CN105167879A - 一种双流道喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种双流道喷嘴，包括内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元，以及连接头和喷嘴，所述连接头将所述内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元连接到喷嘴，在喷嘴中形成所述内流道喷嘴单元挤出的内层材料处于中心、所述外流道喷嘴单元挤出的外层材料包绕在外周的喷丝结构。采用内外双流道技术，在内外双流道分别放入两种不同的材料，能挤压形成中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构，有效的对中心材料进行保护，应用与3D生物打印时，能对中心位置的细胞物质进行保护，并提供养分，提高打印出来生物细胞的存活率。

Description

一种双流道喷嘴

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，尤其涉及一种双流道喷嘴。

背景技术

3D生物打印机基于现有3D打印技术的原理，利用一层一层的生物构造块，去制造真正的活体组织。主要采用事先提取好的活体，进行组合排列，打印出所需要的细胞，误差可以控制在20微米以内，得到的器官可以显著降低排异反应，是目前生物医学领域在器官移植方面的重要技术突破。

在利用3D生物打印机打印生物材料与细胞复合物构建生物组织和器官时，传统的方法是将细胞还有生物材料均匀混合通过单一喷嘴喷出，这时由于处于外周的细胞受到喷嘴管壁的挤压导致细胞受到损伤，细胞的活力下降，在细胞与生物材料打印成型后，由于周围的养分和空间较少，影响细胞的新陈代谢、扩增与分化，使得构建的组织和器官后续的培养受到影响。

发明内容

本发明的目的就是提供一种双流道喷嘴，通过内外的双流道设置，可以形成中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构，避免中心材料受到损坏，保证打印出的喷丝结构的完整性，在进行3D生物打印时，有效提高生物细胞的存活率。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种双流道喷嘴，所述双流道喷嘴包括内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元，以及连接头和喷嘴，所述连接头将所述内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元连接到喷嘴，在喷嘴中形成所述内流道喷嘴单元挤出的内层材料处于中心、所述外流道喷嘴单元挤出的外层材料包绕在外周的喷丝结构。

进一步的，所述内流道喷嘴单元包括内容器，以及设置在内容器中的内密封圈、内导杆和内拉杆，所述内导杆一端与内拉杆连接，另一端与内密封圈连接；所述外流道喷嘴单元包括外容器，以及设置在外容器中的外密封圈和外拉杆，所述外密封圈固定在外拉杆的一端。

进一步的，所述外容器嵌套在内容器外面形成双层的容器套筒，所述容器套筒一端为封闭端，另一端为开口端，所述内容器的封闭端呈锥形向外延伸，且在锥形的顶端开设有喷射口，所述外容器的封闭端上开设有若干挤出孔。利用双层容器套筒，能将两种材料分别填充至内容器和外容器中，在挤压形成喷丝结果时，形成中间包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构。

进一步的，所述内密封圈呈锥形，且形状与内容器封闭端延伸的锥形相配合，所述内导杆与内密封圈连接的一端呈锥形，能将内容器内的材料完全挤压出来。

进一步的，所述内导杆与所述内拉杆通过螺纹连接。

进一步的，所述内拉杆的截面形状为十字形，在实现内拉杆结构稳定的同时节省材料。

同时，所述外拉杆截面形状为环形，中间设置有通孔，所述外拉杆沿轴线方向设置有若干隔板，所述外拉杆上设置有若干用于加强隔板结构强度的隔片。

进一步的，所述内容器穿过所述通孔，所述内拉杆远离内导杆的一端设置有挡圈，所述挡圈的直径大于所述通孔直径，通过挡圈，在推动内拉杆时，利用挡圈与外拉杆之间的作用力，带动外拉杆同步运动，保证内、外双流道中的材料能同步挤出。

