CN104826762B - 一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头。该喷头包括喷头架、喷头绝热块、多个能实现不同功能的喷头单元，喷头单元包括喷头外壳、控温模块、储存架绝热块、喷头储存架；喷头绝热块、储存架绝热块上分别设有第一、第二圆柱形失电型电磁铁，且设弹簧触头；喷头外壳上设与弹簧触头相配合的弹簧触点。当放置喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔分离；当取出喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔连接，同时完成弹簧触头与弹簧触点的连接，实现供电与信号的传输与反馈。本发明气体驱动过程具有更高精度且更为清洁稳定；控温模块不仅能扩大打印温度控制范围，具有占用空间小、无需制冷剂和对设备成型空间无扰动优点。

Description

一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头
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，具体涉及一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头。
背景技术
细胞三维受控组装是在组织器官的解剖学数字模型直接驱动下，定位装配活细胞/材料单元，制造组织或器官前体的新技术，为体外构建复杂组织器官提供了全新的可能。器官是由不同细胞组成并具有复杂微观结构的三维结构体，因此多细胞组装技术成为发展细胞组装技术的关键。由于细胞打印工艺的限制，目前的细胞三维打印技术大多为操作单种成分的细胞和材料来构建较为简单的结构体，仅局限于某些组织，如骨、皮肤和肌腱等。
发明内容
本发明的目的是实现多种细胞/多种生物材料三维空间的精确定位组装，提出一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头，具有微动力，高柔性，易于实现多喷头的扩展和控制，清洁易用，适用材料范围广等特点，有助于提高细胞的成型质量和存活率。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头包括喷头架、喷头绝热块、多个能实现不同功能的喷头单元；
所述的喷头架朝向喷头单元一侧设有两个或两个以上的第一圆柱形失电型电磁铁；同时喷头架上还设有气缸、压缩气瓶、输气管、比例阀、第一气管接头，压缩气瓶中的压缩空气通过连接在压缩气瓶上的输气管与比例阀的进气口相连接，比例阀用于控制输出气体的压强；比例阀的出气口通过输气管与带有截止阀的第一气管接头相连接；
所述的喷头绝热块穿过喷头架的第一圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头单元一侧设有若干弹簧触头；
所述的喷头单元主要包括喷头外壳、控温模块、储存架绝热块、喷头储存架；
所述的喷头储存架位于喷头外壳的另一侧，用于储存各种具有不同功能或装有不同种细胞/不同种生物材料的喷头；所述的喷头储存架朝向喷头外壳面设有与相接触磁铁定位孔相配合的两个或两个以上第二圆柱形失电型电磁铁；
所述的储存架绝热块穿过喷头储存架的第二圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头外壳一侧设有若干弹簧触头，实现电与信号的连接与断开；
所述的喷头外壳为中空结构，分别朝向喷头绝热块和储存架绝热块的两外侧面均设有与圆柱形失电型电磁铁相配合的磁铁定位孔，且同时设有分别与喷头绝热块和储存架绝热块上弹簧触头相配合的弹簧触点，当弹簧触头与弹簧触点相接触时不仅起到供电的作用，也实现信号的传输与反馈；喷头外壳上设有第二气管接头与第三气管接头，第二气管接头与喷头架的第一气管接头相适应，使得第二气管接头穿过喷头绝热块可插入第一气管接头内；第二气管接头与第三气管接头通过喷头外壳内的通道相互连通；第三气管接头通过输气管与设于喷头外壳内的专用料筒连接；由气缸、第一气管接头、第二气管接头与第三气管接头构成电气自动切换模块，在更换喷头时启动，电气自动切换模块能快速准确地实现喷头的电气分离/连接。
所述的控温模块包括半导体制冷片、外置流体冷却循环系统、设于喷头外壳内的导冷套；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；半导体制冷片的热端面与设于喷头外壳内的液冷头紧密贴合，冷端面裸露；由于专用料筒设于导冷套内，且专用料筒容器壁外壁与导冷套内壁紧密贴合，通过导冷套传递热量对专用料筒进行降温；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；外置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循环提供恒定温度的制冷液，进而带走半导体制冷片热端的热量。
所述的第一、第二圆柱形失电型电磁铁断电时具有磁性，通电时失去磁性，用于支撑和定位喷头。
