CN105647802A - 生物打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物打印机，生物打印机包括喷头、连接件以及具有出料管的生物打印材料容器，连接件的第一端与出料管螺纹连接，连接件的第二端可拆卸地连接喷头。生物打印机通过在生物打印材料容器的出料管和喷头之间设置连接件，连接件第一端与出料管螺纹连接，第二端可拆卸地设置在喷头上，相比于现有技术中两头加塞配合的方式，只需将生物打印材料容器旋出即可实现快速更换，使得添加生物打印材料极为方便，避免了以往更换容器时容易将连接件整体拔出并破坏温度环境的问题，具有较高的可靠性。

Description

生物打印机

技术领域

本发明涉及生物打印领域，尤其涉及一种生物打印机。

背景技术

生物3D打印是指通过3D打印的原理和方法，将生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料或细胞溶液)打印成为设计的三维结构体，区别于普通的3D打印技术，生物3D打印技术生产的生物组织或器官还具有一定的生物学功能，需为细胞和组织的进一步生长提供条件，正是由于上述特性，生物3D打印技术在发展中，面临着很多特定的技术问题。

其中，在生物3D打印领域，将细胞作为打印材料的技术称为细胞三维打印技术，人们可以利用细胞和生物相容性材料制成生物墨汁，喷头移动并将生物墨汁喷出，通过程序控制喷头运动，将生物墨汁按照预设的目标打印物体的三维构建数字模型打印成型。

现有技术的不足之处在于：

现有的生物打印机通常采用快插结构连接喷头和打印材料容器，快插结构两端分别紧密的塞入并插接于喷头和打印材料容器，这样的连接结构稳定性差，快插结构通常还需要与其它管配合使用，不利于打印材料的温度控制，并且在拆装时都需要较大的操作空间。

发明内容

为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种生物打印机，能够实现生物打印材料容器的快速更换，具有较好的连接稳定性和保温性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物打印机，包括喷头、连接件以及具有出料管的生物打印材料容器，所述连接件的第一端与所述出料管螺纹连接，所述连接件的第二端可拆卸地连接所述喷头。

进一步地，所述出料管的出口端设有第一外螺纹，所述连接件的所述第一端设有用于容纳所述出口端的第一容纳腔，所述第一容纳腔内设有与所述第一外螺纹配合的第一内螺纹，所述出口端所套设于并螺纹连接到述连接件的所述第一端内。

进一步地，所述第一容纳腔的沿着朝向所述连接件的第二端方向截得的剖面是渐缩的。

进一步地，所述第一容纳腔的所述剖面是锥形的。

第一步地，所述锥形的锥度为6％。

进一步地，还包括安装块，所述喷头可拆卸且不可旋转地安装在所述安装块上。

进一步地，所述喷头与所述安装块之间设有周向限位结构，用于限制所述喷头与所述安装块之间相对旋转。

进一步地，所述连接件与所述喷头之间设有可拆卸的周向限位件，用于限制所述连接件与所述喷头之间相对旋转。

进一步地，还包括安装块，所述喷头可拆卸且不可旋转地安装在所述安装块上，所述连接件的所述第二端设有第二外螺纹，所述喷头设有用于容纳所述连接件的所述第二端的第二容纳腔，所述第二容纳腔内设有与所述第二外螺纹配合的第二内螺纹，所述连接件的所述第二端伸入并螺纹连接到所述第二容纳腔内。

进一步地，所述连接件还包括设置在所述连接件的所述第一端和所述第二端之间且径向凸起的轴向限位部，所述生物打印机还包括设置在所述喷头和所述轴向限位部之间的弹性垫圈。

进一步地，所述连接件的第二端与所述喷头之间的螺纹紧固力被设计成大于所述连接件的第一端与所述出料管之间的螺纹紧固力。

进一步地，所述喷头的底部包括延长杆，所述延长杆间隔开且邻近于所述喷头的出口设置，所述延长杆内设有细长的流道，用于使生物打印材料的流体打印单元通过所述流道被引导而定向喷出。

