CN106073940A - 一种具有自动包裹功能的喷头装置、包裹系统及包裹方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种具有自动包裹功能的喷头装置、包裹系统及包裹方法，包括内筒、外筒、固定板、密封圈等喷头装置以及气源、减压阀、伺服阀、压力传感器、开关阀、控制器、墨盒、喷头装置等自动包裹系统。喷头装置中有中心内腔、中心喷口、环形通道、包裹腔、活性生物材料入口和包裹材料入口。在自动包裹系统中，由控制器调节和控制包裹压力，实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹，获得连续的包裹条带和按一定间距分布的包裹颗粒带。本发明可有效保护生物材料的生物活性，对细胞损伤小，提高打印过程中所打印器官的空间结构强度。

Description

一种具有自动包裹功能的喷头装置、包裹系统及包裹方法

技术领域

本发明涉及组织工程领域中的喷头制造技术，涉及到一种能实现活性生物材料包裹的喷头装置、包裹系统以及包裹方法。

背景技术

在20世纪，全世界近百万的器官疾病患者通过器官移植获得了新生，但器官的获取是以器官的失去为前提的。据统计，中国每年患尿毒症进行透析治疗的患者有120万人，患肝病需要肝脏移植的患者有100万人，但能够有机会接受肾脏和肝脏移植的患者却寥寥无几。由于器官的供应量远远小于器官的需求量，器官移植面临的最大问题是如何获取足够数量可移植的器官。通过3D生物打印构建人体器官，是解决器官移植领域中器官供应的一种新的技术途径。

3D活体生物打印是利用3D生物打印机将活性生物材料（例如细胞以及细胞的集合）按一定规律打印在生物支架或者平台上，形成器官的空间立体结构；然后，通过生物培养方法将打印成型的活性生物材料培养成特定的器官。如何使活性生物材料在打印过程中得到保护并保持生物活性，并构成特定结构器官形状，打印喷头是关键装置之一。

发明内容

本发明公布了一种能够实现活性生物材料自动包裹的喷头装置、包裹系统及包裹方法。利用本发明可在器官的打印过程中，使用其它生物或生物兼容性材料对活性生物材料进行自动包裹，保持生物材料的生物活性和器官结构的稳定性。

实现本发明目的技术方案是：一种活性生物材料自动包裹的喷头装置，以及利用该喷头装置对活性生物材料进行包裹的自动包裹系统和自动包裹方法。

一种活性生物材料自动包裹的喷头装置，包括内筒，外筒，固定板，密封圈，外筒顶端有一个阶梯状内腔体，底部有一个包裹腔，外侧面有一个与内腔体贯通的侧面通孔；内筒上部有一个法兰，一个中心内腔，底部有一个中心喷孔；内筒高度小于外筒高度；固定板在厚度方向上有通孔、螺钉孔A和螺钉孔B；先在外筒阶梯状内腔体上放置密封圈，再放入内筒，将固定板扣在内筒和外筒的上端面，通过螺钉孔A和螺钉孔B用螺钉将固定板与外筒，使固定板、内筒和外筒连为一体；固定板的通孔与内筒中心内腔连通；内筒与外筒之间为间隙配合，内筒与外筒之间形成一定厚度的环形通道，与外筒侧面通孔连通；在喷头装置的底部仅有外筒的包裹腔；通过调节内筒与外筒之间的配合关系，保证中心喷孔与包裹腔之间的同轴度，密封圈防止环形通道中的流体外泄。