本发明喷头电气自动切换的中间过程如下：当放置喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔分离；当取出喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔连接，与此同时，完成弹簧触头与弹簧触点的连接，实现供电与信号的传输与反馈。气路切换则是通过气缸来完成。本发明采用磁力来实现电自动切换，气缸来实现气路切换。
本发明装置气体驱动的实现过程是：压缩气瓶中装有洁净的压缩气体，压缩气体通过输气管输送；比例阀能稳定地控制输入到专用料筒中的气体压强，稳定压强的气体通过第一气管接头进入第二气管接头、第三气管接头，最终输入专用料筒中，进而稳定地控制多种细胞/多种生物材料的挤出速度；所述的专用料筒中装有细胞或生物材料，通过一定压力的气体将其挤出进而实现多种细胞/多种生物材料组装。
本发明的有益效果为：
本发明包括喷头架、喷头绝热块、多个能实现不同功能的喷头单元，能实现多种细胞/多种生物材料三维空间的精确定位组装。本发明气体驱动过程较传统的推杆挤出的打印方式，不仅具有更高的精度且更为清洁稳定；控温模块不仅能扩大打印温度控制范围，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；喷头电气自动切换过程能快速可靠地实现喷头的电气分离/连接，进而实现打印喷头的快速更换；喷头储存架能够存储具有不同功能的喷头或装有不同细胞/材料的喷头，具有很好的扩展性，能针对不同的用户提供不同的扩展模块。
附图说明
图1为本发明的部分装配体爆炸视图；
图2为本发明气体驱动模块的原理图；
图3为本发明中多级制冷循环系统的原理图；
图4为本发明喷头更换过程图；
图5为本发明的总装配图及部分零件的等轴测视图。
其中喷头架1、气缸1-1、第一气管接头1-2、喷头绝热块2、喷头外壳3、第二气管接头3-1、第三气管接头3-2、磁铁定位孔3-3、储存架绝热块4、喷头储存架5、半导体制冷片6、第一磁铁孔6-1、端盖7、第二磁铁孔7-1、弹簧触头8、弹簧触点9。
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。
本发明一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头包括喷头架、绝热架、多个能实现不同功能的喷头单元；
如图1、4、5所示，所述的喷头架1朝向喷头单元一侧设有两个或两个以上的第一圆柱形失电型电磁铁；同时喷头架1上还设有气缸、压缩气瓶、输气管、比例阀、第一气管接头1-2，压缩气瓶中的压缩空气通过连接在压缩气瓶上的输气管与比例阀的进气口相连接，比例阀用于控制输出气体的压强；比例阀的出气口通过输气管与带有截止阀的第一气管接头1-2相连接；
所述的喷头绝热块2穿过喷头架1的第一圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头单元一侧设有若干弹簧触头8；
所述的喷头单元主要包括喷头外壳3、控温模块、储存架绝热块4、喷头储存架5；
所述的喷头储存架5位于喷头外壳3带有磁铁定位孔的另一侧，用于储存各种具有不同功能或装有不同种细胞/不同种生物材料的喷头；所述的喷头储存架5朝向喷头外壳3面设有与相接触磁铁定位孔相配合的两个或两个以上第二圆柱形失电型电磁铁；
所述的储存架绝热块4穿过喷头储存架5的第二圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头外壳3一侧设有若干弹簧触头8，实现电与信号的连接与断开；
所述的喷头外壳3为中空结构，分别朝向喷头绝热块2和储存架绝热块4的两外侧面均设有与圆柱形失电型电磁铁相配合的磁铁定位孔3-3，且同时设有分别与喷头绝热块2和储存架绝热块4上弹簧触头8相配合的弹簧触点9，当弹簧触头与弹簧触点相接触时不仅起到供电的作用，也实现信号的传输与反馈；喷头外壳3上设有第二气管接头3-1与第三气管接头3-2，第二气管接头3-1与喷头架1的第一气管接头1-2相适应，使得第二气管接头3-1穿过喷头绝热块2可插入第一气管接头1-2内；第二气管接头3-1与第三气管接头3-2通过喷头外壳3内的通道相互连通；第三气管接头3-2通过输气管与设于喷头外壳3内的专用料筒连接；由气缸1-1、第一气管接头1-2、第二气管接头3-1与第三气管接头3-2构成电气自动切换模块，在更换喷头时启动，电气自动切换模块能快速准确地实现喷头的电气分离/连接。
所述的失电型电磁铁断电时具有磁性，通电时失去磁性，用于支撑和定位喷头。
如图3所示，所述的控温模块采用申请号为201510038695.7发明专利所述的控温方式，包括半导体制冷片、外置流体冷却循环系统、设于喷头外壳内的导冷套；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；半导体制冷片的热端面与设于喷头外壳内的液冷头紧密贴合，冷端面裸露；由于专用料筒设于导冷套内，且专用料筒容器壁外壁与导冷套内壁紧密贴合，通过导冷套传递热量对专用料筒进行降温；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；外置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循环提供恒定温度的制冷液，进而带走半导体制冷片热端的热量。
所述的导冷套也叫热电制冷片，具有占用空间小、可靠性高和无制冷剂污染等优点；同时具有良好的导热性，半导体制冷片的冷热两端面均需涂一薄层导热硅脂，保证其导热性良好。所述导冷套用于装夹专用料筒并起到导热的作用，控制专用料筒的温度。
