CN105670917B - 生物打印机喷头组件及生物打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物打印机喷头组件，包括具有通道(5)的安装块(3)和安装在通道(5)中的喷头(1)，安装块(3)内设有第一流道(4)，第一流道(4)的一端设有与通道(5)相通的端口(41)；喷头(1)包括分别远离和靠近通道(5)的出口(6)的等径部(12)和缩径部(13)，缩径部(13)与通道(5)之间形成第二流道(7)，缩径部(13)能够与端口(41)之间形成开口，开口连通第一流道(4)和第二流道(7)，等径部(12)能够封堵端口(41)。喷头组件的流通面积的调节可通过改变缩径部(13)与端口)41)的相对位置来实现，调整方便，易于实现，具有较好的可实施性。
Description
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喷头组件及生物打印机。
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打印生物墨水，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：现有的生物打印材料喷头的流通面积是恒定的，若需对生物打印材料流体的流量进行调节，只能依赖于前端的挤出装置进行调节。
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喷头组件及生物打印机，其中喷头组件的流通面积为可调节的，从而使得生物打印机喷出的生物打印材料流量可调。
为解决上述技术问题，本发明提供了生物打印机喷头组件，包括具有通道的安装块和安装在所述通道中的喷头，所述安装块内设有第一流道，所述第一流道的一端设有与所述通道相通的端口；所述喷头包括分别远离和靠近所述通道的出口的等径部和缩径部，所述缩径部与所述通道之间形成第二流道，所述缩径部能够与所述端口之间形成开口，所述开口用于连通所述第一流道和第二流道，所述等径部能够封堵所述端口。
在这个技术方案中，通过在第一流道的一端设置与通道相通的端口，并将喷头设计成由等径部和缩径部组成的结构形式，喷头组件中的流通面积可通过改变缩径部与端口的相对位置来调节，进而调节生物打印材料流体的流量，这样调整方便且易于使用。
优选地，还具有包括多个备选喷头的喷头套件，所述多个备选喷头彼此具有不同长度的所述等径部和所述缩径部，所述喷头从所述多个备选喷头中选出，以便实现以下状态中的一个：
全封堵状态：在所述全封堵状态下，所述等径部完全封堵所述端口；
部分封堵状态：在所述部分封堵状态下，所述等径部部分封堵所述端口；
全开状态：在所述全开状态下，所述端口全部地与所述缩径部相对。
在该优选的技术方案中，通过更换具有不同长度的等径部和缩径部的喷头，不同的喷头的缩径部与端口之间的位置关系不同，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态中的一个，继而实现喷头组件的流通面积的调节。
优选地，所述喷头能够在所述通道中可动，用于调节所述缩径部与所述第一流道的端口之间的相对位置，以实现在以下状态之间的切换：
全封堵状态：在所述全封堵状态下，所述等径部完全封堵所述端口；
部分封堵状态：在所述部分封堵状态下，所述等径部部分封堵所述端口；
全开状态：在所述全开状态下，所述端口全部地与所述缩径部相对。
在该改进的技术方案中，将喷头在通道中设计成可动结构，喷头与通道之间的位置关系发生改变，从而改变喷头的缩径部与端口之间的位置关系，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之间的切换，继而实现喷头组件的流通面积的动态可调，进而实现生物打印材料流体的流量动态可调。
进一步地，喷头在通道中是可伸缩的。
在该改进的技术方案中，将喷头在通道中进一步地设计成可伸缩的结构，通过改变喷头在通道中的伸缩长度，从而改变喷头的缩径部与端口之间的位置关系，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之间的切换，继而实现喷头组件的流通面积的动态可调，进而实现生物打印材料流体的流量动态可调。
进一步地，所述喷头是可平动的。
在该改进的技术方案中，将喷头在通道中进一步地设计成可平动的结构，通过改变喷头在通道中平动，从而改变喷头的缩径部与端口之间的位置关系，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之间的切换，继而实现喷头组件的流通面积的动态可调，进而实现生物打印材料流体的流量动态可调。
进一步地，所述缩径部朝向所述喷头的出口是渐缩的。
