CN104552956B - 一种生物材料打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种洁净易用型生物材料打印喷头。该打印喷头包括喷头外壳、生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块、生物材料快速更换模块；生物材料挤出驱动模块从上至下依次包括高精度伺服电缸、电缸推杆、环形磁钢限位器、注射器推杆头，并同轴心设置；接触式控温模块包括半导体制冷片、外置流体冷却循环系统、固定压盖，半导体制冷片热端面与液冷头贴合，冷端面与固定压盖的内壁贴合；生物材料更换模块包括注射器、导冷套和保温套；固定压盖与导冷套的磁钢安装孔内设有磁极相异的磁钢。有益效果是采用半导体制冷片接触式传热和外置液冷冷却循环系统对半导体制冷片进行制冷，不仅能扩大生物材料温度控制范围，且具有对设备成型空间无扰动等优点。

Description

一种生物材料打印喷头

技术领域

本发明属于快速成型设备领域，涉及生物制造技术及生物三维打印技术，具体涉及一种洁净易用型生物材料打印喷头。

背景技术

生物三维打印是三维打印技术的一个分支，是三维打印技术在生物医学领域中的交叉应用。生物三维打印是以生物材料或活细胞进行三维打印，以构建复杂生物三维结构，如个性化植入体、可再生人工骨、体外细胞三维结构体、人工器官等。目前的技术主要包括喷墨打印、激光直写、静电喷射及微挤出等。一般采用微挤出式生物三维打印喷头将生物材料溶液或溶胶挤出或喷射出，并在一定环境下凝固成型。但目前的微挤出式生物三维打印喷头仍存在驱动方式不清洁、材料温度控制范围小且不稳定以及材料更换繁琐等缺点，导致生物材料易受到污染，细胞存活率低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种洁净易用型生物材料打印喷头，具有体积小巧，成本低，洁净化设计，控温稳定和易换材料等特点，有助于提高打印的生物材料成型质量，提高打印工作效率，以及提高打印细胞的存活率。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种洁净易用型生物材料打印喷头，包括喷头外壳、生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块、生物材料快速更换模块；

所述的喷头外壳上设有喷头支撑板；喷头支撑板的中间位置设有传感器盖板，并通过螺丝固定；喷头支撑板的下端位置开有一凹槽，作为液冷头底座，用于放置接触式控温模块中液冷头；

所述的传感器盖板与喷头支撑板之间设有霍尔传感器，霍尔传感器与环形磁钢限位器配合起到限制电缸推杆行程的作用；

所述的生物材料挤出驱动模块从上至下依次包括高精度伺服电缸、电缸推杆、环形磁钢限位器、注射器推杆头；高精度伺服电缸、电缸推杆、环形磁钢限位器和注射器推杆头同轴心设置；环形磁钢限位器、注射器推杆头的一端依次穿过电缸推杆，并螺纹连接；注射器推杆头的另一端下方设有注射器；

所述的高精度伺服电缸是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，具有全封闭紧凑结构、无尘运行、可稳定工作在潮湿凝露环境中等优点；高精度伺服电缸用于推动所述电缸推杆，进而由所述注射器推杆头沿轴线方向推动注射器活塞，挤出注射器内的生物材料；所述的环形磁钢限位器起到限制电缸推杆行程的作用。

所述的接触式控温模块包括多级制冷循环系统、固定压盖；所述的多级制冷循环系统包括半导体制冷片和外置流体冷却循环系统；所述的外置流体冷却循环系统采用外置液冷冷却循环系统，包括液冷头、泵、加热箱、膨胀箱、蒸发器、冷凝器、阀、压缩机和冷凝器等；所述的半导体制冷片的热端面与液冷头紧密贴合，通过循环的制冷液进行降温，半导体制冷片的冷端面与固定压盖的内壁紧密贴合，并通过固定压盖使得半导体制冷片、与液冷头固定设于喷头外壳的液冷头底座内；固定压盖的外壁与导冷套的某一外侧面紧密贴合；

所述的半导体制冷片的冷热两端面均需涂有一薄层导热硅脂；

所述的半导体制冷片也叫热电制冷片，具有占用空间小、可靠性高和无制冷剂污染等优点；

所述生物材料更换模块包括注射器、导冷套和保温套；所述的注射器设于导冷套内，导冷套内壁与注射器容器壁外壁紧密贴合；所述的保温套套在导冷套外部，起保温和防止凝露的作用，并通过螺钉固定连接；

所述的导冷套有不同的规格，能套进不同大小、无菌的注射器或特殊生物材料容器；

所述的固定压盖上设有多个磁钢安装孔，用于放置磁钢；所述的导冷套的与固定压盖相贴合外侧面同样设有磁钢安装孔，且与固定压盖的磁钢安装孔相对应；固定压盖与导冷套的磁钢安装孔内设有磁极相异的磁钢，由于它们的磁极相异会产生吸引，引导导冷套自动固定于固定压盖，具有清洁无死角和极易更换的优点。