在实施例中发现当半导体制冷片6与打印平台或储存架分离后容易产生凝露现象，优选地，在半导体制冷片6的冷端面外加装了端盖7，其中所述的冷端面边沿设有若干第一磁铁孔6-1，所述的端盖边沿设有与第一磁铁孔6-1相对应的第二磁铁孔7-1，且第一磁铁孔、第二磁铁孔内均设有同性磁铁。当非工作状态时，磁铁同性相斥，又由于绝热板对端盖的限制，使得半导体制冷片与端盖之间有1mm左右的间隙，进而隔绝了热量的传递，有效抑制了凝露现象的发生。
本发明喷头电气自动切换的中间过程如下：当放置喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔分离；当取出喷头时，第一圆柱形失电型电磁铁与磁铁定位孔连接，与此同时，完成弹簧触头与弹簧触点的连接，实现供电与信号的传输与反馈。气路切换则是通过气缸1-1来完成。本实例采用磁力来实现电自动切换，气缸来实现气路切换，但本发明并不限于此，采用其它方式实现电气自动切换也在本发明的保护范围内。
如图2所示，本发明装置气体驱动的实现过程是：压缩气瓶中装有洁净的压缩气体，压缩气体通过输气管输送；比例阀能稳定地控制输入到专用料筒中的气体压强，稳定压强的气体通过第一气管接头进入第二气管接头、第三气管接头，最终输入注射器，由注射器进入专用料筒中，进而稳定地控制多种细胞/多种生物材料的挤出速度；所述的专用料筒中装有细胞或生物材料，通过一定压力的气体将其挤出进而实现多种细胞/多种生物材料组装。本实例的输入气体为氮气，但本发明并不限于此，采用其它的清洁气体也在本发明的保护范围内。
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 (4)

1.一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头，其特征在于包括喷头架、喷头绝热块、多个能实现不同功能的喷头单元；
所述的喷头架朝向喷头单元一侧设有两个以上的第一圆柱形失电型电磁铁；同时喷头架上还设有气缸、压缩气瓶、输气管、比例阀、第一气管接头，压缩气瓶中的压缩空气通过连接在压缩气瓶上的输气管与比例阀的进气口相连接，比例阀用于控制输出气体的压强；比例阀的出气口通过输气管与带有截止阀的第一气管接头相连接；
所述的喷头绝热块穿过喷头架的第一圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头单元一侧设有若干弹簧触头；
所述的喷头单元主要包括喷头外壳、控温模块、储存架绝热块、喷头储存架；
所述的喷头储存架位于喷头外壳的另一侧，用于储存各种具有不同功能或装有不同种细胞/不同种生物材料的喷头；所述的喷头储存架朝向喷头外壳面设有与相接触磁铁定位孔相配合的两个以上第二圆柱形失电型电磁铁；
所述的储存架绝热块穿过喷头储存架的第二圆柱形失电型电磁铁，且朝向喷头外壳一侧设有若干弹簧触头，实现电与信号的连接与断开；
所述的喷头外壳为中空结构，分别朝向喷头绝热块和储存架绝热块的两外侧面均设有与圆柱形失电型电磁铁相配合的磁铁定位孔，且同时设有分别与喷头绝热块和储存架绝热块上弹簧触头相配合的弹簧触点，当弹簧触头与弹簧触点相接触时不仅起到供电的作用，也实现信号的传输与反馈；喷头外壳上设有第二气管接头与第三气管接头，第二气管接头与喷头架的第一气管接头相适应，使得第二气管接头可插入第一气管接头内；第二气管接头与第三气管接头通过喷头外壳内的通道相互连通；第三气管接头通过输气管与设于喷头外壳内的专用料筒连接；由气缸、第一气管接头、第二气管接头与第三气管接头构成电气自动切换模块，在更换喷头时启动，电气自动切换模块能快速准确地实现喷头的电气分离/连接。
2.如权利要求1所述的一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头，其特征在于所述的所述的第一、第二圆柱形失电型电磁铁断电时具有磁性，通电时失去磁性，用于支撑和定位喷头。
3.如权利要求1所述的一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头，其特征在于所述的控温模块包括半导体制冷片、外置流体冷却循环系统、设于喷头外壳内的导冷套；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；半导体制冷片的热端面与设于喷头外壳内的液冷头紧密贴合，冷端面裸露；由于专用料筒设于导冷套内，且专用料筒容器壁外壁与导冷套内壁紧密贴合，通过导冷套传递热量对专用料筒进行降温；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；外置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循环提供恒定温度的制冷液，进而带走半导体制冷片热端的热量。
4.如权利要求3所述的一种独立切换型多种细胞/多种生物材料组装喷头，其特征在于在半导体制冷片的冷端面外加装了端盖，其中所述的冷端面边沿设有若干第一磁铁孔，所述的端盖边沿设有与第一磁铁孔相对应的第二磁铁孔，且第一磁铁孔、第二磁铁孔内均设有同性磁铁。
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