进一步地，所述延长杆与所述喷头相邻近的端面上设有敞口凹部，所述敞口凹部的出口与所述流道连通，所述喷头伸入到所述敞口凹部中，所述敞口凹部朝向所述流道是渐缩的，在所述喷头的外壁与所述敞口凹部之间形成辅材流道，在所述喷头的出口与所述敞口凹部的出口之间形成一腔室，通过所述辅材流道的辅材流体在所述腔室中包裹从所述喷头的所述出口喷出的主材流体，以形成所述流体打印单元。

进一步地，所述流道从其入口至出口是渐缩的。

进一步地，所述流道的沿所述流体打印单元的流动方向截得的剖面为锥形。

进一步地，所述生物打印机为3D生物打印机。

由此，基于上述技术方案，本发明提供了一种生物打印机，该生物打印机通过在生物打印材料容器的出料管和喷头之间设置连接件，连接件第一端与出料管螺纹连接，第二端可拆卸地设置在喷头上，相比于现有技术中两头加塞配合的方式，本技术方案只需将生物打印材料容器旋出即可实现快速更换，使得添加生物打印材料极为方便，避免了以往更换容器时容易将连接件整体拔出并破坏环境温度的问题，具有较高的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明生物打印机一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面所述的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

考虑到现有的生物打印机通常采用快插结构连接喷头和打印材料容器，快插结构两端分别塞入并插接于喷头和打印材料容器，这样的连接结构稳定性差，快插结构通常还需要与其它管配合使用，不利于打印材料的温度控制，并且在拆装时都需要较大的操作空间，

本发明设计了一种生物打印机，该生物打印机通过在生物打印材料容器的出料管和喷头之间设置连接件，连接件的第一端与出料管螺纹连接，第二端可拆卸地设置在喷头上，相比于现有技术中两头加塞配合的方式，本技术方案只需将生物打印材料容器旋出即可实现快速更换，使得添加生物打印材料极为方便，避免了以往更换容器时容易将连接件整体拔出并破坏喷头的环境温度的问题，具有较高的可靠性。

在本发明生物打印机一个示意性的实施例中，如图1所示，生物打印机包括喷头1、连接件2以及具有出料管3的生物打印材料容器，连接件2的第一端与出料管3螺纹连接，连接件2的第二端可拆卸地连接喷头1。

在该示意性的实施例中，通过在生物打印材料容器(图中未示出)的出料管3和喷头1之间设置连接件2，连接件2第一端与出料管3螺纹连接，第二端可拆卸地设置在喷头1上，相比于现有技术中两头加塞配合的方式，在本实施例中，例如通过控制主材容器和辅材容器的温度，当温度达到设定温度后，分别向对应的容器加入生物材料；将相应容器的出料管3插入对应的连接件，并顺时针旋转即可。这样只需旋转生物打印材料容器，相应地出料管3相对于连接件发生旋转，生物打印材料容器被旋出即可实现快速更换，使得添加生物打印材料(例如生物墨汁)极为方便，避免了以往更换生物打印材料容器时容易将两头加塞的连接件整体拔出而破坏环境温度的问题，避免了两头加塞的连接件整体拔出时，操作空间受限而难于操作的问题。

作为连接件2与出料管3螺纹连接的一种优选实施方式，如图1所示，出料管3的出口端设有第一外螺纹，连接件2的第一端设有用于容纳出口端的第一容纳腔，第一容纳腔内设有与第一外螺纹配合的第一内螺纹，出口端套设于并螺纹连接到连接件2的第一端内。由于生物打印材料容器需要经常更换，通过在出料管3的出口端设置外螺纹结构，出料管3螺旋地旋入连接件2的第一容纳腔，相较于连接件旋入出料管设置的内螺纹结构形式，该优选实施方式便于对出料管3进行对准定位，使得生物打印材料容器的安装更加方便快捷。

当然，通过在出料管3的出口端设置内螺纹结构，连接件2的第一端螺旋地旋入连出料管3的出口端内也属于本发明的保护范围。

作为对上述实施例的改进，如图1所示，第一容纳腔沿着朝着连接件2的第二端的方向是渐缩的。在连接件2的第一容纳腔内壁设置有朝向连接件的第二端渐缩的螺纹配合面，也就是设置朝向喷头1渐缩的第一容纳腔，当出料管3的出口端插进第一容纳腔以后，出料管3的侧部通过渐缩配合面与连接件2紧密配合，连接更紧密稳固，密封性能好。

