CN104921840A - 一种单喷头多料源生物3d打印装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单喷头多料源生物3D打印装置及其方法，属于组织工程和生物3D打印领域。包括电机固定座，电机，主动齿轮，固定转轴，转盘合件、喷头体、单向连接阀，弹簧片和进料管连接头等结构，固定转轴安装固定，电机通过齿轮传动带动转盘旋转，转盘上单向连接阀通过2个弹簧片夹持压住，且单向连接阀与喷头体有一高度差△h，当单向连接阀转到喷头体处时，喷头体将单向连接阀顶起，并顶起钢球将喷头体与单向连接阀连通，弹簧片弹起将单向连接阀压住，同时生物材料通过进料管连接头进入，实现打印过程。通过转盘旋转可切换打印材料，实现单喷头多种生物材料的打印。其优点是：结构简单巧妙，降低成本，易于实现灵活控制，大大提高打印效率。

Description

一种单喷头多料源生物3D打印装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种单喷头多料源生物3D打印装置及其方法，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原有的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，关键结构之一就是成形喷头装置。

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源成形喷头装置。一些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。打印过程中一般只需一个喷头工作，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，发明一种单喷头多料源相互切换的喷头装置，避免多喷头相互干扰情况出现，同时简化其结构，提高工作效率和控制灵活性。

发明内容

本发明的目的是要解决多材料和多喷头并行打印机构复杂、体积较大、打印喷头相互干扰和控制不灵活的问题，提供一种具有结构巧妙、易于控制的单喷头多料源生物3D打印装置及其方法。

本发明的技术方案如下：

一种单喷头多料源生物3D打印装置包括电机固定座，电机，主动齿轮，固定转轴，转盘合件，喷头体，单向连接阀，弹簧片和进料管连接头，所述转盘合件由转盘和从动齿轮构成，所述喷头体由喷筒和喷头连接组成：所述单向连接阀由单向连接阀阀体、钢球、弹簧、弹簧座、孔用弹性挡圈构成：钢球、弹簧，弹簧座和孔用弹性挡圈依次装入单向连接阀阀体内，钢球与单向连接阀阀体接触，形成线性密封，孔用弹性挡圈卡在单向连接阀阀体内：单向连接阀上部与进料管连接头连接；所述单向连接阀与转盘上的通孔相配合，单向连接阀能上下滑动：固定转轴下部伸出轴端通过管卡固定喷筒，固定转轴中部与电机固定座、轴用弹性挡圈、转盘相配合，转盘合件通过固定转轴的台肩进行定位并可相对旋转，电机固定座通过螺钉进行固定，固定转轴上部用于连接固定，电机安装于电机固定座上：所述主动齿轮与电机配合安装，并与从动齿轮相啮合，实现动力传动，驱动转盘旋转：所述弹簧片前端与单向连接阀阀体上的弹簧片卡口相配合，后端通过螺钉进行固定。

所述喷筒上部均匀开出圆形或椭圆形通孔，弧面中心部位有一定位凹坑。

所述转盘上面开设的通孔为圆孔、矩形孔或方形孔，通孔数量至少1个。

所述单向连接阀阀体可为圆形或方形，外侧加工有至少1个卡槽或连接体。

所述弹簧片通过变形可调控单向连接阀上下浮动或通过电机实现控制。

所述打印装置的单喷头多料源生物3D打印方法是：

进行打印工作时，生物材料通过进料管连接头进入到单向连接阀腔体内，由于腔体内的钢球在弹簧和生物材料的压力作用下实现密封，使得阀口处在关闭状态，转盘合件通过齿轮传动和电机旋转位置控制，将单向连接阀旋转至固定不动的喷头体上方，因固定的喷头体与单向连接阀存在位置高度差△h，当单向连接阀阀体头部弧面与喷筒顶部弧面接触在电机驱动旋转力作用下，将单向连接阀划至喷筒正上方后停止，此时喷筒上部弧面将单向连接阀钢球顶起，阀口打开，生物材料进入喷筒体，同时喷筒弧面中部的凹坑对钢球定位，单向连接阀阀体外壁开有2条弹簧片卡口，弹簧片前部卡入卡口内，对单向连接阀施加向下的作用力，在单向连接阀顶起△h时，确保阀口打开并压紧单向连接阀，弹簧片卡住单向连接阀，防止从转盘配合圆孔滑出；

