CN105818389B - 一种自吸式生物3d打印喷头装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自吸式生物3D打印喷头装置及其控制方法，属于组织工程和生物3D打印领域。其特征在于：该喷头装置包括喷头、柱塞缸体、螺钉、斜盘盖、电机座、电机、联轴器、传动轴、平键和配流筒体。电机通过联轴器带动传动轴旋转，将同轴安装在配流筒体内的柱塞缸体驱动旋转，使柱塞缸体上的柱塞体在弹簧力和斜盘盖内斜面的配合作用下在缸体柱塞孔内上下运动，实现连续的吸料和压料动作，完成连续的生物材料打印工作。其有效避免应用于大体积组织材料器官的连续打印时需要停机更换喷头装置的麻烦。优点是：结构构思简单巧妙，易于实现自动化控制，提高打印效率，同时有效解决连续供料打印的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生物组织制造的自动吸料和压料的喷头装置及其方法，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。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。
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构建要求，需要开发一种能进行自动吸料和压料的成形喷头装置。当前一些喷头设计的是单次使用，料筒内的生物材料有限不能实现连续打印，需要停机更换料筒，这样严重的影响了打印的效率，同时每一次都要重新进行位置精度的重复校核。为解决这种问题，发明一种自吸式的喷头装置是很有意义的。
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，提供一种具有结构巧妙、易于控制的喷头，同时通过扩展可实现多种生物材料打印的喷头装置。
本发明的技术方案如下：
一种自吸式生物3D打印喷头装置包括喷头、柱塞缸体、螺钉、斜盘盖、电机座、电机、联轴器、传动轴、平键、配流筒体；所述配流筒体固定在机架上，其下部设有进料口和出料口，进料口与进料管连接，出料口与喷头上部通过螺纹紧固连接；所述柱塞缸体安装在配流筒体内部，柱塞缸体下端面与配流筒体内部端面接触，柱塞缸体下部的密封凸起与配流筒体内部端面的密封槽配合安装形成密封；所述斜盘盖与配流筒体上部同轴安装，且通过至少4个螺钉进行紧固，斜盘盖内部的斜面与柱塞缸体上部的滑靴平面接触配合，形成运动摩擦副；所述电机座的上端面固定电机，下端面与斜盘盖上端通过螺纹紧固连接；所述传动轴下端通过平键与柱塞缸体中心孔相配合安装，上端通过联轴器与电机的驱动轴相连接，以此来驱动柱塞缸体转动。
进一步，所述柱塞缸体由缸体、弹簧、弹簧座、柱塞体组成；所述柱塞体由滑靴、小卡圈、大卡圈、柱塞组成，小卡圈卡在柱塞上部的第一个卡槽内，大卡圈卡在柱塞上部的第二个卡槽内，柱塞的头部安装在滑靴内形成转动副，小卡圈嵌在柱塞和滑靴之间防止两者脱落，所述弹簧座和弹簧依次与柱塞同轴安装，弹簧座中心孔上部与大卡圈下部接触配合定位，弹簧上部与弹簧座外缘下表面接触配合，下部与缸体弹簧孔同轴配合安装；所述柱塞下部与缸体柱塞孔同轴配合安装，柱塞可沿缸体柱塞孔内表面相对滑动，实现吸压料过程。
进一步，所述配流筒体内部平面至少有1个密封槽和2个弧形配料窗口，下部至少有1个进料口和1个出料口。
进一步，所述滑靴可为金属材料或工程塑料。