本发明中，所述连接头呈锥形设置，所述连接头底部与所述外容器密封连接，所述连接头顶部设置有开口，且连接头通过开口与喷嘴导通。

进一步的，所述喷射口位于所述开口的中心位置上，确保内容器的材料能位于喷丝结构的中心位置上，有效的对内容器喷射出来的材料进行保护。

本发明提出的一种双流道喷嘴，采用内外双流道技术，在内外双流道分别放入两种不同的材料，通过内外两层流道可以形成中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构，在进行细胞生物3D打印时，能根据细胞的种类设定外周包绕生物材料与养分的厚度，在打印过程中能将细胞定位在喷丝结构的中心位置，避免细胞受到外力挤压产生的损伤，并能保证在细胞打印形成特定组织与器官后从周围获得充足的养分，大大提高了细胞存活率，对于控制构建的组织和器官质量，提高构建的组织和器官安全性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明双流道喷嘴结构示意图；

图2为本发明容器套筒结构示意图；

图3为本发明内密封圈结构示意图；

图4为本发明内导杆结构示意图；

图5为本发明内拉杆结构示意图；

图6为本发明连接头结构示意图；

图7为本发明外拉杆结构示意图；

图8为本发明外密封圈结构示意图；

图9为本发明喷嘴结构示意图。

附图标记说明：1、容器套筒；2、内密封圈；3、内导杆；4、内拉杆；5、外拉杆；6、外密封圈；7、连接头；8、喷嘴；11、内容器；12、外容器；13、内壁；14、外壁；15、挤出孔；16、侧壁；17、喷射口；41、挡圈；42、拉动块；51、隔片；52、隔板；53、通孔；71、开口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明的总体思路是在3D生物打印机中设置本发明的双流道喷嘴，本发明双流道喷嘴设计为内外双流道，在内外双流道分别放入两种不同的材料，通过内外两层流道可以形成中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构，在进行细胞生物3D打印时，能根据细胞的种类设定外周包绕生物材料与养分的厚度，在打印过程中能将细胞定位在喷丝结构的中心位置，避免细胞受到外力挤压产生的损伤，能保证在细胞打印形成特定组织与器官后从周围获得充足的养分，能大大提高了细胞存活率。该装置还适合PRP的制备，两种生物材料的合成制备等场合。

如图1所示的双流道喷嘴，包括内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元，以及连接头7和喷嘴8，所述连接头7将所述内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元连接到喷嘴8，在喷嘴8中形成所述内流道喷嘴单元挤出的内层材料处于中心、所述外流道喷嘴单元挤出的外层材料包绕在外周的喷丝结构。

其中，所述内流道喷嘴单元包括内容器11，以及设置在内容器11中的内密封圈2、内导杆3和内拉杆4，所述内导杆3一端与内拉杆4连接，另一端与内密封圈2连接；所述外流道喷嘴单元包括外容器12，以及设置在外容器12中的外密封圈6和外拉杆5，所述外密封圈6固定在外拉杆5的一端。

所述外容器12嵌套在内容器11外面形成双层的容器套筒1，所述容器套筒1一端为封闭端，另一端为开口端。内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元的其他部件通过开口端，分别安装至内容器11和外容器12内。

需要说明的是，外容器12和内容器11还可以分别单独设置，只要他们的出口均连接到连接头7，对准喷嘴8即可，双层的容器套筒1为本发明优选方案，体积小，使用方便。

优选的，容器套筒1如图2所示，包括内壁13和外壁14，通过内壁13形成空心圆柱状的内容器11，并且内壁13与外壁14之间，形成包覆在内容器11外的圆环状外容器12。其中，内容器11的封闭端向外延伸，且延伸出去的形状呈圆锥形，在圆锥形的顶端上开设有供内容器11内的材料向外喷射的喷射口17。同时外容器12的封闭端上开设有若干挤出孔15，且挤出孔15沿圆环形外容器12封闭端的圆周方向均匀分布，使外容器12内的材料能通过挤出孔15向外喷射，且能在内容器11的圆周外部均匀的喷射出。