本发明的有益效果为：

本发明包括生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块、生物材料更换模块，采用模块化设计，高度集成化，所设计的模块具有全封闭结构，无死角，易清洁，符合医用设备要求。驱动模块采用伺服电缸驱动的方式，较传统的电机加导轨等形式，不仅具有较高精度且更为清洁；接触式控温模块，采用半导体制冷片接触式传热和外置液冷冷却循环系统对半导体制冷片进行制冷，不仅能扩大生物材料温度控制范围，进行精确地温控，而且较传统的制冷方式具有占用空间小、无需制冷剂和对设备成型空间无扰动等优点；生物材料更换模块，采用磁力连接的形式，能在保证洁净的前提下实现生物材料的快速更换，极易操作。

本发明生物材料更换模块和接触式控温模块之间采用接触传热的方式控制成型温度，而非在生物材料更换模块中内置加热或制冷元器件来实现控温；生物材料更换模块和接触式控温模块之前仅通过磁力贴合在一起，靠金属导热控制温度，并没有电流或者流体的交换。此种实施方式的优势在于：生物材料更换模块的结构简单，便于快速替换不同材料，可以整体取下灭菌消毒，也可以让整个生物材料喷头的结构更加简洁，无死角，便于清洁。

附图说明

图1为本发明的爆炸视图；

图2为本发明的装配正视图；

图3为本发明中多级制冷循环系统的原理图；

图4为本发明左视图的局部爆炸图；

其中1为高精度伺服电缸，2为电缸推杆，3为环形磁钢限位器，4为注射器推杆头，5为注射器，6为导冷套，7为保温套，8为导冷套支撑块，9为传感器盖板，10为固定压盖，11为半导体制冷片，12为液冷头，13为，14为喷头支撑板，15为液冷头底座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、4所示，为本实施例提供的一种洁净易用型生物材料打印喷头，包括喷头外壳(13)、生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块、生物材料快速更换模块；

所述的喷头外壳(13)上设有喷头支撑板(14)；喷头支撑板(14)的中间位置设有传感器盖板(9)，并通过螺丝固定；喷头支撑板(14)的下端位置开有一凹槽，作为液冷头底座(15)，用于放置接触式控温模块中液冷头(12)；

所述的传感器盖板(9)与喷头支撑板(14)之间设有2个霍尔传感器，霍尔传感器与环形磁钢限位器(3)配合起到限制电缸推杆(2)行程的作用；

所述的生物材料挤出驱动模块从上至下依次包括高精度伺服电缸(1)、电缸推杆(2)、环形磁钢限位器(3)、注射器推杆头(4)；高精度伺服电缸(1)、电缸推杆(2)、环形磁钢限位器(3)和注射器推杆头(4)同轴心设置；环形磁钢限位器(3)、注射器推杆头(4)的一端依次穿过电缸推杆(2)，并螺纹连接；注射器推杆头(4)的另一端下方设有注射器(5)；

所述的高精度伺服电缸(1)是将伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，具有全封闭紧凑结构、无尘运行、可稳定工作在潮湿凝露环境中等优点；高精度伺服电缸(1)用于推动所述电缸推杆(2)，进而由所述注射器推杆头(4)沿轴线方向推动注射器(5)活塞，挤出注射器(5)内的生物材料；所述的环形磁钢限位器(3)起到限制电缸推杆(2)行程的作用。本实例采用了高精度伺服电缸(1)驱动，但本发明并不限于此，采用其它的具有高精度且清洁的驱动方式也在本发明的保护范围内。

所述的接触式控温模块包括多级制冷循环系统、固定压盖(10)；所述的多级制冷循环系统包括半导体制冷片(11)和外置流体冷却循环系统；所述的外置流体冷却循环系统采用外置液冷冷却循环系统，包括液冷头(12)、泵、加热箱、膨胀箱、蒸发器、冷凝器、阀、压缩机和冷凝器等；所述的半导体制冷片(11)的热端面与液冷头(12)紧密贴合，通过循环的制冷液进行降温，半导体制冷片(11)的冷端面与固定压盖(10)的内壁紧密贴合，并通过固定压盖(10)使得半导体制冷片(11)、与液冷头(12)固定设于喷头外壳(13)的液冷头底座(15)内；固定压盖(10)的外壁与导冷套(6)的某一外侧面紧密贴合；

所述的半导体制冷片(11)的冷热两端面均需涂有一薄层导热硅脂；

所述的半导体制冷片(11)也叫热电制冷片，具有占用空间小、可靠性高和无制冷剂污染等优点；

如图3所示，是本实例采用的多级制冷原理图。外置的液冷冷却循环系统通过制冷剂循环和导热液循环为液冷头(12)循环提供恒定温度的制冷液，进而带走半导体制冷片(11)热端的热量。值得注意的是：导冷套(6)和固定压盖(10)均具有良好的导热性，半导体制冷片(11)的冷热两端面均需涂一薄层导热硅脂，保证其导热性良好。本实例采用的是外置液冷冷却循环系统对半导体热端进行降温，但本发明并不限于此，采用其它外置冷却循环系统进行降温也在本发明保护范围内。