内筒与外筒之间能够通过轴向位移的微调，调整环形通道的厚度。

喷头装置的外形呈长方体、圆柱体或椭球体的一种或多种组合；喷头装置内筒的内腔、环形通道和包裹腔的形状为圆柱形或锥形。

喷头装置由若干个独立的部件通过装配组成或者一体成型。

喷头装置的环形通道的数量为1个或多个；所有环形通道均环绕中心喷孔布置，环形通道之间的间距相等或不相等，每个环形通道的形状相同或不相同。

外筒外侧与环形通道的贯通孔数量为1个或多个；贯通孔沿圆周呈对称分布，或非对称分布。

喷头装置的任意部分或全部用金属材料、非金属材料、复合材料的一种或多种制造，采用常规的成形方法成型，或者采用3D打印、或者粉末烧结成型。

一种使用喷头装置的自动包裹系统，包括气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀、压力传感器、三通接头、伺服阀A、伺服阀B，压力传感器A、压力传感器B、墨盒A、墨盒B、开关阀A、开关阀B、喷头装置；气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀以及压力传感器依次连接，通过三通接头分别与伺服阀A、伺服阀B连接；伺服阀A与开关阀A连接，再与装有活性生物材料的墨盒A连接，最后与喷头装置上的中心内腔连接；伺服阀B与开关阀B连接，再与装有包裹材料的墨盒B连接，最后与喷头装置上的外筒通孔连接；由控制器分别对墨盒A、墨盒B中的压力进行调节与控制，分别对开关阀A、开关阀B的开启与关闭进行控制，实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹。

通过伺服阀调节墨盒中的压力以及控制开关阀的开启与关闭时间，可实现活性生物材料的连续自动包裹和间歇自动包裹，在打印平台上分别形成连续的包裹条带和按一定间距分布的包裹颗粒带。

在包裹过程中，活性生物材料和包裹材料的挤出压力相同或者不同，二者的压力随时间恒定或者按函数变化。

当喷头装置的环形通道的数量为2个或者2个以上时，可实现对活性生物材料2层或2层以上自动包裹；每层包裹材料的挤出压力相同或者不同。

气体回路中的介质为氮气、氩气、水等，它与活性生物材料以及包裹材料无化学反应。

在自动包裹过程中，对开关阀门的开启和关闭采用脉冲宽度调制技术（PWM）进行控制。

活性生物材料不受其他装置的影响，直接通过喷头装置完成包裹和挤出。

被包裹的材料为活性生物材料或非活性生物材料；包裹材料是水凝胶或高分子材料。

利用该喷头装置对活性生物材料进行自动包裹的方法是：

喷头装置固定板上的通孔与装有活性生物材料的墨盒连接，外筒上的侧面通孔与装有包裹材料的墨盒连接；两个墨盒分别与气体回路相连；气体回路由气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀、伺服阀、开关阀、压力传感器、控制器组成；通过控制器控制伺服阀获得一定的稳定连续压力，控制开关阀的开启和关闭，实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹。

在活性生物材料自动包裹过程中，有连续包裹和间歇包裹两种工作模式。

在连续包裹模式下，活性生物材料自动包裹的步骤是：首先，让开关阀门处于关闭状态，切断喷头装置中的压力供给。第二步，开启一级减压阀和二级减压阀，使二级减压阀与伺服阀之间的气体压力达到设定值。第三步，控制伺服阀的开口度，调节装有活性生物材料的墨盒中的压力至设定压力。第四步，开启开关阀门，控制另一伺服阀的开口度，调节装有包裹材料的墨盒中的压力至设定压力。第五步，在压力作用下，墨盒中的活性生物材料被推进至喷头装置的内筒腔体，从中心喷孔挤出，在包裹腔中心形成连续的活性生物材料流；墨盒中的包裹材料从环形通道挤出，形成外侧环状的连续的包裹材料流；在喷头装置的包裹腔，活性生物材料流与包裹材料流汇合，并在活性生物材料的表面形成一定厚度的包裹材料层，完成包裹材料对活性生物材料的自动包裹。第六步，在恒定压力的推动下，被包裹的活性生物材料流从包裹腔中连续排出；关闭开关阀门包裹动作停止。

在间歇包裹模式下，活性生物材料自动包裹的步骤是：第一步至第五步与连续包裹模式相同。第六步，快速关闭阀门，停止包裹动作；在表面张力的作用下，包裹材料材料包裹住活性生物材料上下两端，形成被包裹的活性生物材料微颗粒，并从包裹腔排出。控制开关阀门的开启时间和闭合时间间隔，获得一系列彼此独立的被包裹的活性生物材料微颗粒序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可实现包裹材料对活性生物材料的单层或多层材料的自动包裹，包裹层厚度可调。

