[0067] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0068] 本发明给出基于OCT的三维生物打印水凝胶支架的精准控制流程图，如图1所示，基于计算机辅助设计技术设计待打印支架的几何结构，采用三维生物打印设备制造出水凝胶支架，利用OCT系统定量表征实际水凝胶支架的形态参数；比较设计与制造间的偏差，分析偏差与设计值的关联性，总结经验函数；根据经验函数反馈指导水凝胶支架的设计与打印，重复以上步骤直到打印出与设计一致的水凝胶支架。图2给出三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统原理框图。
[0069] 图3给出一种组织工程上常用的一种可有效实现细胞接种/封装的生物支架的结构设计图，其中d2表示支架的孔隙尺寸(Pore Size，PS)，po300代表设计的PS为300μm。d1表示支架的实体支撑尺寸(Strut Size,StS)，d3表示支架的层厚，两者均设定为210μm。支架的外形均为立方体，尺寸设为10mm×10mm，高4mm。可以采用SolidWorks软件设计出六种不同孔隙尺寸的方形孔型支架，按照其尺寸的不同分别定义为po300，po400，po500，po600，po700，po800。
[0070] 表1展示了实施例中用于3类不同评价实验的6种预设几何结构，实验包括OCT图像分析实验、重复性实验和迭代分析实验。其中OCT图像分析实验是对6种不同尺寸的支架分别随机选择5个打印出的样本测试；重复性实验是指对单一po700支架在5个不同时间点制备，比较各定量参数间的统计差异；迭代分析实验是指选取po300，po700两种尺寸来验证迭代分析方法是否能显著降低设计和制备间的不一致。
[0071] 表1 六种预设几何结构用于3类不同评价实验
[0072]
[0073] 本发明三维生物打印水凝胶支架的优化控制系统，包括基于光学相干层析扫描的三维生物打印水凝胶支架定量可视化装置和打印参数可控的三维生物打印设备。
[0074] 图4给出打印参数可控的三维生物打印机的组成图，主要包括打印主机1、中心控制模块2、打印喷头3、X/Y/Z三轴运动模块4、打印成型平台5、独立温控系统6。打印主机1负责配置打印参数、编辑打印模型、运行分层算法、发送加工指令并监控打印状态，中心控制模块2负责接收加工指令，并对X/Y/Z三轴运动模块4进行运动控制，和对打印喷头3进行挤出气压的调节/开闭，独立温控系统6负责调控打印喷头3和打印成型平台5的温度。
[0075] 上述的基于光学相干层析扫描的三维生物打印水凝胶支架定量可视化系统，如图5所示，其主要由光源7、低相干干涉模块8、样品扫描模块9、干涉信号探测模块10、计算机
11。其光源7发出的光经第一光纤12进入低相干干涉模块8，低相干干涉模块8发出的探测光由第二光纤13进入样品扫描模块9，样品扫描模块9通过聚焦进入放置在样品台的三维生物打印水凝胶支架，支架产生的后向散射光原路返回至低相干干涉模块8，低相干干涉模块8产生干涉光谱信号经第三光纤14送入干涉信号探测模块9。计算机11负责整个OCT装置的时序控制、图像采集处理及分析，然后将处理分析后的信息反馈至打印设备，时序控制包括光源触发、二维高速振镜扫描时序、二维电机运动时序以及干涉光谱信号采集时序。图像采集处理分析分为图像采集、图像处理及图像定量分析。其中图像采集将获取的干涉光谱信号进行A/D转换，转换后的数字信号存到缓存中，通过算法重建显示出二维横断面图像和三维图像。
