CN104999668A - 一种回转式管状组织生物3d打印成型装置及其方法 - Google Patents

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张刚
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本发明公开了一种回转式管状组织生物3D打印成型装置及其方法。它包括机架床体、气源、升降机构组件、控制器、旋转连接托盘组件、喷头驱动组件等结构，在控制器控制下，气压喷头移动到柱状支架位置处，气源通过气管向气压喷头供气，将生物材料压出，此时旋转连接托盘组件的电机b带动旋转托盘做旋转运动，旋转托盘旋转一圈后，气动喷头沿径向移动指定距离来打印下一位置。当一层打印完毕，电机a驱动升降机构组件控制旋转连接托盘组件向下运动，实现管状组织的打印。通过增加气动喷头组件组数，可实现异质结构管状组织打印。本发明结构构思简单巧妙，易于实现自动化控制，多材料打印，提高打印效率，同时有效解决管状组织不易打印成型的问题。

Description

一种回转式管状组织生物3D打印成型装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种回转式管状组织生物3D打印成型装置及其方法，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。
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和管状组织器官方面延伸，特别是针对管状组织器官如气管、喉管和肠道等，这一类由于这些组织器官往往含有多种细胞和生物材料，且成型形状为圆筒形，打印长度稍长容易坍塌不易成型，而且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。
为了满足管状组织器官多种细胞和材料的构建要求，提高打印效率，通过预先放置的柱状支架，使得打印的生物材料在支架的作用下撑起管状生物组织材料，有效解决管状组织不易成型和容易坍塌的问题，同时管状组织打印长度可控。通过喷头驱动组件组数的扩展，可实现多种材料的打印，简化其结构，提高工作效率和控制灵活性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种回转式管状组织生物3D打印成型装置及其方法。
本发明的技术方案如下：
一种回转式管状组织生物3D打印成型装置包括机架床体、气源、升降机构组件、控制器、旋转连接托盘组件、柱状支架和喷头驱动组件；所述升降机构组件下部与机架床体的内部下板安装固定，上部与旋转连接托盘组件的下部连接，可带动旋转连接托盘组件上下运动；所述旋转连接托盘组件上部固定放置柱状支架，中部穿过机架床体台面的中间通孔，下部与升降机构组件的上部通过螺纹紧固连接；所述气源与机架床体内部下板安装固定；所述喷头驱动组件安装在机架床体上，包括电驱导轨、气压喷头、固定管夹和滑块体；所述电驱导轨与机架床体上部横梁下表面固定安装；所述滑块体的上部与电驱导轨相互配合安装，且滑块体能在电驱导轨驱动下靠近或远离旋转连接托盘组件；所述气压喷头通过固定管夹夹持固定到滑块体，通过控制器控制将气体由气管向气压喷头供气加压，实现气压喷头的喷料打印。
所述升降机构组件包括固定安装座、电机a、电机安装座、联轴器、螺旋升降箱、螺杆；所述螺旋升降箱下部与固定安装座上部紧固连接，右边伸出轴端与联轴器左端连接；所述电机a轴端与联轴器右端连接，前端面与电机安装座上部内端面固定连接，所述电机安装座下端平面与固定安装座紧固连接；所述螺杆螺纹部位与螺旋升降箱内部螺孔相配合，通过控制器控制电机a运动，可驱动螺杆实现上下运动。
所述旋转连接托盘组件包括连接筒体、电机b 、螺钉、电机安装帽、螺钉、旋转托盘；所述电机b 通过螺钉与电机安装帽内端面紧固连接，电机b轴端与旋转托盘下端通过螺纹紧固连接，在电机b的驱动下，旋转托盘进行旋转运动；所述连接筒体下端与螺杆上端通过螺纹连接紧固，上部与电机安装帽内部同心配合安装，通过周边至少2个螺钉进行固定。
