CN104924614B - 面向多材料打印的旋转切换式生物3d打印喷头及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构及其方法，所述的喷头结构包括电机、气缸、下壳体、上壳体、单向开启阀、网式触发器、单向阀、阀套、快插接头和挤出针头。本发明的上壳体具有至少两种以上材料的通道，本发明通过旋转下壳体，改变下壳体与上壳体的对接位置，从而连通上壳体的不同材料通道，这样本发明就可以实现一个喷头打印多种材料，解决了传统的3D打印机一喷头只能打印一种材料的技术难题，大大简化了系统结构，降低成本，同时本发明的喷头单元结构紧凑，传动要求低，提升设备的工作能力。

Description

面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头及其方法

技术领域

本发明涉及一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构及其方法，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，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。

为了保证单个喷头实现多种材料打印，简化其系统结构，提高可扩展性，本发明提供一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构，至少用于两种材料打印，所述的喷头结构包括电机、气缸、下壳体、上壳体、单向开启阀、网式触发器、单向阀、快插接头和挤压针头；所述电机安装在机架上；所述下壳体与电机的轴连接；所述气缸安装在机架上；所述上壳体安装在气缸的活塞杆上；所述网式触发器安装在下壳体内部；所述单向阀安装在下壳体内部；所述上壳体内设置有多条材料通道，所述材料通道的上端通过螺纹与快插接头相连，下端通过螺纹与单向开启阀相连，所述的挤压针头安装在下壳体的底部。

所述下壳体通过螺纹连接安装在电机的轴上，电机的旋转带动下壳体转动；所述上壳体与气缸的活塞杆连接，气缸运动带动上壳体上下移动；所述快插接头与上壳体连接，根据所安装接头规格不同可连接各种外径软管。

所述上壳体内有至少有A材料通道、B材料通道、AB混合材料通道三条材料通道，所述AB混合材料通道一端与单向开启阀相连，另一端分别与A材料通道、B材料通道相连。

所述单向开启阀包括阀体、阀芯、压缩弹簧、钢球和卡簧；所述阀芯安装在阀体内部，可沿阀体内孔滑移运动，阀芯与阀体之间密封良好；所述卡簧安装在阀体内部，对阀芯起到限位作用；所述压缩弹簧安装在阀芯与钢球之间，处于压缩状态；所述的钢球安装在阀体底部，正常状态下钢球在弹簧作用下将阀体的阀口遮盖密封。

所述网式触发器安装在下壳体内，当下壳体与上壳体接触时，网式触发器顶起单向开启阀的钢球，从而材料可以通过单向开启阀的阀口进入网式触发器。

所述单向阀包括阀芯、压缩弹簧、阀套；所述阀套安装在下壳体通道的一端；所述阀芯安装在下壳体通道的另一端，可沿下壳体通道滑移运动，所述压缩弹簧安装在阀芯内部，正常状态下阀芯在压缩弹簧作用下将阀套的中心孔遮盖密封。

利用电机调整下壳体的角度，利用气缸调整上壳体的上下位置，可以选择上壳体的其中一条材料通道与下壳体的网式触发器的开口连接，实现对打印材料的选择。

所述打印喷头结构的旋转切换式生物3D打印方法是：

打印之前，启动电机，根据需求的材料决定电机的旋转角度，使下壳体的网式触发器对应在所需材料通道的单向开启阀位置；然后气缸推动上壳体下移，使其与下壳体紧密接触，这时所需材料通道的单向开启阀与下壳体通道内的网式触发器接触，单向开启阀的钢球被网式触发器顶起，而其余两个单项开启阀进入下壳体的圆孔内，单向开启阀不能被打开；

当要打印某一材料时，启动气泵，将带有压力的材料通过软管与快换接头进入上壳体的对应材料通道，通过打开的单向开启阀的阀口与网式触发器的网口进入下壳体的下壳体通道，材料通过单向阀8的阀套上的孔进入阀套内部，带有压力的材料推动阀芯克服压缩弹簧的作用力使其后移，阀芯被打开，材料进入挤压针头进行打印；

当要打印AB混合材料时，启动气泵，将AB两种材料分别通过软管输入材料通道，软管上安有调节阀，可以根据打印组织对AB材料比例的需要，调节软管上的调节阀，改变AB材料的不同混合比例，便可实现AB混合材料各种比例的精确打印；

当需要进行材料切换时，气泵停止供应带有压力的材料，阀芯在压缩弹簧的作用下复位，材料不能再通过，挤压针头停止打印，气缸带动上壳体上移，使其与下壳体脱离，电机带动下壳体旋转相应的角度，重复上述打印步骤，进行另外一种材料的打印。

本发明的上壳体具有多种材料组合的通道，而通过下壳体与上壳体的不同种组合方式，可以实现单喷头结构对多种材料的打印，解决了传统3D打印机一个喷头只能打印一种材料的难题，简化了喷头结构。