在该改进的技术方案中，将缩径部设计成朝向出口是渐缩的结构形式，有利于对进入第二流道后的第二材料进行导向，使得第二材料更易于包裹在从第三流道流出的第一材料上。
进一步地，所述缩径部的沿着朝向所述喷头的出口方向截得的剖面为锥形。
在该改进的技术方案中，将缩径部进一步地设计成锥形的结构形式，使得进入第二流道后的第二材料分布更加均匀，继而使得第二材料更均匀地包裹在从第三流道流出的第一材料上，而且锥形易于加工。
进一步地，所述喷头内设有第三流道，用于与所述喷头的出口连通。
在该改进的技术方案中，在喷头中设置第三流道，这样在喷头出口处与第二流道一起形成了两条流道，可以向喷头供给两种类型的生物打印材料流体，进而形成混合的生物打印单元。
进一步地，所述通道包括等径段和过渡段，所述等径段通过所述过渡段与所述通道的出口相通，所述等径部设置在所述等径段内，所述过渡段朝向所述通道的出口是渐缩的，在所述喷头的出口与所述通道的出口之间形成一腔室，通过第二流道的第二材料在腔室中包裹通过所述第三流道从所述喷头的出口喷出的第一材料以形成流体打印单元。
在该改进的技术方案中，第二材料通过第二流道进入该腔室并包裹喷头中喷出的第一材料，从而形成流体打印单元，流体打印单元在该渐缩的过渡段内流动，有利于汇聚流体，保证腔室内由第二材料包裹第一材料形成的流体打印单元的流向更加稳定，避免其扩散于第二流道。
进一步地，第二流道从过渡段至喷头的出口位置是渐缩的。
在该改进的技术方案中，第二流道从过渡段至喷头的出口是渐缩的结构形式，有利于在第二流道中将第二材料汇聚到喷头出口，且避免第二材料过厚地包裹第一材料。
本发明还提供了一种生物打印机，其包括上述的生物打印机喷头组件。优选地，生物打印机为3D生物打印机。
在该技术方案中，包括上述的生物打印机喷头组件的生物打印机也具有上述有益技术效果。
基于上述技术方案，本发明提供了一种生物打印机喷头组件，该生物打印机喷头组件通过在第一流道的一端设置与通道相通的端口，并将喷头设计成由等径部和缩径部组成的结构形式，喷头组件的流通面积可通过缩径部与端口的相对位置变化来调节，进而调节喷头组件的流通面积，进而调节喷头喷出的生物打印材料流体的流量，这样调整方便且易于实现，具有较好的可实施性。
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喷头组件在全封堵状态下的结构示意图；
图2为本发明生物打印机喷头组件在部分封堵状态下的结构示意图；
图3为本发明生物打印机喷头组件在全开状态下的结构示意图。
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。
本发明的具体实施例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，对于这些实施例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例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喷头组件的生物打印材料供料管的流通面积固定，若需对流量进行调节，只能依赖于前端的挤出装置进行调节。本发明设计了一种生物打印机喷头组件，该生物打印机喷头组件通过在第一流道的一端设置与通道相通的端口，并将喷头设计成由等径部和缩径部组成的结构形式，喷头组件的流通面积的调节可通过改变缩径部与端口的相对位置来实现，进而实现打印机出口端的生物打印材料流体的流量调节，这样调整方便，易于实现，具有较好的可实施性。
在本发明的生物打印机喷头组件一个示意性实施例中，如图1～图3所示，生物打印机喷头组件包括具有通道5的安装块3和安装在通道5中的喷头1，安装块3内设有第一流道4，第一流道4的一端设有与通道5相通的端口41，喷头1包括分别远离和靠近通道5的出口6的等径部12和缩径部13。生物材料供应源用于向第一流道4供应生物打印材料流体。
可选地，喷头1内设有第三流道11，用于向喷头1的出口供应生物打印材料流体。第一流道4和第三流道11既可供应单一种类的生物打印材料流体，也可以用于分别供应不同种类的生物打印材料流体，例如第一材料和第二材料，例如第三流道11用于供应第一材料，第一流道4用于供应包裹第一材料的第二材料。
其中，关于第一材料和第二材料，一种优选的实施方式是第一材料为含有细胞的打印材料(例如生物墨汁)，第二材料是未包含有细胞的打印材料，在此实施方式中，更优选地，第二材料是具有温敏特性的材料，尤其是具有温敏特性和一定黏度的生物相容性材料(例如水凝胶)。当然，作为另一种实施方式，第一材料是未包含有细胞的打印材料，而第二材料为包含有细胞的打印材料，在其余实施方式中，第一材料和第二材料也可以是都含有细胞的打印材料，也可以都不含有细胞的打印材料。