所述喷头驱动组件至少为2套，沿旋转连接托盘组件周向均匀分布，实现多种生物材料的打印。
所述旋转连接托盘组件中旋转托盘旋转运动通过气动马达或齿轮机构驱动旋转。
所述升降机构组件实现的升降动作可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、气缸或电动推杆来实现。
所述的回转式管状组织生物3D打印成型装置的控制方法是：
打印前将生物材料装填到气压喷头，将预先准备好的柱状支架放置于旋转托盘上部且固定，然后在控制器控制下，升降机构组件的电机a驱动螺杆向上或向下运动，调整旋转连接托盘组件的旋转托盘到规定高度，电驱导轨驱动滑块体平移滑动到距离柱状支架的指定距离；
打印开始，控制器控制气源通过气管向气压喷头供气，将气压喷头内的生物材料挤出，此时旋转连接托盘组件内的电机b驱动旋转托盘连续旋转；旋转托盘每旋转一周，气压喷头沿旋转托盘径向移动指定距离，继续下一个位置打印；当同一高度层打印完毕以后，控制器控制升降机构组件的电机a起动，通过联轴器带动螺旋升降箱使得螺杆向下运动指定位置高度，进行接下来的一层打印工作；由此在控制器的控制下旋转托盘旋转、气压喷头的径向运动与升降机构组件的升降动作相互配合做周期性运动，以此实现管状组织器官的打印；
通过增加喷头驱动组件数量，可打印多种生物材料，实现异质结构的管状组织的打印，同时可以调整气动喷头距离旋转托盘圆心的位置差异，实现多个喷头并行打印，提高打印效率。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、通过预先放置的柱状支架，使得打印的生物材料在支架的作用下撑起管状生物组织材料，有效解决管状组织不易成型和容易坍塌的问题，同时管状组织打印长度可控。
2、可实现打印不同直径和形状的管状组织。
3、可根据所需打印生物材料的种类通过增加气压喷头数量实现多种生物材料的并行打印，用于制造异质结构组织，并提到效率。
4、整个装置结构简单，控制方式灵活，易于实现控制和降低制造成本。
附图说明
图1是一种回转式管状组织生物3D打印成型装置轴侧视图；
图2是本发明升降机构组件结果示意图；
图3是本发明旋转连接托盘组件结构示意图；
图4是本发明滑块体结构示意图。
在图1~图4中 ：
机架床体1，气源2，升降机构组件3，固定安装座3.1，电机a3.2，电机安装座3.3，联轴器3.4，螺旋升降箱3.5，螺杆3.6，控制器4，旋转连接托盘组件5，连接筒体5.1，电机b 5.2，螺钉5.3，电机安装帽5.4，螺钉5.5，旋转托盘5.6，柱状支架6，电驱导轨7，气压喷头8，固定管夹9，滑块体10。
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1-4所示，一种回转式管状组织生物3D打印成型装置包括机架床体1、气源2、升降机构组件3、控制器4、旋转连接托盘组件5、柱状支架6和喷头驱动组件；所述升降机构组件3下部与机架床体1的内部下板安装固定，上部与旋转连接托盘组件5的下部连接，可带动旋转连接托盘组件5上下运动；所述旋转连接托盘组件5上部固定放置柱状支架6，中部穿过机架床体1台面的中间通孔，下部与升降机构组件3的上部通过螺纹紧固连接；所述气源2与机架床体1内部下板安装固定；所述喷头驱动组件安装在机架床体1上，包括电驱导轨7、气压喷头8、固定管夹9和滑块体10；所述电驱导轨7与机架床体1上部横梁下表面固定安装；所述滑块体10的上部与电驱导轨7相互配合安装，且滑块体10能在电驱导轨7驱动下靠近或远离旋转连接托盘组件5；所述气压喷头8通过固定管夹9夹持固定到滑块体10，通过控制器4控制将气体由气管向气压喷头8供气加压，实现气压喷头8的喷料打印。