本发明的内流道喷嘴单元包括内容器11、内密封圈2、内导杆3和内拉杆4，内导杆3的一端与内密封圈2连接，另一端与内拉杆4连接。其中，内密封圈2结构如图3所示，内密封圈2远离内导杆3的一端呈圆锥形，且形状与内容器11上向外延伸的锥形形状相配合，并且内密封圈2与内导杆3连接处的截面形状与内容器11的截面形状相配合，在将内密封圈2、内导杆3和内拉杆4安装至内容器11内后，通过内密封圈2能使内导杆3与内容器11之间形成密封连接，保证内拉杆4在拉动过程中，能将内容器11内的材料从喷射口17向外挤出，同时锥形的内密封圈2结构，能保证内容器11内的材料通过内密封圈2，完全向外挤出，提高内容器11内材料的利用率。

如图4所示，内导杆3与内密封圈2连接的一端呈锥形结构，锥形结构可以是如图4中所示的，由两个三角形板交错设置形成的结构，也可以是圆锥形、棱锥形等其他结构，通过锥形结构的设置，能使内导杆3更好的支撑内密封圈2，使内密封圈2在挤压内容器11内的材料时，具有更大的作用力，更彻底的将内容器11内的材料挤压出来。内导杆3远离内密封圈2的一端，通过螺纹连接的方式与内拉杆4之间形成稳定的连接，保证内拉杆4拉动过程中，能带动内导杆3移动。

内拉杆4结构如图5所示，靠近内导杆3的一端通过螺纹连接的方式与内导杆3实现连接。并且内流道喷嘴单元的其他部件均是插接在内容器11内，因此内导杆3的截面形状能嵌设在内容器11的圆形截面内。优选的，内导杆3采用两片矩形材料相互交错形成，其截面形状呈十字形，并且十字形截面的长度小于内容器11圆形截面的直径，保证内拉杆4能插接入内容器11内。十字形的截面形状，还能在保证内拉杆4整体结构稳定的情况下，节省内拉杆4的材料。进一步的，在内拉杆4远离内导杆3的一端，设置有挡圈41，挡圈41上还设置有便于拉动内拉杆4的拉动块42，在向外拉出拉动块42，对内容器11进行填充材料，以及向内推动拉动块42，将内容器11的材料挤出过程，通过拉动块42的设置，能更方便的通过对拉动块42的操作，来实现对内导杆3的拉出或挤压。

本发明的外流道喷嘴单元包括外容器12、外密封圈6和外拉杆5，外密封圈6固定连接在外拉杆5的一端。如图6所示，外拉杆5截面形状为环形，其中间轴线位置上设置有通孔53，优选的，通孔53的直径与内容器11的直径相配合，即将外拉杆5插接入外容器12内时，通过通孔53，能与容器套筒1的内壁13配合连接。同时在外拉杆5上设置有若干个与外容器12截面形状相配合的圆环状的隔片51，隔片51垂直于外拉杆5的轴线设置，且隔片51沿外拉杆5的轴线方向均匀分布。在隔片51的圆周方向上设置有若干道隔板52，隔板52沿外拉杆5的轴线方向设置，优选的，隔板52设置有四道，且沿隔片51的圆周方向均匀分布。通过四道隔板52的设置，能使外拉杆5的结构更加稳定，再通过外拉杆5的若干道隔片51，能在轴线方向上加强隔板52的结构强度，避免因外拉杆5过长导致隔板52发生形变的现象，使外拉杆5能稳定的将外容器12内的材料挤压出去。

如图7所示，本发明的外密封圈6截面形状为与外容器12截面形状相配合的圆环形，在将外密封圈6连接至外拉杆5的一端上后，外密封圈6能使外拉杆5与外容器12之间形成密封连接。在向外拉出外拉杆5时，通过外拉杆5与外容器12之间良好的密封性，能使外容器12通过挤出孔15，向外容器12内吸取填充物质；当外拉杆5向内推移时，又能将外容器12内的物质完全的由挤出孔15内挤出。