进一步，所述缸体2至少有2个与柱塞配合的柱塞孔。
进一步，所述斜盘盖内的倾斜面倾角α在2°～20°之间。
所述的自吸式生物3D打印喷头装置控制方法是：
打印前将配流筒体下部的进料口与进料管连接，
缸体上对称均布着2个柱塞孔，柱塞在柱塞孔内呈轴向安装且能沿轴向相对运动，当电机旋转时，通过联轴器、传动轴及平键带动缸体旋转，柱塞在柱塞孔的作用下随缸体旋转，同时沿柱塞孔轴向滑动，在弹簧的作用力下，滑靴始终靠在斜盘盖的内部斜面上，缸体下端面始终与配流筒体内部端面紧密配合，配流筒体的内部端面上开有两个弧形配油窗口，一个是吸油窗口，另一个是排油窗口，配流筒体在机架上固定不动，其上部紧固安装的斜盘盖也固定不动，当缸体转动时，在斜盘盖内部斜面的作用下，柱塞体在柱塞孔中做往复运动，通过配流筒体内部端面上的两个弧形配料窗口进行吸料和压料；
当缸体带着柱塞体沿着斜盘盖内部斜面向斜盘盖薄壁端转动时，柱塞体在弹簧的作用下向上伸出，柱塞体与柱塞孔间形成的密封容积增大，形成局部真空，进料管内的生物材料通过配流筒体内部端面上的弧形配料窗口吸入到柱塞孔内，完成吸料过程；
当缸体带着柱塞体沿着斜盘盖内部斜面向斜盘盖厚壁端转动时，柱塞体在斜盘盖内部斜面的作用下被压入柱塞孔内，柱塞体与柱塞孔间形成的密封容积减小，柱塞孔内压力增大，柱塞孔内的生物材料通过配流筒体内部端面上的弧形配料窗口从喷头中挤出，完成压料过程；
缸体在电机的驱动下连续旋转，则柱塞体在缸体的柱塞孔内不断的吸料和压料，即实现生物材料的打印工作。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、在打印大体积组织器官的情况下，不用人工干预即可自动实现生物材料的连续自吸和打印工作，不需要停机更换喷头装置，提高打印效率。
2、整个装置结构构思巧妙、简单，易于组装装配，降低制造成本。
3、整个装置的控制简单，易于实现自动化控制。
附图说明
图1是一种自吸式生物3D打印喷头装置轴侧视图。
图2是缸体结构示意图。
图3是柱塞体结构示意图。
图4是斜盘盖剖面示意图。
图5是配流筒体结构示意图，(a)为结构示意图，(b)为剖面示意图。
图中：1、喷头，2、缸体，3、弹簧，4、弹簧座，5、柱塞体，5.1、滑靴，5.2、小卡圈，5.3、大卡圈，6、螺钉，7、斜盘盖，8、电机座，9、电机，10、联轴器，11、传动轴，12、平键，13、配流筒体。
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所述，一种自吸式生物3D打印喷头装置包括喷头1、柱塞缸体、螺钉6、斜盘盖7、电机座8、电机9、联轴器10、传动轴11、平键12、配流筒体.13.；所述配流筒体13固定在机架上，其下部设有进料口和出料口，进料口与进料管连接，出料口与喷头1上部通过螺纹紧固连接；所述柱塞缸体安装在配流筒体13内部，柱塞缸体下端面与配流筒体13内部端面接触，柱塞缸体下部的密封凸起与配流筒体13内部端面的密封槽配合安装形成密封；所述斜盘盖7与配流筒体13上部同轴安装，且通过至少4个螺钉6进行紧固，斜盘盖7内部的斜面与柱塞缸体上部的滑靴5.1平面接触配合，形成运动摩擦副；所述电机座8的上端面固定电机9，下端面与斜盘盖7上端通过螺纹紧固连接；所述传动轴11下端通过平键12与柱塞缸体中心孔相配合安装，上端通过联轴器10与电机9的驱动轴相连接，以此来驱动柱塞缸体转动。
如图2-3所示，所述柱塞缸体由缸体2、弹簧3、弹簧座4、柱塞体5组成；所述柱塞体5由滑靴5.1、小卡圈5.2、大卡圈5.3、柱塞5.4组成，小卡圈5.2卡在柱塞5.4上部的第一个卡槽内，大卡圈5.3卡在柱塞5.4上部的第二个卡槽内，柱塞5.4的头部安装在滑靴5.1内形成转动副，小卡圈5.2嵌在柱塞5.4和滑靴5.1之间防止两者脱落，所述弹簧座4和弹簧3依次与柱塞5.4同轴安装，弹簧座4中心孔上部与大卡圈5.3下部接触配合定位，弹簧3上部与弹簧座4外缘下表面接触配合，下部与缸体2弹簧孔同轴配合安装；所述柱塞5.4下部与缸体2柱塞孔同轴配合安装，柱塞5.4可沿缸体2柱塞孔内表面相对滑动，实现吸压料过程。
如图5所示，所述配流筒体13内部平面至少有1个密封槽和2个弧形配料窗口，下部至少有1个进料口和1个出料口。
进一步，所述滑靴5.1可为金属材料或工程塑料。
进一步，所述缸体2至少有2个与柱塞5.4配合的柱塞孔。
如图4所示，所述斜盘盖7内的倾斜面倾角α在2°～20°之间。
所述的自吸式生物3D打印喷头装置控制方法是：
打印前将配流筒体13下部的进料口与进料管连接，
缸体2上对称均布着2个柱塞孔，柱塞5.4在柱塞孔内呈轴向安装且能沿轴向相对运动，当电机9旋转时，通过联轴器10、传动轴11及平键12带动缸体2旋转，柱塞5.4在柱塞孔的作用下随缸体2旋转，同时沿柱塞孔轴向滑动，在弹簧3的作用力下，滑靴5.1始终靠在斜盘盖7的内部斜面上，缸体2下端面始终与配流筒体13内部端面紧密配合，配流筒体13的内部端面上开有两个弧形配油窗口，一个是吸油窗口，另一个是排油窗口，配流筒体13在机架上固定不动，其上部紧固安装的斜盘盖7也固定不动，当缸体2转动时，在斜盘盖7内部斜面的作用下，柱塞体5在柱塞孔中做往复运动，通过配流筒体13内部端面上的两个弧形配料窗口进行吸料和压料；
当缸体2带着柱塞体5沿着斜盘盖7内部斜面向斜盘盖7薄壁端转动时，柱塞体5在弹簧3的作用下向上伸出，柱塞体5与柱塞孔间形成的密封容积增大，形成局部真空，进料管内的生物材料通过配流筒体13内部端面上的弧形配料窗口吸入到柱塞孔内，完成吸料过程；
当缸体2带着柱塞体5沿着斜盘盖7内部斜面向斜盘盖7厚壁端转动时，柱塞体5在斜盘盖7内部斜面的作用下被压入柱塞孔内，柱塞体5与柱塞孔间形成的密封容积减小，柱塞孔内压力增大，柱塞孔内的生物材料通过配流筒体13内部端面上的弧形配料窗口从喷头1中挤出，完成压料过程；
缸体2在电机9的驱动下连续旋转，则柱塞体5在缸体2的柱塞孔内不断的吸料和压料，即实现生物材料的打印工作。
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 (4)
1.一种自吸式生物3D打印喷头装置，其特征在于，包括喷头（1）、柱塞缸体、螺钉（6）、斜盘盖（7）、电机座（8）、电机（9）、联轴器（10）、传动轴（11）、平键（12）、配流筒体（13）；所述配流筒体(13)固定在机架上，其下部设有进料口和出料口，进料口与进料管连接，出料口与喷头(1)上部通过螺纹紧固连接；所述柱塞缸体安装在配流筒体(13)内部，柱塞缸体下端面与配流筒体(13)内部端面接触，柱塞缸体下部的密封凸起与配流筒体(13)内部端面的密封槽配合安装形成密封；所述斜盘盖(7)与配流筒体(13)上部同轴安装，且通过至少4个螺钉(6)进行紧固，斜盘盖(7)内部的斜面与柱塞缸体上部的滑靴(5.1)平面接触配合，形成运动摩擦副；所述电机座(8)的上端面固定电机(9)，下端面与斜盘盖(7)上端通过螺纹紧固连接；所述传动轴(11)下端通过平键(12)与柱塞缸体中心孔相配合安装，上端通过联轴器(10)与电机(9)的驱动轴相连接，以此来驱动柱塞缸体转动；
所述柱塞缸体由缸体(2)、弹簧(3)、弹簧座(4)、柱塞体(5)组成；所述柱塞体(5)由滑靴(5.1)、小卡圈(5.2)、大卡圈(5.3)、柱塞(5.4)组成，小卡圈(5.2)卡在柱塞(5.4)上部的第一个卡槽内，大卡圈(5.3)卡在柱塞(5.4)上部的第二个卡槽内，柱塞(5.4)的头部安装在滑靴(5.1)内形成转动副，小卡圈(5.2)嵌在柱塞(5.4)和滑靴(5.1)之间防止两者脱落，所述弹簧座(4)和弹簧(3)依次与柱塞(5.4)同轴安装，弹簧座(4)中心孔上部与大卡圈(5.3)下部接触配合定位，弹簧(3)上部与弹簧座(4)外缘下表面接触配合，下部与缸体(2)弹簧孔同轴配合安装；所述柱塞(5.4)下部与缸体(2)柱塞孔同轴配合安装，柱塞(5.4)可沿缸体(2)柱塞孔内表面相对滑动，实现吸压料过程；
所述缸体(2)至少有2个与柱塞(5.4)配合的柱塞孔；
所述斜盘盖(7)内的倾斜面倾角α在2°~20°之间。
2.如权利要求1所述的一种自吸式生物3D打印喷头装置，其特征在于，所述配流筒体(13)内部平面至少有1个密封槽和2个弧形配料窗口，下部至少有1个进料口和1个出料口。
3.如权利要求1所述的一种自吸式生物3D打印喷头装置，其特征在于，所述滑靴(5.1)可为金属材料或工程塑料。
4.一种如权利要求1所述的一种自吸式生物3D打印喷头装置控制方法，其特征在于：
打印前将配流筒体(13)下部的进料口与进料管连接，
缸体(2)上对称均布着2个柱塞孔，柱塞(5.4)在柱塞孔内呈轴向安装且能沿轴向相对运动，当电机(9)旋转时，通过联轴器(10)、传动轴(11)及平键(12)带动缸体(2)旋转，柱塞(5.4)在柱塞孔的作用下随缸体(2)旋转，同时沿柱塞孔轴向滑动，在弹簧(3)的作用力下，滑靴(5.1)始终靠在斜盘盖(7)的内部斜面上，缸体(2)下端面始终与配流筒体(13)内部端面紧密配合，配流筒体(13)的内部端面上开有两个弧形配油窗口，一个是吸油窗口，另一个是排油窗口，配流筒体(13)在机架上固定不动，其上部紧固安装的斜盘盖(7)也固定不动，当缸体(2)转动时，在斜盘盖(7)内部斜面的作用下，柱塞体(5)在柱塞孔中做往复运动，通过配流筒体(13)内部端面上的两个弧形配料窗口进行吸料和压料；
当缸体(2)带着柱塞体(5)沿着斜盘盖(7)内部斜面向斜盘盖(7)薄壁端转动时，柱塞体(5)在弹簧(3)的作用下向上伸出，柱塞体(5)与柱塞孔间形成的密封容积增大，形成局部真空，进料管内的生物材料通过配流筒体(13)内部端面上的弧形配料窗口吸入到柱塞孔内，完成吸料过程；
当缸体(2)带着柱塞体(5)沿着斜盘盖(7)内部斜面向斜盘盖(7)厚壁端转动时，柱塞体(5)在斜盘盖(7)内部斜面的作用下被压入柱塞孔内，柱塞体(5)与柱塞孔间形成的密封容积减小，柱塞孔内压力增大，柱塞孔内的生物材料通过配流筒体(13)内部端面上的弧形配料窗口从喷头(1)中挤出，完成压料过程；
缸体(2)在电机(9)的驱动下连续旋转，则柱塞体(5)在缸体(2)的柱塞孔内不断的吸料和压料，即实现生物材料的打印工作。
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