[0076] 所述的样品扫描模块3的组合为以下两种之一，即：一种高速扫描模块15通过夹持装置直接安装在二维电机运动模块16上，两者组合为一个整体探头，而样品台独立，仅负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节；一种高速扫描模块与二维电机运动模块分离，二维电机运动模块与样品台整合，样品台需方便支架专用培养皿的固定和更换，且负责Z轴方向运动实现扫描光束聚焦调节。样品扫描模块3的第一种组合的原理示意图如6所示。第二种组合的原理示意图如图7所示。其中所述的高速扫描模块由光纤准直器17、二维高速扫描振镜18、扫描物镜19组成。低相干干涉模块8发出的探测光由第二光纤13进入高速扫描模块15的光纤准直器17，二维扫描振镜18输出的光经扫描物镜19进行聚焦后进入放置在样品台20的三维生物打印水凝胶支架，支架产生的后向散射光经原路返回至低相干干涉模块8，后续处理如图10所示。
[0077] 系统的样品扫描和数据采集是同步进行的，在高速扫描模块15中，二维扫描振镜的扫描范围为毫米量级，扫描方式示意图如图8所示，其中图(a)表示OCT系统如何实现三维扫描，对于扫频OCT成像系统，通过扫频光源的波长扫描和傅立叶变换来实现z轴即轴向扫描；对于谱域OCT成像系统，通过光谱仪探测阵列的波长编码和傅立叶变换来实现z轴即轴向扫描。轴向扫描的同时，通过样品扫描模块的某一方向的时序控制实现x方向的扫描，构成一个二维横断面图像(XZ)，然后通过样品扫描模块另一方向的时序控制实现y轴的扫描，从而构成一个三维扫描，图(b)表示OCT三维扫描投影到xoy平面上的扫描示意图。图(c)表示如何通过二维高速物镜前扫描模块15和二维电动运动模块16实现大范围的XY平面扫描，每次二维扫描振镜扫描结束，会触发二维电机沿X方向移动一段距离，该距离在数值上比二维振扫描镜在X方向上扫描的最大范围略小(推荐小5到10um)，当二维电机停止后，再立即触发二维扫描振镜进行下一次高速扫描，依照此方式交替进行直到扫描至样品沿X轴的另一边缘，然后步进电机回到扫描行的初始点并沿Y轴方向移动一段略小于二维振扫描镜在Y方向上扫描的最大范围(推荐小5到10um)的距离。扫描的行和列数由被扫描样品的边长和二维扫描振镜在X和Y方向扫描的最大范围决定。
[0078] 采用上述本发明系统进行支架打印的优化控制方法包括如下步骤：
[0079] (1)水凝胶支架的设计：
[0080] 采用SolidWorks软件或其他的计算机辅助生物设计软件，设计同一几何结构，孔隙尺寸作为变量的一组支架，标注支架的主要几何形态参数，按照其尺寸的不同分别定义其型号，并根据OCT图像分析实验、特殊设计限制实验来进行支架型号分组。
[0081] (2)生物三维打印水凝胶支架
[0082] 选择并制备好水凝胶生物墨水，测试水凝胶生物墨水的粘弹性，基于生物三维打印技术，根据水凝胶生物墨水的粘弹性，采用打印参数可控的生物三维打印设备，按照经验打印参数制造出上述设计支架模型，且每种支架模型至少制造5个样本。
[0083] (3)生物三维打印水凝胶支架的定量表征
[0084] 基于光学相干层析扫描的生物三维打印水凝胶支架定量可视化装置，在不接触样本的情况下实现对三维打印水凝胶支架整体的扫描成像，获取所有已制造且需要定量表征的水凝胶支架的三维OCT图像，对获取的OCT图像进行图像处理和定量分析，获取支架的形态参数，包括但不限于支架的孔隙尺寸、支撑尺寸、孔隙表面积、孔隙体积、孔隙率等形态参数。
[0085] (4)支架设计与制造结果的对比分析
[0086] 比较支架设计与实际制造结果间的差异，分析实际制造的水凝胶支架的形态参数与预设的孔隙尺寸之间的定量关联性，建立实际制造水凝胶支架形态参数与预设孔隙尺寸的经验公式，包括但不限于实际制造支架的孔隙尺寸、支撑尺寸、孔隙表面积、孔隙体积、孔隙率等形态参数，定量评价水凝胶三维打印过程的内在可控性。