所述生物材料更换模块包括注射器(5)、导冷套(6)和保温套(7)；所述的注射器(5)设于导冷套(6)内，导冷套(6)内壁与注射器(5)容器壁外壁紧密贴合，传递热量对注射器(5)进行降温，并在导冷套(6)外安装了保温套(7)进行保温，确保注射器(5)内的生物材料温度恒定；

所述的导冷套(6)有不同的规格，能套进不同大小、无菌的注射器(5)或特殊生物材料容器；

所述的固定压盖(10)上设有多个磁钢安装孔，用于放置磁钢；所述的导冷套(6)的与固定压盖(10)相贴合外侧面同样设有磁钢安装孔，且与固定压盖(10)的磁钢安装孔相对应；固定压盖(10)与导冷套(6)的磁钢安装孔内设有磁极相异的磁钢，由于它们的磁极相异会产生吸引，引导导冷套(6)自动固定于固定压盖(10)，具有清洁无死角和极易更换的优点。本实例采用的是磁力来固定储存注射器(5)的导冷套(6)，但本发明并不限于此，采用其它外力方式固定也在本发明的保护范围内。

导冷套支撑块8的作用是辅助固定导冷套(6)；喷头支撑板14的作用是为所述生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块和生物材料更换模块提供安装接口，以及为本专利所述的生物三维打印喷头提供安装至相关打印设备的安装接口。

工作过程：

启动接触式控温模块直至温度稳定在一定范围内，接着将装有生物材料的注射器(5)装入导冷套(6)中，驱动高精度伺服电缸(1)推动电缸推杆(2)，进而通过注射器推杆头(4)推动注射器(5)的活塞挤出生物材料进行打印。

以上的内容只属于本发明的具体实例，其它与本发明原理相似的喷头均在该专利的保护范围内。

Claims (5)

1.一种生物材料打印喷头，其特征在于包括喷头外壳、生物材料挤出驱动模块、接触式控温模块、生物材料快速更换模块；

所述的喷头外壳上设有喷头支撑板；喷头支撑板的中间位置设有传感器盖板，并通过螺丝固定；喷头支撑板的下端位置开有一凹槽，作为液冷头底座，用于放置接触式控温模块中液冷头；

所述的生物材料挤出驱动模块从上至下依次包括伺服电缸、电缸推杆、环形磁钢限位器、注射器推杆头，并同轴心设置；环形磁钢限位器、注射器推杆头的一端依次穿过电缸推杆，并螺纹连接；注射器推杆头的另一端下方设有注射器；

所述的接触式控温模块包括多级制冷循环系统、固定压盖；所述的多级制冷循环系统包括半导体制冷片和外置流体冷却循环系统；所述的外置流体冷却循环系统采用液冷冷却循环系统，包括液冷头、泵、加热箱、膨胀箱、蒸发器、冷凝器、阀、压缩机和冷凝器；所述的半导体制冷片的热端面与液冷头紧密贴合，冷端面与固定压盖的内壁紧密贴合，并通过固定压盖使得半导体制冷片、与液冷头固定设于喷头外壳的液冷头底座内；固定压盖的外壁与导冷套的某一外侧面紧密贴合；

所述的生物材料更换模块包括注射器、导冷套和保温套；所述的注射器设于导冷套内，导冷套内壁与注射器容器壁外壁紧密贴合；所述的保温套套在导冷套外部，起保温和防止凝露的作用，并通过螺钉固定连接。

2.如权利要求1所述的一种生物材料打印喷头，其特征在于所述的传感器盖板与喷头支撑板之间设有霍尔传感器，霍尔传感器与环形磁钢限位器配合起到限制电缸推杆行程的作用。

3.如权利要求1所述的一种生物材料打印喷头，其特征在于所述的生物材料更换模块和接触式控温模块之间采用接触传热的方式控制成型温度，而非在生物材料更换模块中内置加热或制冷元器件来实现控温；生物材料更换模块和接触式控温模块不仅通过磁力贴合在一起，靠金属导热控制温度，且可通过电流或流体的交换控制温度。

4.如权利要求1所述的一种生物材料打印喷头，其特征在于所述的半导体制冷片的冷热两端面均需涂有一薄层导热硅脂。

5.如权利要求1所述的一种生物材料打印喷头，其特征在于所述的固定压盖上设有多个磁钢安装孔，用于放置磁钢；所述的导冷套的与固定压盖相贴合外侧面同样设有磁钢安装孔，且与固定压盖的磁钢安装孔相对应；固定压盖与导冷套的磁钢安装孔内设有磁极相异的磁钢。