优选地，第一容纳腔的剖面是锥形的，锥形的第一容纳腔呈对称结构，能够保证连接件2的第一端周向均匀地密封包裹出料管3的出口端，进一步的获得更好的密封效果；而且锥形的第一容纳腔易于加工，便于将出料管3旋出。优选地，第一容纳腔的剖面的锥度为6％，也就是第一容纳腔采用6％(鲁尔)锥度设计，在该优选的数值范围内，保证了连接部分500KPa的耐压，有效避免生物打印材料的泄漏。

作为本发明生物打印机一个优选的实施例，如图1所示，生物打印机还包括安装块4，喷头1可拆卸且不可旋转地安装在安装块4上。安装块4用于对喷头1进行安装定位，通过将喷头1可拆卸安装在安装块4上，能够便于不同规格的喷头1更换，喷头1不可旋转地安装在安装块4上。连接件2与喷头1之间设有可拆卸的周向限位件，使得连接件2不能相对于喷头1旋转。这样能够避免出料管3发生旋动时喷头1和连接件2相对安装块4发生随动。

具体地，喷头1相对于安装块4的不可旋转可通过在喷头1与安装块4之间设置周向限位结构实现，例如可以将喷头1的出口端加工成横剖面呈非圆形的柱体并插入安装块4中相应的横剖面呈非圆形的安装通道中，如图1所示地，喷头1一端可设有径向凸起11，用于与安装块4的凹部相配合。

作为本发明生物打印机另一个具体实施例，如图1所示，生物打印机还包括安装块4，喷头1可拆卸且不可旋转地安装在安装块4上，连接件2的第二端设有第二外螺纹，喷头1设有用于容纳连接件2的第二端的第二容纳腔，第二容纳腔内设有与第二外螺纹配合的第二内螺纹，连接件2的第二端伸入并螺纹连接至第二容纳腔。通过在连接件2的第二端设置第二外螺纹，连接件2的第二端螺旋地旋入喷头1的第二容纳腔，使得连接件2紧固地连接喷头1，避免生物打印材料在连接处的泄露。优选地，如图1所示，连接件2还包括设置在连接件2的第一端和第二端之间且径向凸起的轴向限位部21，生物打印机还包括设置在喷头1和轴向限位部21之间的弹性垫圈(图中未示出)，轴向限位部21能够使得连接件2获得更好的轴向定位，而设置在喷头1和轴向限位部21之间的弹性垫圈能够保证连接件2和喷头1的螺纹连接具有更大的预紧力，避免出料管3发生旋动时连接件2相对喷头1发生随动。

另外，连接件2与喷头1之间的螺纹紧固力被设计得大于连接件2与出料管3之间的螺纹紧固力，这样使得在通过旋转生物材料打印容器以使得出料管3与连接件2脱开连接时，即使在连接件2与喷头1没有设置周向定位件的情况下，连接件2与喷头1也不会随着生物材料打印容器一起旋转。

根据本发明的另一方面，考虑到现有的生物打印机喷头处直接将细胞喷出至打印平台，作为打印材料的流体会受到打印过程中机械力造成的损伤，本发明中位于X轴运动平台上的喷头通过在邻近于喷头出口设置具有细长的流道的延长杆，用作生物打印材料的流体打印单元通过流道被定向喷出，该流道能够保护流体打印单元，减小打印过程中机械力对流体打印单元的损伤，具有较高的可靠性。

在该示意性的实施例中，具有流道51的延长杆5可以通过安装块4设置在邻近于喷头1出口位置，用作生物打印材料的流体打印单元通过流道51被引导而定向喷出，相比于现有技术中底部出口突然收窄的结构，流体打印单元在引流喷出的过程中受到的压力更加均匀，并且易于维持良好的流动性，生物打印材料的流向更加稳定，缓解了细胞之间相互拥挤压迫的情况，减小打印过程中机械力对流体打印单元的损伤。

流体打印单元是指生物打印材料的最小打印单元，其可以是单一的主材流体(生物墨汁)组成的最小单元，也可以是由辅材流体(水凝胶)包裹主材流体而组成的混合流体的最小单元。

