CN103587119B - 生物材料三维成形设备及其挤出喷头 - Google Patents

生物材料三维成形设备及其挤出喷头 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种生物材料三维成形设备及其挤出喷头，其特征在于：包括材料挤出驱动单元和挤出前温控单元，所述挤出前温控单元包括导热套、发热体和半导体制冷系统，所述半导体制冷系统包括半导体制冷片；所述导热套用于固定装有生物材料的注射器且固定后导热套内表面与注射器的容器壁相接触，所述发热体与所述导热套导热连接，所述半导体制冷片固定在所述导热套的外表面切冷效应面紧贴所述导热套；所述材料挤出驱动单元用于推动固定于所述导热套内的注射器的活塞，以挤出所述注射器内的生物材料。本发明相比于现有技术能够获得更好的成形效果。

Description

生物材料三维成形设备及其挤出喷头
技术领域
本发明涉及生物制造技术及生物材料三维打印，尤其是涉及生物材料三维成形设备及其挤出喷头。
背景技术
生物三维打印或生物材料快速成形是将生物材料或细胞挤出或喷射至特殊的成形环境中，采用层层堆积制造的方法制造组织工程支架或细胞三维结构体。在该技术中，用于生物材料挤出或喷射的喷头是关键的组成部分。生物材料一般可以配置成溶液或溶胶，液态的生物材料溶液在压缩气体、活塞推动、螺杆挤出或压电晶体等的作用下被挤出或喷射，在特殊的环境下（如冷却降温和含有交联剂的介质环境等）凝固或固化。
成形环境对于生物材料的成形性能具有重要的影响，为获得优良的成形效果，现有技术采用加热、添加交联剂等方式优化材料挤出后的成形环境。然而，现有的生物材料三维成形技术仍然存在材料温度控制范围小，仅能加热至高于室温的温度，限制了材料的粘度调节范围，导致成形效果不理想。
发明内容
生物材料可以被配置成溶液，如合成聚合物PLLA、PLGA、PCL等可溶于1,4二氧六环等有机溶剂，水凝胶材料明胶、海藻酸钠、胶原等可溶于水和稀酸溶液等制备成液态溶胶。本发明人经研究发现，这些溶液或溶胶除却对挤出后的成形环境温度具有特定的要求外，影响其成形效果的因素更包括挤出前和挤出过程中的黏度/温度以及挤出前后的黏度/温差变化。通过改变生物材料挤出前的温度以改变其在挤出时的粘度以及挤出前后的温差，能够影响甚至完全改变生物材料的可成型行(可成形性)，而且可优化挤出材料微丝单元宽度、控制流延性能、降低挤出力等，从而提高成型成功率。更有些生物材料，需要在低于室温的环境下才能够获得优良的挤出成形性能。
基于上述研究，本发明提出一种生物材料三维成型设备的挤出喷头以及采用该喷头的设备，以提高生物材料挤出成型性能及挤出过程的可控性。
本发明通过下述手段解决前述技术问题：
一种生物材料三维成形设备的挤出喷头，包括材料挤出驱动单元和挤出前温控单元，所述挤出前温控单元包括导热套、发热体和半导体制冷系统，所述半导体制冷系统包括半导体制冷片；
所述导热套用于固定装有生物材料的注射器且固定后导热套内表面与注射器的容器壁相接触，所述发热体与所述导热套导热连接，所述半导体制冷片固定在所述导热套的外表面且冷效应面紧贴所述导热套；
所述材料挤出驱动单元用于推动固定于所述导热套内的注射器的活塞，以挤出所述注射器内的生物材料。
优选地：
所述材料挤出驱动单元包括：驱动电机、直线导轨和注射器推进杆，所述直线导轨与所述导热套的轴心同轴，所述注射器推进杆安装在所述直线导轨的滑块上，所述驱动电机用于推动所述注射器推进杆沿所述直线导轨滑动，所述注射器推进杆进而推动固定于所述导热套内的注射器的活塞以挤出所述注射器内的生物材料。
所述半导体制冷系统还包括水冷子系统，该水冷子系统包括水冷板、水箱、水泵和水冷散热排，所述水冷板紧贴所述半导体制冷片的热效应面，水冷板的入水口与水泵的出水口相连，所述水泵的入水口位于所述水箱中，所述水冷板的出水口通过输水管道连接至所述水箱中，所述水冷散热排设置在所述输水管道上用于对输水管道中的水进行散热。
所述导热套为导热金属套。
所述导热金属套为导热铜套或导热铝套。
所述驱动电机为步进电机。
一种生物材料三维成形设备，包括前述任意一项所述的挤出喷头。
