CN104827672B - 一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3d打印喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头,包括至少两组挤出成形喷头单元，每组挤出成形喷头单元的结构相同，包括下壳体、上壳体、旋盖、活塞、压缩弹簧、料筒、开启阀、快插接头和针头。本发明的多个喷头可以在垂直方向上用一个电机和相应传动装置来控制沉积高度。而多个喷头单元利用挤出的气动压力本身来驱动喷头单元内部组件的向下运动∆h,将工作的喷头从其他喷头中选出。这样，既避免其他喷头对工作成形面的干扰，也大大简化系统结构，降低成本。

Description

一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头

技术领域

本发明涉及一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，用于细胞和生物材料打印，属于组织工程技术和生物3D打印领域。

背景技术

对于受损大块软组织及内脏器官的治疗，人体组织器官移植是一种极为有效的治疗方法。但是由于器官供体来源短缺、免疫排斥等问题存在，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难。而组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就组织工程良好发展前景的有效例证。

传统组织工程研究一直受限于细胞植入技术，即“将细胞植入到支架上”这一组织工程固有技术环节中，无法将不同种类的细胞和生物材料精确定位到支架内部不同空间位置。实际上，随着组织工程研究的推进，研究工作逐步向大块软组织及内脏器官方面延生，由于这些组织和器官往往含有多种细胞和生物材料，而不同细胞或材料又具有特定的空间排布，因此上述技术局限性更加凸显。

近几年来，3D打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。在生物领域内，生物打印、细胞三维受控组织等技术也应用而生。这些技术具有操作单个细胞或单成分微小尺寸液滴的能力，可以精确控制操作对象的空间位置和分布，对于实现大块组织和器官构建过程中不同种细胞和生物材料的空间位置沉积有着巨大的意义。因此，开发生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势。而在一个典型的生物打印机中，关键部件之一就是成形喷头。

为了满足大块软组织和内脏器官的多种细胞和材料的构建要求，需要开发一种多材料成形喷头。多材料成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料或细胞。打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。为解决这种问题，韩国浦项大学Dong-Woo Cho教授团队开发的多喷头组织/器官制造系（MtoBS），其喷头部分集成6组喷头，其中4组为气动挤出成形喷头，4组位活塞挤出成形喷头。为了区分喷头工作和待命两种状态，每组喷头配备一个驱动电机，通过传动机构将即参与工作的整个喷头组件下放到适合高度，利用高度差与其他待命状态喷头区分开，可以有效避免待命喷头在打印过程中对成形面干扰的情况。但由于施加驱动装置过多，其系统相对复杂，成本较高，并且不具有可扩展性（未来的处理可能不仅仅局限在6中细胞和材料）。

为了在保证对待命和工作两种喷头状态区分，避免干扰情况出现，同时简化其系统结构，提高可扩展性，本发明提供一种基于挤出压力的推进式喷头组结构。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头包括至少两组挤出成形喷头单元，每组挤出成形喷头单元的结构相同，包括下壳体、上壳体、旋盖、活塞、压缩弹簧、料筒、开启阀、快插接头和针头，所述上壳体与下壳体通过螺钉紧密连接，接触面嵌入密封材料进行密封； 所述旋盖通过螺纹与上壳体连接，方便拆卸，所述活塞安装于下壳体内部，所述压缩弹簧上端与活塞下表面接触，所述料筒的下部安装在活塞内部，所述料筒的上部安装在上壳体内部，所述开启阀和快插接头安装在上壳体上，针头安装在料筒的下部。

优选的，所述活塞可以在下壳体内部进行滑移运动，活塞与下壳体之间安装密封圈实现密封；所述压缩弹簧上端与活塞下表面接触，压缩弹簧下部与下壳体接触，弹簧处于压缩状态；所述上壳体的下表面可以限制活塞被压缩弹簧弹出。

优选的，所述料筒下部安装在活塞内部，同轴安装，与活塞固连在一起，可以随活塞一起滑移运动；所述料筒上部安装在上壳体内部，接触面利用密封圈密封，两者之间能够相对滑动。