[0087] (5)依据设计限制反馈控制三维打印水凝胶支架
[0088] 以上一步分析的设计与打印的形态差异反馈指导设计限制组水凝胶支架的生物三维打印，根据建立的经验公式设置新的设计限制条件，优化打印设备的打印参数，以获得预期的结构制造。
[0089] 图9给出第一次生物三维打印水凝胶支架的宏观图像、显微图像和OCT图像展示。
[0090] 由于OCT采集到的是一系列XZ横断面图像，但生物三维打印水凝胶支架一般沿着XY方向离散堆积的，为了定量评估采集到的OCT数据并分析支架微结构，首先需要通过体绘制算法将大范围矩阵扫描模块中的每个子模块(即振镜扫描模块完成一次扫描)采集到的XZ横断面OCT图像生成三维OCT图像，然后再利用特征点匹配算法将生成的三维子模块一行行一列列的进行三维拼接，从而得到支架的整体三维OCT图片，接着再利用切面重组算法从整体三维OCT图像中提取正前面(en face)XY方向序列图，并对en face序列图经过增强优化、背景去噪、图像分割、形态开闭操作等处理提取出每层图像中的孔结构以便计算出PS和StS，最后再将此孔结构进行三维重建以方便后续基于体图像的分析。图像处理流程如图10(a)所示，图10(b)为流程效果图。其中图A为OCT采集到的XZ横断面图像，通过体绘制三维重建得到图B，提取正前面(en face)XY方向序列图图C，图D代表原始的en face图像，通过第一步的增强优化，调整图像对比度、亮度和γ值以增强孔隙区域与支撑部分的对比度，从而生成如图E，对图E采用5×5中值滤波器进行低通滤波，以减少背景散斑噪声，获得图像F；图F经强度阈值分割得到孔和实体的二值化图像，图G中孔隙区域的像素值I＝1，其他支撑部分则是I＝0。可以看到图G中某些孔区域内存在黑点，我们对图H进行形态闭操作，以平滑目标物边界而不改变其面积，填充目标内的细小空洞，得到图I。其中PS和StS通过图像处理后的二维en face图像定量分析测量，而孔隙率(Volume Porosity，VP)、孔隙表面积(Pore Surface Area，PSA)和孔隙体积(Pore Volume，PV)是在重建的三维图像上量化分析得出。
[0091] 孔隙尺寸(PS)是指支架相邻支撑部分间距，可表示为：
[0092]
[0093] 其中b代表孔隙边界，s代表孔隙骨架。
[0094] 实体支撑尺寸(StS)是指相邻孔隙I，J边缘间的最短距离，可表示为：
[0095]
[0096] 孔隙率(VP)是指支架内部的孔隙体积(Vpore)占支架总体积(Vtotal)的百分率，可表示为：
[0097]
[0098] 其中孔隙体积(Vpore)和总体积(Vtotal)都是通过对三维重建后的OCT图像进行量化分析得到，以像素数量的形式呈现。
[0099] 孔隙表面积(PSA)是指孔隙部分的像素表面积值之和，可表示为：
[0100]
[0101] 其中g(xi,yj,zk)代表坐标为xi,yj,zk的像素表面积。
[0102] 孔隙体积(PV)是指孔隙部分的像素体积值之和，可表示为：
[0103]
[0104] 其中I(xi,yj,zk)代表坐标为xi,yj,zk的像素体积。
[0105] 所述的定量分析都是基于多个样本(n＝5)的测量，针对得出的测量结果使用方差分析法做统计分析，当数据差异性为p<0.05时认为有效。