如图2所示，根据本发明的一个实施例，所述升降机构组件3包括固定安装座3.1、电机a3.2、电机安装座3.3、联轴器3.4、螺旋升降箱3.5、螺杆3.6；所述螺旋升降箱3.5下部与固定安装座3.1上部紧固连接，右边伸出轴端与联轴器3.4左端连接；所述电机a3.2轴端与联轴器3.4右端连接，前端面与电机安装座3.3上部内端面固定连接，所述电机安装座3.3下端平面与固定安装座3.1紧固连接；所述螺杆3.6螺纹部位与螺旋升降箱3.5内部螺孔相配合，通过控制器4控制电机a3.2运动，可驱动螺杆3.6实现上下运动。
如图3所示，根据本发明的一个实施例，所述旋转连接托盘组件5包括连接筒体5.1、电机b 5.2、螺钉5.3、电机安装帽5.4、螺钉5.5、旋转托盘5.6；所述电机b 5.2通过螺钉5.5与电机安装帽5.4内端面紧固连接，电机b5.2轴端与旋转托盘5.6下端通过螺纹紧固连接，在电机b5.2的驱动下，旋转托盘5.6进行旋转运动；所述连接筒体5.1下端与螺杆3.6上端通过螺纹连接紧固，上部与电机安装帽5.4内部同心配合安装，通过周边至少2个螺钉5.3进行固定。
优选的，所述喷头驱动组件至少为2套，沿旋转连接托盘组件5周向均匀分布，实现多种生物材料的打印。
所述旋转连接托盘组件5中旋转托盘5.6旋转运动通过气动马达或齿轮机构驱动旋转。
所述升降机构组件3实现的升降动作可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、气缸或电动推杆来实现。
本发明回转式管状组织生物3D打印成型装置的控制方法是：
打印前将生物材料装填到气压喷头8，将预先准备好的柱状支架6放置于旋转托盘5.6上部且固定，然后在控制器4控制下，升降机构组件3的电机a3.2驱动螺杆3.6向上或向下运动，调整旋转连接托盘组件5的旋转托盘5.6到规定高度，电驱导轨7驱动滑块体10平移滑动到距离柱状支架6的指定距离；
打印开始，控制器4控制气源1通过气管向气压喷头8供气，将气压喷头8内的生物材料挤出，此时旋转连接托盘组件5内的电机b 5.2驱动旋转托盘5.6连续旋转；旋转托盘5.6每旋转一周，气压喷头8沿旋转托盘5.6径向移动指定距离，继续下一个位置打印；当同一高度层打印完毕以后，控制器4控制升降机构组件3的电机a3.2起动，通过联轴器3.4带动螺旋升降箱3.5使得螺杆3.6向下运动指定位置高度，进行接下来的一层打印工作；由此在控制器4的控制下旋转托盘5.6旋转、气压喷头8的径向运动与升降机构组件3的升降动作相互配合做周期性运动，以此实现管状组织器官的打印；
通过增加喷头驱动组件数量，可打印多种生物材料，实现异质结构的管状组织的打印，同时可以调整气动喷头8距离旋转托盘5.6圆心的位置差异，实现多个喷头并行打印，提高打印效率。
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 (7)

1.一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于包括机架床体（1）、气源（2）、升降机构组件（3）、控制器（4）、旋转连接托盘组件（5）、柱状支架（6）和喷头驱动组件；所述升降机构组件（3）下部与机架床体（1）的内部下板安装固定，上部与旋转连接托盘组件（5）的下部连接，可带动旋转连接托盘组件（5）上下运动；所述旋转连接托盘组件（5）上部固定放置柱状支架(6)，中部穿过机架床体(1)台面的中间通孔，下部与升降机构组件（3）的上部通过螺纹紧固连接；所述气源（2）与机架床体（1）内部下板安装固定；所述喷头驱动组件安装在机架床体（1）上，包括电驱导轨（7）、气压喷头(8)、固定管夹(9)和滑块体(10)；所述电驱导轨(7)与机架床体(1)上部横梁下表面固定安装；所述滑块体(10)的上部与电驱导轨(7)相互配合安装，且滑块体(10)能在电驱导轨(7)驱动下靠近或远离旋转连接托盘组件(5)；所述气压喷头(8)通过固定管夹(9)夹持固定到滑块体(10)，通过控制器(4)控制将气体由气管向气压喷头(8)供气加压，实现气压喷头(8)的喷料打印。
