm×80 mm×50 mm；在直线模组机构工作时，打印系统的工作空间可达到800 mm×80 mm×50 mm。

4 打印实验

为验证原位皮肤打印系统打印过程的稳定性以及其工作空间仿真结果的准确性，开展打印实验。原位皮肤打印系统样机如图7所示。在实验过程中，为了保证Stewart并联机器人的工作空间，先使用Inkscape软件将半径为40 mm的圆形图案以及SIA（中国科学院沈阳自动化研究所）和SUT（沈阳工业大学）两组字母图案生成G代码，再将G代码传输至打印系统以驱动并联机器人运动，打印头在并联机器人的驱动下打印圆形图案和字母图案，最后通过对比各组图案来分析并联机器人的工作空间。将图案转化为G代码后，使用MATLAB软件进行可视化处理，如图8(a)所示。结果表明，转化后的G代码连续性良好，可保证打印路径的准确性。将G代码传输至打印系统后，利用加入红色墨水的3%海藻酸钠溶液（生物相容性良好，且具有高剪切稀化和快速胶凝性能）进行打印，打印效果如图8(b)所示。结果显示，在打印过程中，Stewart并联机器人运动平稳，无卡顿现象；打印头可平稳打印，且液滴喷射均匀；并联机器人动平台的运动轨迹与G代码对应的期望轨迹相符，打印出的点阵图案与软件生成图案相同，且打印范围与并联机器人工作空间仿真结果相符，进一步验证了原位皮肤打印系统实现大面积皮肤损伤修复的可行性。

图7

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图7 原位皮肤打印系统样机

Fig.7 In situ skin printing system prototype

图8

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图8 海藻酸钠打印实验结果对比

Fig.8 Comparison of sodium alginate printing experiment results

为了进一步测试原位皮肤打印系统对不同生物墨水的打印性能，配置浓度为5%的明胶溶液并开展打印实验。为了方便观察，加入蓝色墨水，打印图案为螺旋线；为了满足大面积原位覆盖的需求，调整打印参数，以实现连续线条打印。设置打印底板平台的温度为-10 ℃，以保证明胶可在底板平台上更好地固化。明胶打印实验结果如图9所示。结果显示，螺旋线粗细均匀且打印线条连续，即打印过程未出现中断现象，说明原位皮肤打印系统对不同生物墨水具有较强的适应性。

图9

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图9 明胶打印实验结果

Fig.9 Gelatin printing experiment result

为了验证原位皮肤打印系统进行生物打印的可行性，开展细胞打印实验。首先，培养平滑肌细胞。图10所示为平滑肌细胞培养2 d后贴壁生长的形态。利用显微镜进行观察发现，平滑肌细胞生长良好，未受到细菌污染。然后，对原位皮肤打印系统进行消毒。其中，储料仓和管路使用酒精浸泡消毒，其余机构利用紫外线照射消毒。待平滑肌细胞达到一定数量后，配置GelMA生物墨水，并将平滑肌细胞混入GelMA溶液以进行打印。在打印前，对混合溶液进行细胞浓度测试，结果显示，细胞浓度为1.28×10⁵个/mL。利用混合溶液打印五角星图案，打印结果如图11所示。在打印出五角星图案后，使用紫外线照射图案20 s，以使图案更好地固化在培养皿中。利用扫描电镜观察培养皿中的固化图案，发现平滑肌细胞均匀地分布在五角星内部，如图12所示。向培养皿中加入培养基，并将其放入培养箱进行培养。经过24 h的培养后，细胞成活率达到92%，由此说明原位皮肤打印系统可用于生物打印。

图10

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图10 平滑肌细胞形态

Fig.10 Smooth muscle cell morphology

图11

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图11 细胞打印实验结果

Fig.11 Cell printing experiment result

图12

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图12 打印后平滑肌细胞分布情况

Fig.12 Distribution of smooth muscle cells after printing

5 结论

针对皮肤大面积损伤修复问题，本文设计了一款原位皮肤打印系统，有效解决了现有生物打印设备打印范围小及打印精度低的问题。通过数值法对Stewart并联机器人的工作空间进行分析，得到了直线模组机构固定时原位皮肤打印系统的工作空间；通过ADAMS仿真分析得到了直线模组机构和并联机器人联合运动时该打印系统的工作空间。最后，通过打印实验验证了原位皮肤打印系统的可行性以及工作空间仿真分析结果的准确性。仿真结果表明，当直线模组机构固定时，原位皮肤打印系统可实现80 mm×80 mm×50 mm的打印范围；当直线模组机构与并联机器人联合运动时，该打印系统可实现800 mm×80 mm×50 mm的打印范围，可满足皮肤大面积损伤修复的需求。实验结果表明，原位皮肤打印系统中的并联机器人可按指定路径运行，打印头可稳定、均匀地喷射不同的生物墨水，这可为后续皮肤大面积修复动物实验奠定基础。

参考文献

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[1]

STANTON

D N

， GANGULI-INDRA

， INDRA

A K

， et al.

Bioengineered efficacy models of skin disease： advances in the last 10 years

［J］. Pharmaceutics， 2022， 14（2）： 319.