[0106] 基于采集的OCT图像，定量分析平均孔隙尺寸(PS)、平均实体支撑尺寸(StS)、平均孔隙率(VP)、平均孔隙表面积(PSA)、平均孔隙体积(PV)这五个量化参数设计值与实测形态参数间的差异。其中所有定量表征结果都是基于对已选的6个设计几何结构重复打印5次的样品的测量。通过对比分析可以看出六种支架的实际PS值都小于预设值，而实际StS值则相对稳定，基本保持在250μm左右，但大于预设尺寸(210μm)。此外，还可看出StS值比预设值大，而实际PS、VP、PSA、PV值都偏小，表明StS的量化差异引起了其他四个形态参数的差异。分析StS增加，从而引起其他形态特性不匹配的原因主要包括以下几点：
[0107] (1)打印喷头针孔内直径定义了支架的支撑尺寸，但支架交联过程以及水凝胶固有的平衡溶胀效应都会导致实际支撑尺寸的增加。另一方面，水凝胶材料的粘弹性，打印时的XY方向行进速度、喷头推动气压、喷头及打印平台温度等打印参数的设置也会影响最终的出丝直径。
[0108] (2)支撑结构以90°构建，而以同一角度构建支架结构会导致支撑厚度的增加和支撑形状的波浪化。
[0109] (3)海藻酸钠与明胶的配比不同也会影响最后水凝胶材料的机械强度，水凝胶材料机械强度低会引起孔的坍塌。
[0110] 上述步骤完成三维生物打印设备在设定打印参数下打印出的实际结构与设计值的偏差原因分析，之后，需要测试时间因素是否会对打印支架的孔隙尺寸造成影响，两者结合是为了分析生物三维打印设备打印水凝胶支架是否具有批内和批间重复控制的可能性。可以设计基于OCT成像分析技术的对比实验来验证打印过程是否具有批间重复控制的可能，实验可以选定同一尺寸(如po700)，在五个时间点打印，然后测量每个时间点的孔隙尺寸，统计最小值与最大值间的差异，若测试结果显示两批次间最大差值小于20μm，可以认为打印支架的孔隙尺寸相对时间变化来讲是精确可控的，从而排除了时间因素对打印支架结构参数的影响。
[0111] 进一步分析打印出支架的PS、VP、PSA、PV相对设计PS的相关性，将打印出支架的PS、VP、PSA、PV通过多项式拟合的方式表示为各个参量与设计的PS的关联函数，若所打印支架的PS、VP、PSA、PV与设计的PS可以表示为一阶线性拟合函数，则打印水凝胶支架的实际形态结构参数与设计的PS有较好的线性关系，可以利用总结出的经验相关函数作为再次打印的输入函数来反馈调整支架的设计。利用经验相关函数反馈指导生物三维打印水凝胶支架再次制备预设孔径为300μm和700μm的多孔结构，制备出的支架的OCT图像和量化对比结果如图11所示。从图11(a)可以看出后者图像(XZ面、YZ面)水凝胶灰色区域的横截面柱高度一致且无粘连，具体表现在支架上为支架表面较平滑且保持了正方形的孔隙形状。同时对比前后volren图，分析得经改进后打印出的支架孔隙部分和实体支撑部分的形状与预设的形状一致，且没有出现相邻孔隙的粘连或堵塞。量化参数对比分析结果图11(b)表明相比第一次支架打印，改进后所打支架的预设值和测量值间的差异明显缩小，变化范围保持在1％—2％区间，充分证明了该方法能有效地降低水凝胶支架平均孔隙尺寸的不一致。
[0112] 本发明公开了一种三维打印水凝胶支架的优化控制系统与方法。基于光学相干层析扫描的生物三维打印水凝胶支架定量可视化系统可以定量表征生物三维打印水凝胶支架的整体和局域的形态结构特征，可以为支架优化设计、生物三维打印过程定量控制提供有力工具。本发明公开的一种三维打印水凝胶支架的优化控制系统与方法为改进生物3D打印技术、精准控制生物3D打印过程奠定了理论和技术基础，对推动具有功能的人工组织器官的制造具有重要意义。
[0113] 上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