附图说明

图1是3中材料的一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构正视图;

图2是3中材料的一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构上壳体组件结构示意图;

图3是3中材料的一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构下壳体组件结构示意图;

图4是单向开启阀结构的示意图;

图5网式触发器结构示意图；

图6是网式触发器开启单向开启阀时的示意图；

图7是单向阀结构示意图。

在图1至图7中:

1-电机，2-气缸，3-上壳体，4-下壳体，5-快插接头，6-单向开启阀，61-卡簧，62-阀体、63-阀芯，64-压缩弹簧，65-钢球，7-网式触发器，8-单向阀，81-阀套，82-O型圈，83-阀芯，84-压缩弹簧，9-挤压针头。

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。

本发明设计一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构。本发明以图1的3种材料形式的喷头结构做说明，包含电机1、气缸2、上壳体3、下壳体4。

电机1固定在主机架上，电机1与下壳体4通过螺纹连接，电机1的转动带动下壳体4的旋转；气缸2固定在主机架上，气缸2与上壳体3通过螺纹连接，气缸2运动带动上壳体3上下移动。

上壳体3上安装有快插接头5，用于与材料输入的软管连接，快插接头5可以根据实际软管外径采用不同规格；上壳体3上加工三条流道A、B、AB，分别用于传输三种不同的材料，所述AB混合材料通道一端与单向开启阀相连，另一端分别与A材料通道、B材料通道相连。

上壳体3上安装有单向开启阀6，单向开启阀6通过螺纹与上壳体3连接，连接处密封良好。

单向开启阀6结构包括卡簧61、阀体62、阀芯63、压缩弹簧64和钢球65；阀芯63安装在阀体62内部，可沿阀体62内孔滑移运动，两者面密封良好；卡簧61安装在阀体62内部，对阀芯63起到限位作用；压缩弹簧64安装在阀芯63和阀芯钢球65之间，始终处于压缩状态；钢球65安装在阀体62底部，正常状态下钢球65在压缩弹簧64作用下将阀体62的阀口遮盖密封。

下壳体4内安有网式触发器7，当下壳体4与上壳体3接触时，如图6所示，网式触发器7可以顶起单向开启阀6的钢球65，从而材料可以通过单向开启阀6的阀口和网式触发器7上的网口流入下壳体4的材料通道。

下壳体4内安装的单向阀8包括阀芯83、压缩弹簧84、阀套81和O型圈82；阀套81安装在下壳体4材料通道的一端；阀芯83安装在下壳体4材料通道的另一端，可沿材料通道滑移运动；压缩弹簧84安装在阀芯83内部，正常状态下阀芯83在压缩弹簧84作用下将阀套81的中心孔遮盖密封，材料不能通过；O型圈82安装在阀套81上，起到密封作用。

下壳体4底部安有挤压针头9对材料进行打印。

本发明工作原理：

打印之前，启动电机1，根据需求的材料决定电机1的旋转角度，使下壳体4的网式触发器7对应在所需材料通道的单向开启阀6位置；然后气缸2推动上壳体3下移，使其与下壳体4紧密接触，这时所需材料通道的单向开启阀6与下壳体4通道内的网式触发器7接触，单向开启阀6的钢球65被网式触发器7顶起，而其余两个单项开启阀6进入下壳体4的圆孔内，单项开启阀6不能被打开。

当要打印材料A是时，启动气泵，将带有压力的A材料通过软管与快换接头5进入上壳体3的材料通道A，通过打开的单向开启阀6的阀口与网式触发器7的网口进入下壳体4的材料通道，材料通过单向阀8的阀套81上的孔进入阀套81内部，带有压力的材料推动阀芯83克服压缩弹簧84的作用力使其后移，阀芯83被打开，材料进入挤压针头9进行打印。

当需要进行材料切换时，气泵停止供应带有压力的材料，阀芯83在压缩弹簧84的作用下复位，材料不能再通过，挤压针头9停止打印。气缸2带动上壳体3上移，使其与下壳体4脱离，电机1带动下壳体4旋转相应的角度，重复上述打印步骤，进行另外一种材料的打印。

当要打印AB混合材料时，启动气泵，将AB两种材料分别通过软管输入材料通道，软管上安有调节阀，可以根据打印组织对AB材料比例的需要，调节软管上的调节阀，改变AB材料的不同混合比例，便可实现AB混合材料各种比例的精确打印；

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。

本发明的上壳体材料通道可以有多种组合，本专利仅以A、B、AB三种材料距离进行说明，上壳体与下壳体位置可以进行自由组合，这样单喷头便可实现多种材料的切换打印，解决了传统的3D打印机一喷头只能打印一种材料的技术难题，大大简化了系统结构，提升了设备的工作能力，降低了整机成本。