流道51能够对流体打印单元进行定向排序，降低阻塞的可能性。对于流体打印单元是由辅材流体包裹主材流体而形成的混合流体打印单元而言，流道51还有利于辅材流体均匀地包裹并保护主材流体。

此外，由于流道51呈细长状，防止在打印过程中生物打印材料与金属材料的摩擦而产生损伤，因而流道51能够保护流体打印单元，减小打印过程机械力对流体打印单元的损伤影响。

流道51可以如图1所示的为直的，流体打印单元被向下喷出，也可以根据打印需求设置成弯曲的结构形式，以提供更多的喷出方向的选择。

如图1所示，在延长杆5外周上还可以设置保温件52，保温件52能够保证流体打印单元在流道51中保持所需的温度，维持流体打印单元的活性。而且这样的结构形式克服了，在没有延长杆的情况下，喷头必须伸出一定长度以便于施加喷出材料但又不保温的技术缺陷。

作为对上述实施例的一方面改进，如图1所示，流道51从其入口至出口是渐缩的。流道51被如此设计使得流体打印单元在流道51中行进以有利于提高流体打印单元在流道51出口处的流速，并且降低其堵塞的可能性。优选地，流道51的沿流体打印单元的流动方向截得的剖面为锥形，以类似于漏斗或地铁闸口的结构形式的锥形的流道51使得流体打印单元在流道51中更加均匀分布，进一步降低其阻塞的可能性，而且锥形流道易于加工，具有较好的可实施性。

优选地，一方面，流道51的入口尺寸为流体打印单元尺寸的n倍，n＝2-5，在该优选的尺寸范围内能够有效避免流道51的入口发生堵塞的问题。优选地，流道51的入口尺寸为流体打印单元尺寸的2倍，从而使得流道51的入口处最多只能并排地进入两个流体打印单元。由于流道51为渐缩式流道，到达流道51的出口处只能流出单列的流体打印单元，这样能够进一步降低流体打印单元堵塞的可能性，而且有利于流体打印单元呈单列喷出。

另一方面，流道51的出口尺寸是流体打印单元尺寸的1-1.5倍，优选为1.2倍。在该尺寸范围内，流道51不仅利于流体打印单元呈单列喷出，而且还能在保证主材流体不受损的情况下避免辅材流体过厚地包裹主材流体，且有利于进一步提高流体打印单元在流道出口处的流速，保证流体打印单元呈单列喷出的连续性和均匀性。

作为对上述实施例的另一方面改进，如图1所示，延长杆5与喷头1相邻近的端面上设有敞口凹部53，敞口凹部53的出口与流道51连通，喷头1伸入到敞口凹部53中，敞口凹部53的横截面朝向流道51是渐缩的，在喷头1的外壁与敞口凹部53之间形成辅材流道，在喷头1的出口与敞口凹部53的出口之间形成一腔室，通过辅材流道的辅材流体在腔室中包裹从喷头1的出口喷出的主材流体，以形成流体打印单元。通过在延长杆5与喷头1相邻近的端面上设置渐缩的敞口凹部53，喷头1的外壁与敞口凹部53之间形成辅材流道，喷头1的出口与敞口凹部53的出口之间形成一腔室，辅材流体(水凝胶)通过辅材流道进入该腔室并包裹喷头中喷出的主材流体(生物墨汁)，从而形成混合流体打印单元。其中，主材流体可以是均质、非均质(例如颗粒状混合物)、连续或非连续的流体。

具体而言，由于喷头1的外壁与渐缩的敞口凹部53之间形成辅材流道，辅材流道具有均匀压力的功能，即使辅材如图1所示地是由一侧进入辅材流道，其在辅材流道内仍具有均匀的压强，保证生物材料在邻近或远离辅材进口的一侧具有均匀的包裹效果。在该实施例中，敞口凹部53的沿着所述流体打印单元的流动方向截得的剖面优选地为锥形，呈锥形结构的敞口凹部53使得辅材流体沿敞口凹部53的锥面流动，起到朝向喷头1的出口处汇聚的作用，有利于辅材流体单元对主材流体单元的均匀包裹，该结构形式的敞口凹部53还能够保证腔室内的流向更加稳定。