如图8所示，连接头7呈圆锥形，且靠近外容器12的一端直径较大，并且连接头7的顶端上开设有供外容器12材料挤出的开口71，在将连接头7连接至外容器12上后，容器套筒1上延伸出的喷射口17位置位于开口71内部，优选的，喷射口17位置位于开口71的中心处，使开口71与喷射口17的侧壁16形成圆环状的间隙，在将外容器12内的物质向外挤压喷射的过程中，形成截面为圆环状的包覆层，包覆在喷射口17喷射出的材料外，对喷射口17喷射出的中心材料起到保护作用。

其中，连接头7通过螺纹连接的方式与外容器12之间形成密封连接，内容器11上延伸出的圆锥形结构位置与形状固定，即喷射口17以及喷射口17侧壁16的位置与结构固定。外容器12在受到外拉杆5的挤压作用，将物质挤出时，通过连接头7上的开口71与喷射口17的侧壁16之间形成的间隙，挤压形成包覆层。因此包覆层的厚度是通过连接头7上的开口71与喷嘴8之间形成的间隙大小决定的。由于连接头7通过螺纹连接的方式与外容器12形成密封连接，在螺纹旋进与旋出的过程中，能改变连接头7相对外容器12的位置，即改变连接头7上开口71相对内容器11上喷射口17的位置，喷射口17的侧壁16呈圆锥形，当连接头7向靠近外容器12方向旋转时，开口71向喷射口17侧壁16的底部移动，使开口71与喷射口17侧壁16之间的间隙减小，打印出的包覆层壁厚减小，相反的，连接头7向远离外容器12方向旋转时，开口71向喷射口17侧壁16的顶端移动，圆环状间隙的内圆直径减小，打印出的包覆层厚度增加。因此，调节连接头7与外容器12之间的相对位置，可以调节包覆层的厚度。

本发明中，为了能控制最终喷射出材料的直径，在连接头7远离外容器12的一端上连接有喷嘴8，如图9所示，喷嘴8通过螺纹连接的方式与连接头7固定连接，由内容器11和外容器12上挤压出来的中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构后，再经过喷嘴8，对该喷丝结构进行进一步压缩，使周围的包覆层能与中心的材料之间相互作用，更好的包覆在中心材料外，对中心材料进行保护。同时，通过喷嘴8的设置，使喷丝结构能在喷嘴8内进行挤压过程中，能最终形成直径与喷嘴8管径相同的喷丝结构。由于喷嘴8的管径已成系列，可以根据需要进行选择，从而控制双流道喷嘴最终喷射出的喷丝结构的直径。

在对双流道喷嘴进行连接安装时，先将外密封圈6固定连接至外拉杆5的一端，然后通过容器套筒1的开口端，将外拉杆5以及外密封圈6整体插接入外容器12内，通过外密封圈6保证了外容器12与外拉杆5之间的密封性。然后再对内密封圈2、内导杆3与内拉杆4进行依次的连接，由于内容器11呈圆柱状，在内密封圈2和内拉杆4之间设置内导杆3，能更好的对内流道喷嘴单元在内容器11内的位置起到导向作用，确保内容器11能通过内密封圈2形成良好的密封性。将依次连接的内密封圈2、内导杆3和内拉杆4后，先穿过外拉杆5上的通孔53，再从开口端，将内密封圈2一端插接入内容器11内，确保内容器11的密封性。内拉杆4远离内导杆3的一端上设置有挡圈41，并且挡圈41的直径大于外拉杆5上通孔53的直径，在推动内拉杆4时，通过挡圈41与外拉杆5之间的作用，同步推动外拉杆5，保证内容器11与外容器12内的物质能始终保持同步挤出。在推进的速度发生变化时，依旧能稳定的形成中心包含一种材料，周围均匀包含另一种材料的喷丝结构。