优选的，所述开启阀包括阀体、阀套、阀芯、微型压缩弹簧和密封圈；所述阀套有轴向阀口A和径向阀口B；所述阀体与阀套安装在一起，过盈配合；阀芯安装在阀套内，阀芯与阀套之间密封良好，阀芯在阀套内部能够滑移；所述微型压缩弹簧安装在阀体与阀芯之间，微型压缩弹簧始终处于压缩状态，在微型压缩弹簧作用下，阀芯与阀套压紧，阀口A和B之间断开。

优选的，所述开启阀的阀套与上壳体之间装有密封圈，保证接触面密封良好；阀体与上壳体之间可以采用螺纹连接，密封良好。

优选的，阀口A通过流道X和Y与快插接头直接相通。

优选的，所述活塞采用台阶结构，所述上壳体、下壳体、活塞、料筒之间始终存在一个腔体a；所述腔体a通过流道X与快插接头直接相通。

优选的，所述上壳体、阀体、阀套之间构成一个腔体b，所述上壳体、料筒和旋盖之间构成腔体c；所述腔体c和腔体b通过流道联通。

优选的，所述针头可以是医用注射针头，也可以是点胶针头。

本发明的多个喷头可以在垂直方向上用一个电机和相应传动装置来控制沉积高度。而多个喷头单元利用挤出的气动压力本身来驱动喷头单元内部组件的向下运动∆h,将工作的喷头从其他喷头中选出。这样，既避免其他喷头对工作成形面的干扰，也大大简化系统结构，降低成本；

动力气源和压力开关（开启阀）集成到壳体上，一旦回路连接好在使用过程中就不必再做连接和调整；而装载打印溶液过程中只需取下旋盖，移入打印液即可；这样使得操作更加方便，快捷，对使用者的能力也没用太大要求。

通过更换不同规格的开启阀，可以获得不同的工作挤出压力P3，适用于不同场合和不同材料的打印；开启阀更换方便，不用改变喷头的整体结构，大大提高了其扩展应用能力。

附图说明

图1是3×2形式气动推进式多材料生物3D打印喷头的结构示意图；

图2是3×2形式气动推进式多材料生物3D打印喷头正视图；

图3是3×2形式气动推进式多材料生物3D打印喷头俯视图；

图4是气动推进式多材料生物3D打印喷头的喷头单元结构A-A向全剖视图；

图5是气动推进式多材料生物3D打印喷头单元活塞处局部放大图；

图6是气动推进式多材料生物3D打印喷头单元结构B-B向部分剖视图；

图7是开启阀全剖示意图；

图8是喷头单元的两种状态：左侧图为待命状态（第一挤出成形喷头单元1和第三挤出成形喷头单元3），右侧为工作状态（第五挤出成形喷头单元5）。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明的具体结构、工作原理和工作过程内容。

本发明设计一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，至少包含两个挤出成形喷头单元。本发明以图1的3×2形式的喷头组做说明，包含第一挤出成形喷头单元1、第二挤出成形喷头单元2、第三挤出成形喷头单元3、第四挤出成形喷头单元4、第五挤出成形喷头单元5和第六挤出成形喷头单元6。

每个挤出成形喷头单元壳体部分包括上壳体8和下壳体7，两者可以通过螺钉连接，接触面垫有密封材料，密封良好；旋盖9通过螺纹连接方式安装在上壳体8上，可以自由取下或更换。

下壳体7内部安装有活塞10，活塞10可以沿下壳体内部圆柱壁面上下滑动，活塞10与下壳体7之间的接触面用密封圈16密封；压缩弹簧11安装在下壳体7和活塞10之间，压缩弹簧11始终处于压缩状态，在压缩弹簧11作用下活塞10处于最大位移处，即活塞10的上表面与上壳体8接触；活塞10采用台阶结构，当活塞10处于最大位移处时，只有活塞的凸起面101与上壳体8的下底面接触，活塞10、上壳体8、料筒12和下壳体7之间形成腔体a，无论活塞处于什么位置，腔体a始终存在；料筒12与活塞10固连在一起，可随活塞10一起上下运动，下面安装有针头15，针头15可以是注射针头也可以是自制针头。

