近半个世纪以来生物医学光学影像技术蓬勃发展,光学成像、测量技术和数据分析算法方面的创新需要可靠的测试和校准方法,解决这一问题的基本方法是用标准生物光学仿体。生物光学仿体作为测试对象用来校准和验证光学系统,可复制且可溯源的标准光学仿体甚至可以代替人类个体来测试生物光学系统。然而目前使用的均质仿体缺乏生物学关联,不能反映生物组织的真实特性。此外,由于实际生物组织的结构和功能特性的动态变化以及高度的个异性,用均质仿体标定的光学系统来测量非均质生物组织会产生误差。因此,开发能够模拟生物组织结构、功能和光学特性的数字和实物仿体,建立稳定的和可追踪的光学测量参考标准有极大的需求,是实现光学影像可溯源标准化的关键。三维打印技术可以通过对材料的逐层自由打印制备稳定而且重复性高的非均质仿体,为实现这一广阔的应用前景,需要研究能够模拟生物组织结构功能特性的仿生材料及制备工艺。本文针对生物光学仿体的三维打印制备系统的研发,从宏观和微观两种尺度上模拟复杂皮肤组织的结构、功能和光学特征。对皮肤光学仿体材料选择和仿体制备技术做了深入研究。论文的主要研究内容如下:(1)研发能够模拟皮肤表层微结构的仿体。对志愿者皮肤复制品处理得到二维图像,图像分割处理将纹理特征简化成二维图形,首次使用光刻的方法将纹理特征复制到硅片表面的SU8胶上,后将SU8图形作为模具,浇筑得到具有表面纹理的聚二甲基硅氧烷(PDMS)仿体。表征的仿体表面轮廓结构在正常皮肤参数范围内,探究了光学仿体漫反射率值与表面轮廓粗糙度变化的关系,为三维打印多层皮肤组织仿体的表皮层做准备。(2)设计并制备能够模拟皮肤真皮层血氧功能的仿体。开发了基于同轴流动聚焦方法包裹血红蛋白微胶囊的工艺,选择特定光固化材料包裹血红蛋白形成壳核结构,血红蛋白微胶囊能实现与纯化血红蛋白相似的气体结合能力和氧结合能力,包裹过程提高了血红蛋白的使用稳定性,包裹的血红蛋白微胶囊可以成为模拟血红蛋白材料的参考标准。用血红蛋白微胶囊与PDMS混合制备的固态仿体具有长达6个月的光学稳定性,本研究制备的血红蛋白仿体对光学仪器的研发、光谱方法和模型验证工作都具有重大意义。(3)设计并制备了能够模拟皮肤结构和功能的多层组织仿体。搭建了整合旋涂、熔融沉积成型和光固化喷墨打印技术为一体的生物光学仿体三维打印系统,开发了打印系统集成软件,系统存储关于皮肤的结构、光学和功能信息的“数字光学仿体”,通过控制算法完成“数字光学仿体”与系统控制参数的转变。通过协同控制三维移动平台、喷头以及供料系统完成了多层皮肤组织仿体的打印,其可以模拟皮肤组织多层、多尺度以及动态的结构功能分子特性。改进了商用熔融沉积成型打印机,打印了简化后的血管通道,血管材料为光敏聚合物混合血红蛋白微颗粒,实现快速制备具有血氧功能的光学仿体。生物光学仿体三维打印系统可以为生物光学影像标准化的研究提供多模态可溯源仿体。