Claims (5)

1.一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构，至少连接两套供料源，其特征在于所述的喷头结构包括电机(1)、气缸(2)、下壳体(4)、上壳体(3)、单向开启阀(6)、网式触发器(7)、单向阀(8)、快插接头(5)和挤压针头(9)；所述电机安装在机架上；所述下壳体与电机的轴连接；所述气缸安装在机架上；所述上壳体安装在气缸的活塞杆上；所述网式触发器安装在下壳体内部；所述单向阀安装在下壳体内部；所述上壳体内设置有多条材料通道，所述材料通道的上端通过螺纹与快插接头相连，下端通过螺纹与单向开启阀相连，所述的挤压针头安装在下壳体的底部;

所述上壳体内有至少有A材料通道、B材料通道、AB混合材料通道三条材料通道；所述AB混合材料通道一端与单向开启阀相连，另一端分别与A材料通道、B材料通道相连;

所述单向开启阀包括阀体(62)、阀芯(63)、压缩弹簧（64）、钢球（65）和卡簧（61）；所述阀芯安装在阀体内部，可沿阀体内孔滑移运动，阀芯与阀体之间密封良好；所述卡簧安装在阀体内部，对阀芯起到限位作用；所述压缩弹簧安装在阀芯与钢球之间，处于压缩状态；所述的钢球安装在阀体底部，正常状态下钢球在弹簧作用下将阀体的阀口遮盖密封;

所述网式触发器安装在下壳体内，当下壳体与上壳体接触时，网式触发器顶起单向开启阀的钢球，从而材料通过单向开启阀的阀口进入网式触发器。

2.如权利要求1所述的一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构，其特征在于：所述下壳体通过螺纹连接安装在电机的轴上，电机的旋转带动下壳体转动；所述上壳体与气缸的活塞杆连接，气缸运动带动上壳体上下移动；所述快插接头与上壳体连接，根据所安装接头规格不同连接各种外径软管。

3.如权利要求1所述一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构，其特征在于：所述单向阀包括阀芯(83)、压缩弹簧（84）、阀套（81）；所述阀套安装在下壳体通道的一端；所述阀芯安装在下壳体通道的另一端，可沿下壳体通道滑移运动，所述压缩弹簧安装在阀芯内部，正常状态下阀芯在压缩弹簧作用下将阀套的中心孔遮盖密封。

4.如权利要求1所述的一种面向多材料打印的旋转切换式生物3D打印喷头结构，其特征在于：利用电机调整下壳体的角度，利用气缸调整上壳体的上下位置，选择上壳体的其中一条材料通道与下壳体的网式触发器的开口连接，实现对打印材料的选择。

5.一种如权利要求1所述打印喷头结构的旋转切换式生物3D打印方法，其特征在于：

打印之前，启动电机（1），根据需求的材料决定电机（1）的旋转角度，使下壳体（4）的网式触发器（7）对应在所需材料通道的单向开启阀（6）位置；然后气缸（2）推动上壳体（3）下移，使其与下壳体（4）紧密接触，这时所需材料通道的单向开启阀（6）与下壳体（4）通道内的网式触发器（7）接触，单向开启阀（6）的钢球（65）被网式触发器（7）顶起，而其余两个单项开启阀（6）进入下壳体（4）的圆孔内，单向开启阀（6）不能被打开；

当要打印某一材料时，启动气泵，将带有压力的材料通过软管与快换接头（5）进入上壳体（3）的对应材料通道，通过打开的单向开启阀（6）的阀口与网式触发器（7）的网口进入下壳体（4）的下壳体通道，材料通过单向阀（8）的阀套（81）上的孔进入阀套（81）内部，带有压力的材料推动阀芯（83）克服压缩弹簧（84）的作用力使其后移，阀芯（83）被打开，材料进入挤压针头（9）进行打印；

当需要进行材料切换时，气泵停止供应带有压力的材料，阀芯（83）在压缩弹簧（84）的作用下复位，材料不能再通过，挤压针头（9）停止打印，气缸（2）带动上壳体（3）上移，使其与下壳体（4）脱离，电机（1）带动下壳体（4）旋转相应的角度，重复上述打印步骤，进行另外一种材料的打印；

当要打印AB混合材料时，启动气泵，将AB两种材料分别通过软管输入材料通道，软管上安有调节阀，根据打印组织对AB材料比例的需要，调节软管上的调节阀，改变AB材料的不同混合比例，重复上述打印过程，便可实现AB混合材料各种比例的精确打印；

当需要进行材料切换时，气泵停止供应带有压力的材料，阀芯在压缩弹簧的作用下复位，材料不能再通过，喷头停止打印，气缸带动上壳体上移，使其与下壳体脱离，电机带动下壳体旋转相应的角度，重复上述打印步骤，进行另外一种材料的打印。