对于第一材料和第二材料的形态，第一材料和第二材料中任一或二者皆为以下几种形态的一种：均质、非均质(例如颗粒状混合物)、连续或非连续的流体。
生物打印机喷头组件可以包括第一材料供应源和第二材料供应源，第一材料供应源用于向第三流道11供给第一材料，第二材料供应源用于向第一流道4供应第二材料。
如图1所示，等径部12能够用于封堵第一流道4的端口41。缩径部13的径向尺寸可以小于等径部12，缩径部13与通道5之间形成第二流道7。如图2和3所示，端口41和缩径部13之间的开口用于将第一流道4和第二流道7连通。
如图1-3所述，喷头1能够处于至少一个以下状态：
在全封堵状态下，如图1所示，等径部12完全封堵第一流道4的端口41，使得第一流道4和第二流道7断开连通；
在部分封堵状态下，如图2所示，等径部12部分封堵第一流道4的端口41，第一流道4的端口41部分地与缩径部13相对，使得第一流道4和第二流道7连通；
在全开状态下，如图3所示，第一流道4的端口41全部地与缩径部13相对，使得第一流道4和第二流道7连通。
在该示意性实施例中，在第一流道4的一端设置与通道5相通的端口41，喷头1被设计包括等径部12和缩径部13，通过改变缩径部13与端口41的相对位置来实现喷头组件的流通面积的可调，进而实现生物打印材料流体的流量可调，这样调整方便，易于实现，具有较好的可实施性。
如图1所示，等径部12完全封堵第一流道4的端口41，使得第一流道4和第二流道7断开连通，使得第一流道4的流通面积为零。第二材料无法进入第二流道7，喷头组件处于全封堵状态；
如图2所示，等径部12部分封堵第一流道4的端口41，第一流道4的端口41部分地与缩径部13相对，这时第一流道4的流通面积会随着端口41和缩径部13之间的开口增大而增大，第一流道4内的第二材料通过该开口进入第二流道7，此时第一流道4的流通面积与端口41和缩径部13之间的开口大小成正比，使得打印生物材料的流量随着该开口的增大而增大，这时喷头组件处于部分封堵状态；
如图3所示，第一流道4的端口41全部地与缩径部13相对，端口41和缩径部13之间的开口达到最大，这时第一流道4的流通面积最大，使得通过第一流道4的生物打印材料流体的流量达到最大，喷头组件处于全开状态。
作为本发明的第一实施例，生物打印机喷头组件具有包括多个备选喷头的喷头套件，多个备选喷头彼此具有不同长度的等径部12和缩径部13，喷头1根据需要从多个备选喷头中选出，以便实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之一。也就是说通过更换具有不同长度的等径部12和缩径部13的喷头，来调整了喷头的缩径部12与端口41之间的位置关系，进而调整了端口41和缩径部13之间的开口大小，实现了全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之一，进而实现了打印材料的流量可调。
作为本发明的第二实施例，喷头1在通道5中可动，使得喷头1与通道5的位置关系发生改变，从而改变喷头1的缩径部13与端口41之间的位置关系，进而改变端口41和缩径部13之间的开口大小，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之间的切换，进而实现第二材料的流量动态可调。
喷头1在通道中可以是整体平动的，也可以是部分可动的，例如喷头1的等径部12或缩径部13是可伸缩的。将喷头1在通道5中进一步地设计成可伸缩的结构，通过改变喷头1在通道5中的伸缩长度，从而改变喷头1的缩径部13与端口41之间的位置关系，进而改变端口41和缩径部13之间的开口大小，即可实现全封堵状态、部分封堵状态以及全开状态之间的切换，进而实现第二材料的流量动态可调。
在第一和第二实施例中，缩径部13可以是径向尺寸小于等径部12的圆柱形结构，也可以是朝向出口6是渐缩的。如图1～图3所示，将缩径部13设计成朝向出口6是渐缩的结构形式，有利于对进入第二流道7后的第二材料进行导向，使得第二材料更易于包裹在从第三流道11流出的第一材料上。优选地，缩径部13的沿着朝向出口6的方向的剖面为锥形的，使得进入第二流道7后的第二材料分布更加均匀，继而使得第二材料更均匀地包裹在从第三流道11流出的第一材料上，而且锥形易于加工。
作为对第一和第二实施例的改进，如图1～图3所示，通道5包括等径段51和过渡段52，等径段51通过过渡段52与出口6相通，等径部12设置在等径段51内，过渡段52朝向出口6是渐缩的，在喷头1的出口与出口6之间形成一个腔室，通过第一流道的第二材料在腔室中包裹从喷头1的出口喷出的第一材料，以形成流体打印单元。第二材料通过第一流道进入该腔室并包裹喷头1中喷出的第一材料，从而形成流体打印单元。流体打印单元在该渐缩的过渡段52内流动，主要有利于汇聚，保证腔室内的由第二材料包裹第一材料的流体打印单元的流向更加稳定，避免其扩散于第二流道7。