与现有技术相比，本发明的喷头利用导热套同时作为注射器的固定装置和向注射器导热的导热装置，然后利用发热体对导热套进行加热，利用半导体制冷片对导热套进行制冷，从而实现对挤出前和挤出过程中的生物体材料的温度／黏度进行准确控制。而本发明采用的半导体制冷片而且相对于传统的风冷、液氮、干冰等制冷方式，不仅能够精确地进行温控，而且不会引起挤出头的震动，对成形精度无负面影响。对喷头制冷也可采用其他制冷方式，如风冷、液氮、干冰、压缩制冷等，然而风冷无法将喷头降至所要求的温度，液氮、干冰等制冷方式需要引入制冷剂，而且难以实现精确的温度控制，压缩机制冷的方式则要占用较大的体积，不适合用所要求的在较小的空间范围实现制冷，而本发明所提出的制冷型喷头则有效解决上了上述问题，能够在较小的空间范围内实现喷头的冷却，实现精确控温。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式提供的制冷型生物材料挤出喷头的结构示意图；
图2是图1的侧视图；
图3是水冷子系统的结构示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
本实施例提供的一种生物材料三维成型设备，其包括注射器形式的挤出喷头，该喷头设有挤出驱动单元以及挤出前温控单元．
如图1、2所示，本实施例的挤出驱动单元包括并排设置的多个，每个挤出驱动单元对应可安装一个装有生物材料的医用无菌注射器，挤出驱动单元通过推动注射器的活塞以挤出注射器所装的生物材料进行打印。本实施例的挤出驱动单元包括驱动电机1、注射器推进杆2、直线导轨3和滑块4；注射器推进杆2通过滑块4安装在直线导轨3上，从而能够与滑块4一同在直线导轨3的导向下移动；驱动电机1用于推动注射器推进杆2。参见图1，图1中左侧的注射器推进杆为处于其尚未被推进而处于最上端的工作位，而右侧的注射器推进杆则处于已经将注射器的活塞推至生物材料全部挤出的最下端的工作位。本实施例的直线导轨3采用丝杆，而滑块4则为与丝杆相匹配的丝杆螺母，但本发明并不限于前述方式，本领域技术人员可采用其所熟知的现有各种形式的导轨；所属驱动电机优选为步进电机。
如图1－3所示，本实施例的挤出前温控单元包括导热套6、发热体（图中未示出）和包括半导体制冷片7的半导体制冷系统，该半导体制冷系统还包括包括由水冷板8、水箱12、水泵11和水冷散热排13组成的水冷子系统。导热套6优选为环形的金属筒结构，其用于固定装有生物材料的注射器5且固定后导热套6内表面与注射器5的容器壁相接触；发热体与导热套6导热连接，用于在生物材料需要加热时加热导热套6；半导体制冷片7固定在所述导热套的外表面切冷效应面紧贴所述导热套，用于在生物材料需要降温时制冷导热套6。所述水冷子系统利用循环水对半导体制冷片的热效应面进行散热，水冷板8包括入水口9和出水口10，水冷板的入水口9与水泵的出水口14连接、出水口10通过输水管道15连接至水箱12，水冷散热排13设置在输水管道15上，用于对输水管道中的水进行散热。
作为一种优选的方式，所属半导体制冷系统还可包括测温探头和温控器，用于实时监控导热套的温度及控制半导体制冷片和发热体的工作。
本发明的导热套优选导热性能优良的铜套或铝套。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种生物材料三维成形设备的挤出喷头，其特征在于：包括材料挤出驱动单元和挤出前温控单元，所述挤出前温控单元包括导热套、发热体和半导体制冷系统，所述半导体制冷系统包括半导体制冷片；
所述导热套用于固定装有生物材料的注射器且固定后导热套内表面与注射器的容器壁相接触，所述发热体与所述导热套导热连接，所述半导体制冷片固定在所述导热套的外表面且冷效应面紧贴所述导热套；
所述材料挤出驱动单元用于推动固定于所述导热套内的注射器的活塞，以挤出所述注射器内的生物材料；
所述半导体制冷系统还包括水冷子系统，该水冷子系统包括水冷板、水箱、水泵和水冷散热排，所述水冷板紧贴所述半导体制冷片的热效应面，水冷板的入水口与水泵的出水口相连，所述水泵的入水口位于所述水箱中，所述水冷板的出水口通过输水管道连接至所述水箱中，所述水冷散热排设置在所述输水管道上用于对输水管道中的水进行散热。
2.根据权利要求1所述的挤出喷头，其特征在于：所述材料挤出驱动单元包括：驱动电机、直线导轨和注射器推进杆，所述直线导轨与所述导热套的轴心同轴，所述注射器推进杆安装在所述直线导轨的滑块上，所述驱动电机用于推动所述注射器推进杆沿所述直线导轨滑动，所述注射器推进杆进而推动固定于所述导热套内的注射器的活塞以挤出所述注射器内的生物材料。
3.根据权利要求1所述的挤出喷头，其特征在于：所述导热套为导热金属套。
4.根据权利要求3所述的挤出喷头，其特征在于：所述导热金属套为导热铜套或导热铝套。
5.根据权利要求2所述的挤出喷头，其特征在于：所述驱动电机为步进电机。
6.一种生物材料三维成形设备，其特征在于：包括权利要求1-5任意一项所述的挤出喷头。
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