需要切换生物材料时，固定在电机固定座上的电机驱动主动齿轮带动转盘合件旋转到相应单向连接阀底部，实现切换过程。

其有益效果是：

1、 单喷头固定通过料源的相互切换即可实现多种生物材料的打印，易于保证打印精度，同时提高打印效率；

2、 料源切换方式设计巧妙，即无需多个电机控制驱动结构或其他复杂机构，可通过精确控制一个电机驱动，实现定位旋转即可完成切换。

3、 整个装置结构简单，易于组装装配，降低制造成本。

附图说明

图1是一种单喷头多料源生物3D打印装置等轴侧视图。

图2是一种单喷头多料源生物3D打印装置等轴侧视图中Ⅰ处局部放大视图，阀口处在关闭状态。

图3是一种单喷头多料源生物3D打印装置主视图。

图4是一种单喷头多料源生物3D打印装置主视图中Ⅱ处局部放大视图，阀口处在开启状态。

图5是单向连接阀阀体示意图。

图6是喷头筒体示意图。

图7是转盘组合件示意图。

在图1~图7中 ：

1、喷筒 2、单向连接阀阀体 3、钢球 4、弹簧 5、弹簧座 6、孔用弹性挡圈 7、进料管连接头 8、喷头 9、弹簧片 10、螺钉 11、转盘 12、固定转轴 13、从动齿轮14、电机 15、主动齿轮 16、轴用弹性挡圈 17、电机固定座18、管卡。

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。

如图1和图3所示，一种单喷头多料源生物3D打印装置，包括电机固定座17，电机14，主动齿轮15，固定转轴12，转盘合件，喷头体，单向连接阀，弹簧片4和进料管连接头7：所述转盘合件（如图7所示）由转盘11和从动齿轮13构成，两零件通过焊接组成合件：所述喷头体由喷筒1（如图6所示）和喷头8连接组成：

所述单向连接阀由单向连接阀阀体2（如图5所示）、钢球3、弹簧4、弹簧座5、孔用弹性挡圈6构成：钢球3、弹簧4，弹簧座5和孔用弹性挡圈6依次装入单向连接阀阀体2内，钢球与单向连接阀阀体2接触，形成线性密封，孔用弹性挡圈6卡在单向连接阀阀体2内：单向连接阀上部与进料管连接头7连接；所述单向连接阀与转盘11上的通孔相配合，单向连接阀能上下滑动：固定转轴12下部伸出轴端通过管卡18固定喷筒1，中部与电机固定座17、轴用弹性挡圈16、转盘11相配合，转盘合件通过固定转轴12的台肩进行定位并可相对旋转，电机固定座17通过螺钉10锁紧进行固定，上部用于连接固定；电机14安装于电机固定座17上：所述主动齿轮15与电机14配合安装，并与从动齿轮13相啮合，实现动力传动，驱动转盘11旋转：所述弹簧片9前端与单向连接阀阀体2上的弹簧片卡口相配合，后端通过螺钉10上紧固定。

进行打印工作时，生物材料通过进料管连接头7进入到单向连接阀腔体内，由于腔体内的钢球3在弹簧4和生物材料的压力作用下实现密封，使得阀口处在关闭状态（如图2所示）。转盘合件通过齿轮传动和电机14旋转位置控制，将单向连接阀旋转至固定不动的喷头体上方，因固定的喷头体与单向连接阀存在一位置高度差△h（如图3所示），当单向连接阀阀体2（如图5所示）头部弧面与喷筒1顶部弧面接触在电机驱动旋转力作用下，将单向连接阀划至喷筒1正上方后停止，此时喷筒1上部弧面将单向连接阀钢球3顶起，阀口打开（如图4所示），生物材料进入喷筒体，同时喷筒1弧面中部的凹坑对钢球3定位（如图4所示）。单向连接阀阀体2（如图5所示）外壁开有2条弹簧片卡口，弹簧片9前部卡入卡口内，其作用：1、是对单向连接阀施加向下的作用力，在单向连接阀顶起△h时（如图1所示），确保阀口打开并压紧单向连接阀；2、是卡住单向连接阀，防止从转盘11配合圆孔滑出。