如图1～图3所示，进一步地，第二流道7从过渡段52至喷头1的出口位置是渐缩的，这样的结构形式有利于进行第二材料的汇聚和加速，促进了第二材料对第一材料的包裹趋势，且避免第二材料过厚地包裹第一材料。
本发明还提供了一种生物打印机，其包括上述的生物打印机喷头组件。本发明的生物打印机喷头组件尤其适用于3D生物打印机。
以上结合的实施例对于本发明的实施例做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施例。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例进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种生物打印机喷头组件，其特征在于，包括具有通道(5)的安装块(3)和安装在所述通道(5)中的喷头(1)，所述安装块(3)内设有第一流道(4)，所述第一流道(4)的一端设有与所述通道(5)相通的端口(41)；所述喷头(1)包括分别远离和靠近所述通道(5)的出口(6)的等径部(12)和缩径部(13)，所述缩径部(13)与所述通道(5)之间形成第二流道(7)，所述缩径部(13)能够与所述端口(41)之间形成开口，所述开口用于连通所述第一流道(4)和第二流道(7)，所述等径部(12)能够封堵所述端口(41)。
2.根据权利要求1所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，还具有包括多个备选喷头的喷头套件，所述多个备选喷头彼此具有不同长度的所述等径部(12)和所述缩径部(13)，所述喷头(1)从所述多个备选喷头中选出，以便实现以下状态中的一个：
全封堵状态：在所述全封堵状态下，所述等径部(12)完全封堵所述端口(41)；
部分封堵状态：在所述部分封堵状态下，所述等径部(12)部分封堵所述端口(41)；
全开状态：在所述全开状态下，所述端口(41)全部地与所述缩径部(13)相对。
3.根据权利要求1所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述喷头(1)能够在所述通道(5)中可动，用于调节所述缩径部(13)与所述第一流道(4)的端口(41)之间的相对位置，以实现在以下状态之间的切换：
全封堵状态：在所述全封堵状态下，所述等径部(12)完全封堵所述端口(41)；
部分封堵状态：在所述部分封堵状态下，所述等径部(12)部分封堵所述端口(41)；
全开状态：在所述全开状态下，所述端口(41)全部地与所述缩径部(13)相对。
4.根据权利要求3所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述喷头(1)是可伸缩的。
5.根据权利要求3所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述喷头(1)是可平动的。
6.根据权利要求1所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述缩径部(13)朝向所述喷头(1)的出口是渐缩的。
7.根据权利要求6所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述缩径部(13)的沿着朝向所述喷头(1)的出口方向截得的剖面为锥形。
8.根据权利要求1所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述喷头(1)内设有第三流道(11)，所述第三流道(11)与所述喷头(1)的出口连通。
9.根据权利要求8所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述通道(5)包括等径段(51)和过渡段(52)，所述等径段(51)通过所述过渡段(52)与所述通道(5)的出口(6)相通，所述等径部(12)设置在所述等径段(51)内，所述过渡段(52)朝向所述通道(5)的出口(6)是渐缩的，在所述喷头(1)的出口与所述通道(5)的出口(6)之间形成一腔室，用于通过所述第二流道(7)的第二材料在所述腔室中包裹从所述喷头(1)的出口喷出的第一材料，以形成流体打印单元。
10.根据权利要求9所述的生物打印机喷头组件，其特征在于，所述第二流道(7)从所述过渡段(52)至所述喷头(1)的出口位置是渐缩的。
11.一种生物打印机，其特征在于，包括权利要求1所述的生物打印机喷头组件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |