CN105125315A - 用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头及其控制方法，它包括电机、联轴器、螺杆、活塞体、料筒旋盖、料筒、单向阀、喷头、单向控制阀组和电磁换向阀，通过电磁换向阀左端电磁铁或右端电磁铁得电，选择打印材料或清洗液，电机通过螺杆驱动活塞体在料筒内上下运动，同时生物材料或清洗液通过连接软管进入料筒，完成填料或清洗过程。电机通过螺杆驱动活塞体下压，将生物材料通过单向阀和喷头压出，实现打印过程。通过增加单向控制阀组和电磁换向阀可进行多种生物材料的切换打印。其优点是：结构构思简单巧妙，能实现自动填料和清洗，降低维护成本，可实现多种生物材料切换打印，同时易于实现自动化控制，大大提高打印效率。

Description

用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头及其控制方法，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，提高打印效率，目前打印喷头填料过程需采用人工干预或半自动化，清洗时要将料筒等部件打开或取出进行清洗工作，在安装回去，操作费时费力，也需要每次对喷头进行位置及精度的校核调整，同时打印的生物材料单一或多组喷头并行实现多种生物材料打印，结构复杂，且容易造成相互之间的干扰。为解决这种问题，发明一种自动填料和清洗生物3D打印喷头及其控制方法，实现自动化控制操作，通过功能扩展，实现多种材料的打印，即可避免人工干预造成的每次都要进行的精度校核和复杂的填料和清洗维护工作，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喷头填料和清洗的困难，避免人工干预操作的复杂性和对喷头位置精度调整校核的影响，提供用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头包括电机、联轴器、螺杆、料筒旋盖、活塞体、料筒、单向阀、喷头、单向控制阀组和电磁换向阀；所述电机固定在机架，通过联轴器与螺杆相连接用以传递驱动力；所述料筒安装在机架上；所述料筒旋盖通过螺纹连接安装在料筒的上部；所述活塞体上部与螺杆连接，活塞体下部安装在料筒内部；所述单向阀安装在料筒的下部；所述喷头安装在单向阀下面；所述单向控制阀组由第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀组成，均安装在机架上，第二单向阀的开启方向与第一单向阀和第三单向阀相反；所述单向控制阀组一端通过软管分别与电磁换向阀的三个阀口连接，另一端通过软管与料筒的三个通孔接头连接。

所述活塞体包括O型圈b、活塞、螺杆座；所述活塞和螺杆座通过焊接或铸造的方式组成合件；所述活塞与料筒同轴安装并可沿料筒内壁上下滑动；所述O型圈b套在活塞的凹槽内，在活塞与料筒之间形成密封；所述螺杆座与螺杆通过螺纹连接，螺杆在电机带动下旋转可以推动螺杆座上下运动，从而带动整个活塞体在料筒内部上下滑动。

所述单向阀包括单向阀阀体、阀芯、阀芯弹簧座、弹簧、O型圈a；所述阀芯安装在单向阀阀体内，并且下部与阀芯弹簧座的中间孔配合，同轴安装，可上下滑动；所述阀芯弹簧座安装在单向阀阀体内部；所述弹簧套在阀芯上，弹簧的上下端面分别受到阀芯和阀芯弹簧座的限制；所述O型圈a安装在阀芯的凹槽内；所述喷头通过螺纹形式与单向阀阀体连接，方便拆卸。

所述阀芯弹簧座通过螺纹连接旋入到单向阀阀体内，通过调整旋入深度可以控制弹簧的压缩量。

所述料筒下部至少开设3个通孔接头；所述电磁换向阀和单向控制阀组组成生物材料和清洗液输送阀组，生物材料和清洗液输送阀组数量至少有一组。

所述用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头的控制方法是：

打印前将生物材料和清洗液装填好；

喷头需要清洗时：

电磁换向阀的右端电磁铁得电，电磁换向阀9右位接通，此时只有第二单向阀和第三单向阀通过电磁换向阀分别与清洗液回收端和清洗液端接通；电机通过联轴器带动螺杆驱动活塞体向上运动，料筒内形成负压，由于第二单向阀反向压力关闭，第三单向阀正向压力开启，清洗液通过电磁阀、第三单向阀和软管吸入料筒内。此时，单向阀因反向压力作用处于关闭状态。

待清洗液充满料筒时，电机反向旋转，将活塞体向下推动，料筒内产生高压；此时第二单向阀因正向压力开启，第三单向阀因反向压力关闭，料筒内清洗液在活塞体的推动下从第二单向阀压出到清洗液回收端，同时单向阀因正向压力开启，部分清洗从喷头压出，由此完成对料筒和喷头的清洗。清洗过程可重复数次，即可将料筒和喷头清洗干净；

生物材料打印时：

电磁换向阀左端电磁铁得电，电磁换向阀9左位接通，此时只有第一换向阀通过电磁换向阀与生物材料端接通；电机通过联轴器带动螺杆驱动活塞体向上运动，料筒内形成负压，此时第一单向阀因正向压力开启，单向阀因反向压力关闭，生物材料通过软管被吸入料筒内；待生物材料达到要求后，电机反向驱动，将活塞体向下推动，料筒内形成高压，此时第一单向阀因反向压力关闭，单向阀因正向压力开启，活塞体推动生物材料通过单向阀和喷头压出，由此实现生物材料的打印。通过控制电机正反转可以反复加载和挤出生物材料，实现生物材料的连续打印。通过增加单向控制阀组和电磁换向阀的组数，可实现多种生物材料的打印。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

1、不用更换料筒，通过自动清洗功能将料筒、单向阀和喷头清洗干净，有效的解决了不用拆卸就能进行清洗的问题，既可实现多种生物材料料源共用一个料筒。

2、不用人工干预可自动实现生物材料的填料动作，使其连续打印，提高打印效率。

3、可根据所需打印生物材料的种类添加阀组实现多种生物材料的切换打印。

4、整个装置结构简单，易于组装装配，降低制造成本。

5、整个装置的控制方法简单，易于实现自动化控制。

附图说明

图1是用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头等轴侧视图；

图2是等轴侧视图中Ⅰ处局部放大视图；

图3是活塞体结构示意图；

图4是料筒结构示意图；

图中：喷头1，单向阀2，第一单向阀2a，第二单向阀2b，第三单向阀2c，单向阀阀体2.1，阀芯2.2，阀芯弹簧座2.3，弹簧2.4，O型圈a2.5，料筒3，活塞体4，O型圈b4.1，活塞4.2，螺杆座4.3，料筒旋盖5，螺杆6，联轴器7，电机8，电磁换向阀9，左端电磁铁Y1，右端电磁铁Y2。

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，一种用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头包括电机8、联轴器7、螺杆6、料筒旋盖5、活塞体4、料筒3、单向阀2、喷头1、单向控制阀组和电磁换向阀9；所述电机8固定在机架，通过联轴器7与螺杆6相连接用以传递驱动力；所述料筒3安装在机架上；所述料筒旋盖5通过螺纹连接安装在料筒3的上部；所述活塞体4上部与螺杆6连接，活塞体4下部安装在料筒3内部；所述单向阀1安装在料筒的下部；所述喷头1安装在单向阀2下面；所述单向控制阀组由第一单向阀2a、第二单向阀2b和第三单向阀2c组成，均安装在机架上，第二单向阀2b的开启方向与第一单向阀2a和第三单向阀2c相反；所述单向控制阀组一端通过软管分别与电磁换向阀9的三个阀口连接，另一端通过软管与料筒3的三个通孔接头连接。

如图3所示，所述活塞体4包括O型圈b4.1、活塞4.2、螺杆座4.3；所述活塞4.2和螺杆座4.3通过焊接或铸造的方式组成合件；所述活塞4.2与料筒3同轴安装并可沿料筒3内壁上下滑动；所述O型圈b4.1套在活塞4.2的凹槽内，在活塞4.2与料筒3之间形成密封；所述螺杆座4.3与螺杆6通过螺纹连接，螺杆6在电机8带动下旋转可以推动螺杆座4.3上下运动，从而带动整个活塞体4在料筒3内部上下滑动。

所述单向阀2包括单向阀阀体2.1、阀芯2.2、阀芯弹簧座2.3、弹簧2.4、O型圈a2.5；所述阀芯2.2安装在单向阀阀体2.1内，并且下部与阀芯弹簧座2.3的中间孔配合，同轴安装，可上下滑动；所述阀芯弹簧座2.3安装在单向阀阀体2.1内部；所述弹簧2.4套在阀芯2.2上，弹簧2.4的上下端面分别受到阀芯2.2和阀芯弹簧座2.3的限制；所述O型圈a2.5安装在阀芯2.2的凹槽内；所述喷头1通过螺纹形式与单向阀阀体2.1连接，方便拆卸。

所述阀芯弹簧座2.3通过螺纹连接旋入到单向阀阀体2.1内，通过调整旋入深度可以控制弹簧2.4的压缩量。

所述料筒3下部至少开设3个通孔接头；所述电磁换向阀9和单向控制阀组组成生物材料和清洗液输送阀组，生物材料和清洗液输送阀组数量至少有一组。

本发明用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头的控制方法是：

打印前将生物材料和清洗液装填好；

喷头需要清洗时：

电磁换向阀9的右端电磁铁Y2得电，电磁换向阀9右位接通，此时只有第二单向阀2b和第三单向阀2c通过电磁换向阀9分别与清洗液回收端和清洗液端接通；电机8通过联轴器7带动螺杆6驱动活塞体4向上运动，料筒3内形成负压，由于第二单向阀2b反向压力关闭，第三单向阀2c正向压力开启，清洗液通过电磁阀9、第三单向阀2c和软管吸入料筒3内。此时，单向阀2因反向压力作用处于关闭状态。

待清洗液充满料筒2时，电机8反向旋转，将活塞体4向下推动，料筒3内产生高压；此时第二单向阀2b因正向压力开启，第三单向阀2c因反向压力关闭，料筒3内清洗液在活塞体4的推动下从第二单向阀2b压出到清洗液回收端，同时单向阀2因正向压力开启，部分清洗从喷头1压出，由此完成对料筒3和喷头1的清洗。清洗过程可重复数次，即可将料筒3和喷头1清洗干净；

生物材料打印时：

电磁换向阀9左端电磁铁Y1得电，电磁换向阀9左位接通，此时只有第一换向阀2a通过电磁换向阀9与生物材料端接通；电机8通过联轴器7带动螺杆6驱动活塞体4向上运动，料筒3内形成负压，此时第一单向阀2a因正向压力开启，单向阀2因反向压力关闭，生物材料通过软管被吸入料筒3内；待生物材料达到要求后，电机8反向驱动，将活塞体4向下推动，料筒3内形成高压，此时第一单向阀2a因反向压力关闭，单向阀2因正向压力开启，活塞体4推动生物材料通过单向阀2和喷头1压出，由此实现生物材料的打印。通过控制电机正反转可以反复加载和挤出生物材料，实现生物材料的连续打印。通过增加单向控制阀组和电磁换向阀9的组数，可实现多种生物材料的打印。

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)

1.一种用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头，其特征在于：包括电机(8)、联轴器(7)、螺杆(6)、料筒旋盖(5)、活塞体(4)、料筒(3)、单向阀(2)、喷头(1)、单向控制阀组和电磁换向阀(9)；所述电机（8）固定在机架，通过联轴器（7）与螺杆（6）相连接用以传递驱动力；所述料筒（3）安装在机架上；所述料筒旋盖（5）通过螺纹连接安装在料筒（3）的上部；所述活塞体（4）上部与螺杆（6）连接，活塞体（4）下部安装在料筒（3）内部；所述单向阀（1）安装在料筒的下部；所述喷头（1）安装在单向阀（2）下面；所述单向控制阀组由第一单向阀(2a)、第二单向阀(2b)和第三单向阀(2c)组成，均安装在机架上，第二单向阀(2b)的开启方向与第一单向阀(2a)和第三单向阀(2c)相反；所述单向控制阀组一端通过软管分别与电磁换向阀（9）的三个阀口连接，另一端通过软管与料筒（3）的三个通孔接头连接。

2.如权利要求1所述的用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头，其特征在于：所述活塞体（4）包括O型圈b（4.1）、活塞（4.2）、螺杆座（4.3）；所述活塞（4.2）和螺杆座（4.3）通过焊接或铸造的方式组成合件；所述活塞（4.2）与料筒（3）同轴安装并可沿料筒（3）内壁上下滑动；所述O型圈b（4.1）套在活塞（4.2）的凹槽内，在活塞（4.2）与料筒（3）之间形成密封；所述螺杆座（4.3）与螺杆（6）通过螺纹连接，螺杆（6）在电机（8）带动下旋转可以推动螺杆座（4.3）上下运动，从而带动整个活塞体（4）在料筒（3）内部上下滑动。

3.如权利要求1所述的用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头，其特征在于：所述单向阀（2）包括单向阀阀体（2.1）、阀芯（2.2）、阀芯弹簧座（2.3）、弹簧（2.4）、O型圈a（2.5）；所述阀芯（2.2）安装在单向阀阀体（2.1）内，并且下部与阀芯弹簧座（2.3）的中间孔配合，同轴安装，可上下滑动；所述阀芯弹簧座（2.3）安装在单向阀阀体（2.1）内部；所述弹簧（2.4）套在阀芯（2.2）上，弹簧（2.4）的上下端面分别受到阀芯（2.2）和阀芯弹簧座（2.3）的限制；所述O型圈a（2.5）安装在阀芯（2.2）的凹槽内；所述喷头（1）通过螺纹形式与单向阀阀体（2.1）连接，方便拆卸。

4.如权利要求1所述的用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头，其特征在于：所述阀芯弹簧座（2.3）通过螺纹连接旋入到单向阀阀体（2.1）内，通过调整旋入深度可以控制弹簧（2.4）的压缩量。

5.如权利要求1所述的用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头，其特征在于：所述料筒（3）下部至少开设3个通孔接头；所述电磁换向阀（9）和单向控制阀组组成生物材料和清洗液输送阀组，生物材料和清洗液输送阀组数量至少有一组。

6.一种如权利要求1所述用于生物组织制造的自动填料和清洗喷头的控制方法，其特征在于：

打印前将生物材料和清洗液装填好；

喷头需要清洗时：

电磁换向阀（9）的右端电磁铁（Y2）得电，电磁换向阀9右位接通，此时只有第二单向阀（2b）和第三单向阀（2c）通过电磁换向阀（9）分别与清洗液回收端和清洗液端接通；电机（8）通过联轴器（7）带动螺杆（6）驱动活塞体（4）向上运动，料筒（3）内形成负压，由于第二单向阀（2b）反向压力关闭，第三单向阀（2c）正向压力开启，清洗液通过电磁阀（9）、第三单向阀（2c）和软管吸入料筒（3）内；

此时，单向阀（2）因反向压力作用处于关闭状态；

待清洗液充满料筒（2）时，电机（8）反向旋转，将活塞体（4）向下推动，料筒（3）内产生高压；此时第二单向阀（2b）因正向压力开启，第三单向阀（2c）因反向压力关闭，料筒（3）内清洗液在活塞体（4）的推动下从第二单向阀（2b）压出到清洗液回收端，同时单向阀（2）因正向压力开启，部分清洗从喷头（1）压出，由此完成对料筒（3）和喷头（1）的清洗；

清洗过程可重复数次，即可将料筒（3）和喷头（1）清洗干净；

生物材料打印时：

电磁换向阀（9）左端电磁铁（Y1）得电，电磁换向阀9左位接通，此时只有第一换向阀（2a）通过电磁换向阀（9）与生物材料端接通；电机（8）通过联轴器（7）带动螺杆（6）驱动活塞体（4）向上运动，料筒（3）内形成负压，此时第一单向阀（2a）因正向压力开启，单向阀（2）因反向压力关闭，生物材料通过软管被吸入料筒（3）内；待生物材料达到要求后，电机（8）反向驱动，将活塞体（4）向下推动，料筒（3）内形成高压，此时第一单向阀（2a）因反向压力关闭，单向阀（2）因正向压力开启，活塞体（4）推动生物材料通过单向阀（2）和喷头（1）压出，由此实现生物材料的打印；

通过控制电机正反转可以反复加载和挤出生物材料，实现生物材料的连续打印；

通过增加单向控制阀组和电磁换向阀（9）的组数，可实现多种生物材料的打印。