2.如权利要求1所述的一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于，所述升降机构组件（3）包括固定安装座（3.1）、电机a（3.2）、电机安装座（3.3）、联轴器（3.4）、螺旋升降箱（3.5）、螺杆（3.6）；所述螺旋升降箱（3.5）下部与固定安装座(3.1)上部紧固连接，右边伸出轴端与联轴器（3.4）左端连接；所述电机a（3.2）轴端与联轴器（3.4）右端连接，前端面与电机安装座（3.3）上部内端面固定连接，所述电机安装座（3.3）下端平面与固定安装座（3.1）紧固连接；所述螺杆（3.6）螺纹部位与螺旋升降箱（3.5）内部螺孔相配合，通过控制器（4）控制电机a（3.2）运动，可驱动螺杆（3.6）实现上下运动。
3.如权利要求1所述的一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于，所述旋转连接托盘组件（5）包括连接筒体（5.1）、电机b （5.2）、螺钉（5.3）、电机安装帽（5.4）、螺钉（5.5）、旋转托盘（5.6）；所述电机b （5.2）通过螺钉（5.5）与电机安装帽（5.4）内端面紧固连接，电机b（5.2）轴端与旋转托盘（5.6）下端通过螺纹紧固连接，在电机b（5.2）的驱动下，旋转托盘（5.6）进行旋转运动；所述连接筒体（5.1）下端与螺杆（3.6）上端通过螺纹连接紧固，上部与电机安装帽（5.4）内部同心配合安装，通过周边至少2个螺钉（5.3）进行固定。
4.如权利要求1所述的一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于，所述喷头驱动组件至少为2套，沿旋转连接托盘组件（5）周向均匀分布，实现多种生物材料的打印。
5.如权利要求1所述的一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于，所述旋转连接托盘组件（5）中旋转托盘（5.6）旋转运动通过气动马达或齿轮机构驱动旋转。
6.如权利要求1所述的一种回转式管状组织生物3D打印成型装置，其特征在于，所述升降机构组件（3）实现的升降动作可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、气缸或电动推杆来实现。
7.一种如权利要求1所述的回转式管状组织生物3D打印成型装置的控制方法，特征在于：
打印前将生物材料装填到气压喷头（8），将预先准备好的柱状支架（6）放置于旋转托盘（5.6）上部且固定，然后在控制器（4）控制下，升降机构组件（3）的电机a（3.2）驱动螺杆（3.6）向上或向下运动，调整旋转连接托盘组件（5）的旋转托盘（5.6）到规定高度，电驱导轨（7）驱动滑块体（10）平移滑动到距离柱状支架（6）的指定距离；
打印开始，控制器（4）控制气源（1）通过气管向气压喷头（8）供气，将气压喷头（8）内的生物材料挤出，此时旋转连接托盘组件（5）内的电机b（ 5.2）驱动旋转托盘（5.6）连续旋转；旋转托盘（5.6）每旋转一周，气压喷头（8）沿旋转托盘（5.6）径向移动指定距离，继续下一个位置打印；当同一高度层打印完毕以后，控制器（4）控制升降机构组件（3）的电机a（3.2）起动，通过联轴器（3.4）带动螺旋升降箱（3.5）使得螺杆（3.6）向下运动指定位置高度，进行接下来的一层打印工作；由此在控制器（4）的控制下旋转托盘（5.6）旋转、气压喷头（8）的径向运动与升降机构组件（3）的升降动作相互配合做周期性运动，以此实现管状组织器官的打印；
通过增加喷头驱动组件数量，可打印多种生物材料，实现异质结构的管状组织的打印，同时可以调整气动喷头（8）距离旋转托盘（5.6）圆心的位置差异，实现多个喷头并行打印，提高打印效率。
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