在本发明的双流道喷嘴在3D生物打印机内使用时，具体操作包括如下步骤：

S1：将内拉杆4固定连接到带有内密封圈2的导杆上，然后将带有外密封圈6的外拉杆5插接入外容器12内，内拉杆4插接入内容器11内，并将外拉杆5与内拉杆4挤压至容器套筒1的最底端，即内容器11与外容器12内的空气完全挤压出去；再将容器套筒1的前端，即内容器11上延伸出的喷射口17，置于要吸取的溶液中，将内拉杆4向外抽出，抽吸适当的第一种溶液材料；

S2：将连接头7通过螺纹与容器套筒1上外容器12的前端连接固定，喷嘴8安装至连接头7的远离外容器12的一端上；

S3：将喷嘴8置于第二种容器中，拉动套有外密封圈6的外拉杆5，使外容器12吸取适当的第二种溶液材料；

S4：推动内拉杆4，通过内拉杆4上的挡圈41压迫并带动外拉杆5，使得内拉杆4和外拉杆5同时运动，将内容器11和外容器12内的溶液材料同时挤出，在喷嘴8中两种材料混合形成内容器11内的材料处于中心、外容器12内的材料包绕在外周的喷丝结构。

S5：将整套双流道喷嘴置于3D生物打印机的工作平台上，根据所打印的生物细胞需要，打印出不同形态和结构的组织与器官的生物细胞；

S6：打印完成后取下成型装置，对各器件进行损坏处理，以防循环使用。

在进行3D生物打印时，由于生物细胞的物质均不相同，因此成型装置不能循环使用，避免生物细胞的物质相互干扰，导致3D生物打印机打印出来的生物细胞出现偏差。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种双流道喷嘴，其特征在于，所述双流道喷嘴包括内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元，以及连接头(7)和喷嘴(8)，所述连接头(7)将所述内流道喷嘴单元和外流道喷嘴单元连接到喷嘴(8)，在喷嘴(8)中形成所述内流道喷嘴单元挤出的内层材料处于中心、所述外流道喷嘴单元挤出的外层材料包绕在外周的喷丝结构。

2.根据权利要求1所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述内流道喷嘴单元包括内容器(11)，以及设置在内容器(11)中的内密封圈(2)、内导杆(3)和内拉杆(4)，所述内导杆(3)一端与内拉杆(4)连接，另一端与内密封圈(2)连接；所述外流道喷嘴单元包括外容器(12)，以及设置在外容器(12)中的外密封圈(6)和外拉杆(5)，所述外密封圈(6)固定在外拉杆(5)的一端。

3.根据权利要求2所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述外容器(12)嵌套在内容器(11)外面形成双层的容器套筒(1)，所述容器套筒(1)一端为封闭端，另一端为开口端，所述内容器(11)的封闭端呈锥形向外延伸，且在锥形的顶端开设有喷射口(17)，所述外容器(12)的封闭端上开设有若干挤出孔(15)。

4.根据权利要求3所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述内密封圈(2)呈锥形，且形状与内容器(11)封闭端延伸的锥形相配合，所述内导杆(3)与内密封圈(2)连接的一端呈锥形。

5.根据权利要求4所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述内导杆(3)与所述内拉杆(4)通过螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述内拉杆(4)的截面形状为十字形。

7.根据权利要求3所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述外拉杆(5)截面形状为环形，中间设置有通孔(53)，所述外拉杆(5)沿轴线方向设置有若干隔板(52)，所述外拉杆(5)上设置有若干用于加强隔板(52)结构强度的隔片(51)。

8.根据权利要求7所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述内容器(11)穿过所述通孔(53)，所述内拉杆(4)远离内导杆(3)的一端设置有挡圈(41)，所述挡圈(41)的直径大于所述通孔(53)直径。

9.根据权利要求3至8中任意一项所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述连接头(7)呈锥形设置，所述连接头(7)底部与所述外容器(12)密封连接，所述连接头(7)顶部设置有开口(71)，且连接头(7)通过开口(71)与喷嘴(8)导通。

10.根据权利要求9所述的双流道喷嘴，其特征在于，所述喷射口(17)位于所述开口(71)的中心位置上。