上壳体8上安装有快插接头14，通过螺纹连接，用于与气源输入软管连接，快插接头14可以根据实际软管外径采用不同规格；上壳体8上加工一条流道X，将快插接头14与腔体a连接起来。

上壳体8上安装有开启阀13，开启阀13通过螺纹181与上壳体8上内螺纹连接，连接处密封良好；上壳体8上加工有流道Y，通过流道X和Y将快插接头14与开启阀13的阀口B连接。

开启阀13结构包括阀体18、密封圈22、阀芯20和微型压缩弹簧21；阀套19安装在阀体18内部，两者无相对运动，接触面密封良好；阀芯20安装在阀套19内部，可沿阀套19内壁上下滑动，阀芯20与阀套19之间密封良好；微型压缩弹簧21安装在阀体18和阀芯20之间，始终处于压缩状态；阀套19上有阀口A和B，初始状态下阀芯位于最下端时使阀口A和B断开；开启阀13上的阀套19与上壳体8的接触面用密封圈22密封。

本发明工作原理：

打印之前，将细胞及生物材料溶液装到料筒12内。初始状态下，在压缩弹簧11作用下，滑移活塞10处于顶部，所有挤出成形喷头单元处于同一状态，因此针头15顶端位于同一高度；在微型压缩弹簧21作用下，开启阀13中阀口A和B处于断开状态。

装载打印溶液：

将旋盖9取下，利用移液工具将调配好的生物溶液装载到料筒12内部，以不超过料筒12高度的2/3为宜；移液完毕好，装上旋盖9，确认拧紧。

气动管路连接：

将气泵产生的气体经气源处理装置，调节阀等处理之后经外径ø6mm的软管与快插接头14相连，确认回路密封良好，无外泄现象。

动力分级输入：

调节比例阀控制输入压力进入需要工作的某一挤出成形喷头单元内部（如第五挤出成形喷头单元5），气体通过快插接头14经过流道X进入腔体a；维持调节输入压力为P1，在腔体a也将获得稳定气压P1；气压P1在活塞10上表面产生的作用力克服压缩弹簧11弹力，推动活塞10向下滑移到最大位置；料筒12（含内部打印溶液）和针头15与活塞10连接在一起，随活塞10一起下降相同高度；最大高度差为∆h。

利用第五挤出成形喷头单元5下降的高度差将其与其他待命状态挤出成形喷头单元（1,2,3,4和6）区分开，避免待命状态挤出成形喷头单元（1,2,3,4和6）在运动过程中干扰和破坏成形面。

这时，输入气体通过流道X和Y在阀口A处也产生气压P1，由于P1在开启阀13阀芯20底部产生的作用力小于微型压缩弹簧21作用力，阀口A关闭，腔体b及与其相连的腔体c仍维持常压。

通过比例阀进一步提高输入压力，当压力增大到P2（P2>P1）时，P2在开启阀13的阀芯20底部产生的作用力可以克服微型压缩弹簧21的作用，推动阀芯向上运动；这是，阀口A和B联通，气体进入腔体b，并通过流道进入与腔体b相连的腔体c中。

维持或继续提高输入压力，在料筒12中产生气压P3（P3≥P2），压力P3在料筒12内的打印溶液的上表面产生作用力，推动打印溶液从针头内挤出，沉积到成形表面，用于构建组织器官结构。