需要切换生物材料时，固定在电机固定座17上的电机14驱动主动齿轮15带动转盘合件旋转一定角度，实现切换过程。

以上内容是结合基体的右旋实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限与这些说明。对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，还能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)

1.一种单喷头多料源生物3D打印装置，其特征在于，包括电机固定座(17)，电机(14)，主动齿轮(15)，固定转轴(12)，转盘合件，喷头体，单向连接阀，弹簧片(9)和进料管连接头(7)：所述转盘合件由转盘(11)和从动齿轮(13)构成，所述喷头体由喷筒(1)和喷头(8)连接组成：所述单向连接阀由单向连接阀阀体(2)、钢球(3)、弹簧(4)、弹簧座(5)、孔用弹性挡圈(6)构成：钢球(3)、弹簧(4)，弹簧座(5)和孔用弹性挡圈(6)依次装入单向连接阀阀体(2)内，钢球与单向连接阀阀体(2)接触，形成线性密封，孔用弹性挡圈(6)卡在单向连接阀阀体(2)内：单向连接阀上部与进料管连接头(7)连接；所述单向连接阀与转盘(11)上的通孔相配合，单向连接阀能上下滑动：固定转轴(12)下部伸出轴端通过管卡(18)固定喷筒(1)，固定转轴(12)中部与电机固定座(17)、轴用弹性挡圈(16)、转盘(11)相配合，转盘合件通过固定转轴(12)的台肩进行定位并可相对旋转，电机固定座(17)通过螺钉(10)进行固定，固定转轴(12)上部用于连接固定，电机(14)安装于电机固定座(17)上：所述主动齿轮(15)与电机(14)配合安装，并与从动齿轮(13)相啮合，实现动力传动，驱动转盘(11)旋转：所述弹簧片(9)前端与单向连接阀阀体(2)上的弹簧片卡口相配合，后端通过螺钉(10)进行固定。

2.如权利要求1所述的单喷头多料源生物3D打印装置，其特征在于，所述喷筒(1)上部均匀开出圆形或椭圆形通孔，弧面中心部位有一定位凹坑。

3.如权利要求1所述的单喷头多料源生物3D打印装置，其特征在于，所述转盘(11)上面开设的通孔为圆孔、矩形孔或方形孔，通孔数量至少1个。

4.如权利要求1所述的单喷头多料源生物3D打印装置，其特征在于，所述单向连接阀阀体(2)可为圆形或方形，外侧加工有至少1个卡槽或连接体。

5.如权利要求1所述的单喷头多料源生物3D打印装置，其特征在于，所述弹簧片(9)通过变形可调控单向连接阀上下浮动或通过电机实现控制。

6.一种如权利要求1所述打印装置的单喷头多料源生物3D打印方法，其特征在于：

进行打印工作时，生物材料通过进料管连接头(7)进入到单向连接阀腔体内，由于腔体内的钢球(3)在弹簧(4)和生物材料的压力作用下实现密封，使得阀口处在关闭状态，转盘合件通过齿轮传动和电机(14)旋转位置控制，将单向连接阀旋转至固定不动的喷头体上方，因固定的喷头体与单向连接阀存在位置高度差△h，当单向连接阀阀体(2)头部弧面与喷筒(1)顶部弧面接触在电机驱动旋转力作用下，将单向连接阀划至喷筒(1)正上方后停止，此时喷筒(1)上部弧面将单向连接阀钢球(3)顶起，阀口打开，生物材料进入喷筒体，同时喷筒(1)弧面中部的凹坑对钢球(3)定位，单向连接阀阀体(2)外壁开有2条弹簧片卡口，弹簧片(9)前部卡入卡口内，对单向连接阀施加向下的作用力，在单向连接阀顶起△h时，确保阀口打开并压紧单向连接阀，弹簧片(9)卡住单向连接阀，防止从转盘(11)配合圆孔滑出；

需要切换生物材料时，固定在电机固定座(17)上的电机(14)驱动主动齿轮(15)带动转盘合件旋转到相应单向连接阀底部，实现切换过程。