混合后的流体打印单元在敞口凹部53内流动，而且敞口凹部53有利于流体打印单元朝向延长杆5的流道51处汇聚，保证腔室内的混合后的流体打印单元的流向更加稳定，避免其扩散于辅材流道。

如图1所示，喷头1的出口与敞口凹部53之间留有间隙，优选地，喷头1的出口与敞口凹部53之间的间隙小于流体打印单元的尺寸，这样能够防止流体打印单元向辅材流道逆向流动，保证腔室内流体打印单元稳定地流向流道51。

在根据本发明的生物打印机喷头组件一实施例中，辅材流体包裹主材流体的过程如下：

主材流体从喷头1的喷出后，进入喷头1的出口与敞口凹部53的出口之间的腔室，辅材流体通过喷头1的外壁与敞口凹部53之间形成的辅材流道进入该腔室，腔室中的辅材流体具有一定的压力，并将辅材流体压迫附着于由喷头1露出的一部分的主材流体单元，直至整个主材流体单元喷出后，辅材流体将主材流体单元全部包裹，形成了一个混合的流体打印单元，这时该流体打印单元的一部分可能已经进入到延长杆5的流道51中。最终使得主材流体单元在辅材流体的连续包裹下进入延长杆5的流道51，被辅材流体包裹的主材流体单元在流道51内定向流动、被均匀包裹和有序喷出。

在流动过程中，主材流体被辅材流体充分均匀地包裹，这样结构也使得辅材包裹得均匀而充分，辅材流体在主材流体从流道51的出口喷出之前包裹在主材周围形成保护结构，进一步降低了打印过程对主材流体的影响。

以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。例如喷头1可拆卸且不可旋转地安装在安装块4上还可以通过喷头1和安装块4之间的过盈配合来实现，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种生物打印机，其特征在于，包括喷头(1)、连接件(2)以及具有出料管(3)的生物打印材料容器，所述连接件(2)的第一端与所述出料管(3)螺纹连接，所述连接件(2)的第二端可拆卸地连接所述喷头(1)。

2.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，所述出料管(3)的出口端设有第一外螺纹，所述连接件(2)的所述第一端设有用于容纳所述出口端的第一容纳腔，所述第一容纳腔内设有与所述第一外螺纹配合的第一内螺纹，所述出口端所套设于并螺纹连接到述连接件(2)的所述第一端内。

3.根据权利要求2所述的生物打印机，其特征在于，所述第一容纳腔的沿着朝向所述连接件(2)的第二端方向截得的剖面是渐缩的。

4.根据权利要求3所述的生物打印机，其特征在于，所述第一容纳腔的所述剖面是锥形的。

5.根据权利要求4所述的生物打印机，其特征在于，所述锥形的锥度为6％。

6.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，还包括安装块(4)，所述喷头(1)可拆卸且不可旋转地安装在所述安装块(4)上。

7.根据权利要求6所述的生物打印机，其特征在于，所述喷头(1)与所述安装块(4)之间设有周向限位结构，用于限制所述喷头(1)与所述安装块(4)之间相对旋转。

8.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，所述连接件(2)与所述喷头(1)之间设有可拆卸的周向限位件，用于限制所述连接件(2)与所述喷头(1)之间相对旋转。

9.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，还包括安装块(4)，所述喷头(1)可拆卸且不可旋转地安装在所述安装块(4)上，所述连接件(2)的所述第二端设有第二外螺纹，所述喷头(3)设有用于容纳所述连接件(2)的所述第二端的第二容纳腔，所述第二容纳腔内设有与所述第二外螺纹配合的第二内螺纹，所述连接件(2)的所述第二端伸入并螺纹连接到所述第二容纳腔内。

10.根据权利要求9所述的生物打印机，其特征在于，所述连接件(2)还包括设置在所述连接件(2)的所述第一端和所述第二端之间且径向凸起的轴向限位部(21)，所述生物打印机还包括设置在所述喷头(1)和所述轴向限位部(21)之间的弹性垫圈。

11.根据权利要求9所述的生物打印机，其特征在于，所述连接件(2)的第二端与所述喷头(1)之间的螺纹紧固力被设计成大于所述连接件(2)的第一端与所述出料管(3)之间的螺纹紧固力。

12.根据权利要求1所述的生物打印机，其特征在于，所述生物打印机为3D生物打印机。