通过压缩弹簧11的刚度、滑移组件的有效压力作用面积、质量和摩擦系数，可以平衡弹力、重力、摩擦力和压力之间的关系，可以获得不同大小的压力P1值；

通过更换不同规格的开启阀13，可以获得不同的工作挤出压力P3，适用于不同场合和不同材料的打印；

当打印完毕时，通过比例阀降低或断开压力输入，腔体a,b和c内的气压恢复常压，在微型压缩压缩弹簧21作用下阀芯21向下运动使阀口A和B断开，同时在压缩压缩弹簧11作用下，活塞10向上运动到最大位移处，带动针头15回缩，第五挤出成形喷头单元5恢复到初始状态。

整个喷头组安装在三维运动平台上，由三维运动带动喷头组运动，喷头的空间位置和运动路径由三维运动平台控制。

本发明的优点：

本发明的多个喷头可以在垂直方向上用一个电机和相应传动装置来控制沉积高度。而多个喷头单元利用挤出的气动压力本身来驱动喷头单元内部组件的向下运动∆h,将工作的喷头从其他喷头中选出。这样，既避免其他喷头对工作成形面的干扰，也大大简化系统结构，降低成本；

动力气源和压力开关（开启阀）集成到壳体上，一旦回路连接好在使用过程中就不必再做连接和调整；而装载打印溶液过程中只需取下旋盖，移入打印液即可；这样使得操作更加方便，快捷，对使用者的能力也没用太大要求。

通过更换不同规格的开启阀，可以获得不同的工作挤出压力P3，适用于不同场合和不同材料的打印；开启阀更换方便，不用改变喷头的整体结构，大大提高了其扩展应用能力。

Claims (7)

1.一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头,其特征在于包括至少两组挤出成形喷头单元，每组挤出成形喷头单元的结构相同，包括下壳体、上壳体、旋盖、活塞、压缩弹簧、料筒、开启阀、快插接头和针头，所述上壳体与下壳体通过螺钉紧密连接，接触面嵌入密封材料进行密封；所述旋盖通过螺纹与上壳体连接，方便拆卸，所述活塞安装于下壳体内部，所述压缩弹簧上端与活塞下表面接触，所述料筒的下部安装在活塞内部，所述料筒的上部安装在上壳体内部，所述开启阀和快插接头安装在上壳体上，针头安装在料筒的下部;所述针头可以是医用注射针头，也可以是点胶针头；

所述开启阀包括阀体、阀套、阀芯、微型压缩弹簧和密封圈；所述阀套有轴向阀口A和径向阀口B；所述阀体与阀套安装在一起，过盈配合；阀芯安装在阀套内，阀芯与阀套之间密封良好，阀芯在阀套内部能够滑移；所述微型压缩弹簧安装在阀体与阀芯之间，微型压缩弹簧始终处于压缩状态，在微型压缩弹簧作用下，阀芯与阀套压紧，阀口A和B之间断开。

2.如权利要求1所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：所述活塞可以在下壳体内部进行滑移运动，活塞与下壳体之间安装密封圈实现密封；所述压缩弹簧上端与活塞下表面接触，压缩弹簧下部与下壳体接触，弹簧处于压缩状态；所述上壳体的下表面可以限制活塞被压缩弹簧弹出。

3.如权利要求1或2所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：所述料筒下部安装在活塞内部，同轴安装，与活塞固连在一起，可以随活塞一起滑移运动；所述料筒上部安装在上壳体内部，接触面利用密封圈密封，两者之间能够相对滑动。

4.如权利要求1所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：所述开启阀的阀套与上壳体之间装有密封圈，保证接触面密封良好；阀体与上壳体之间可以采用螺纹连接，密封良好。

5.如权利要求4所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：阀口A通过流道X和Y与快插接头直接相通。

6.如权利要求1所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：所述活塞采用台阶结构，所述上壳体、下壳体、活塞、料筒之间始终存在一个腔体a；所述腔体a通过流道X与快插接头直接相通。

7.如权利要求1所述的一种开启阀集成的气动推进式多材料生物3D打印喷头，其特征在于：所述上壳体、阀体、阀套之间构成一个腔体b，所述上壳体、料筒和旋盖之间构成腔体c；所述腔体c和腔体b通过流道联通。