2、在计算机控制下，可在连续包裹和间歇包裹两种工作模式之间自由切换，按组织工程的要求实现活性生物材料包裹。包裹好的细胞微粒可按器官空间结构上的要求进行排布。

3、可有效保护生物材料的生物活性，对细胞损伤小，能控制所打印的器官空间结构强度。

4、喷头装置结构简单，取材广泛，易于制造；包裹过程控制简单，易于实现自动化。

附图说明

图1是喷头装置外观示意图；

图2是组合式喷头装置结构示意图；

图3整体成型两层包裹喷头装置结构示意图

图4是整体成型多层包裹喷头装置结构示意图；

图5是活性生物材料自动包裹系统示意图；

图6是在连续包裹模式下活性生物材料包裹过程示意图；

图7是在间歇包裹模式下活性生物材料包裹过程示意图。

图中：1.固定板；2.外筒；3.内筒；4.外筒通孔；5.螺钉孔(A)；6.螺钉孔(B)；7固定板通孔；8.密封圈；9.中心内腔；10.中心喷口；11.环形通道；12.包裹腔；13.第二环形通道；14.第二包裹腔；15.气源；16.一级减压阀；17过滤器；18.二级减压阀；19.压力传感器；20.三通接头；21.伺服阀(A)；22.伺服阀(B)；23.压力传感器(A)；24.压力传感器(B)；25. 开关阀(A)；26. 开关阀(B)；27. 墨盒(A)；28. 墨盒(B)；29.喷头装置；30.活性生物材料；31.悬液；32.包裹材料；33.孔道（B）；34孔道（A）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一

如图1和图2所示，该喷头装置由固定板1、外筒2、内筒3和密封圈8部件组装而成，其中：外筒2顶端有一个阶梯状内腔体，底部有一个包裹腔12，外侧面有一个与内腔体贯通的外筒通孔4；内筒3上部有一个台阶，一个中心内腔9，底部有一个直径为0.15 mm的中心喷孔10（参见图2中（b）图和（c）图），内筒3高度小于外筒2高度3 mm； 固定板1在厚度方向上有通孔7、螺钉孔(A)5和螺钉孔(B)6。先在外筒2阶梯状内腔体上放置密封圈8，再放入内筒3，将固定板1扣在内筒3和外筒2的上端面，通过螺钉(A)5和螺钉孔(B)6用螺钉将固定板1、内筒3和外筒2连为一体。在顶部，中心内腔9上部可制造出螺纹直接和管接头连接；内筒3与外筒2之间为间隙配合，且内筒3与外筒2之间在下部形成一定厚度的环形通道11（参见图2中（b）图和（c）图），厚度为0.1 mm，且该环形通道与外筒2外侧面通孔4连通；在底部，内筒3和外筒2形成包裹腔12；内筒与外筒之间为配合关系，可确保保证中心喷孔与包裹腔之间的同轴度；密封圈8可防止环形通道中的流体外泄；环形通道11的厚度可通过在内筒3与外筒2上部的台阶处放置调节垫片进行微调。

固定板1、外筒2、内筒3使用具有生物相容性材料制造，密封圈8使用具有生物相容性的特种橡胶制造。

如图5所示，利用前述喷头装置实现活性生物材料自动包裹的系统，包括气源15、一级减压阀16、过滤器17、二级减压阀18、压力传感器19、三通接头20、伺服阀(A)21、伺服阀(B)22，压力传感器(A)23、压力传感器(B)24、墨盒(A)27、墨盒(B)28、开关阀(A)25、开关阀(B)26、前述的喷头装置29。

各部件之间用具有生物相容性高分子材料管路相连接，连接顺序为：气源15→一级减压阀16→过滤器17→二级减压阀18→压力传感器19；此后气路由三通接头20分为两路，其中一路为：三通接头20→伺服阀(A)21→压力传感器(A)23→开关阀(A)25→墨盒(A)27→喷头装置29上的内筒3上的中心内腔9；控制器通过对伺服阀(A)21和开关阀(A)25的控制实现对墨盒(A)27中的压力P1的控制。另一路为：三通接头20→伺服阀(B)22→压力传感器(B)24→开关阀(B)26→墨盒(B)28→喷头装置29上侧面的外筒通孔4；控制器通过对伺服阀(B)22和开关阀(B)26的控制实现对墨盒(B)28中的压力P2的控制。在墨盒(A)27中填装活性生物材料和海藻酸钠悬液，在墨盒(B)28中填装水凝胶。

上述系统分别在连续包裹模式或间歇包裹模式下工作，实现水凝胶对活性生物材料和海藻酸钠悬液的自动包裹。前者获得外层包裹水凝胶的活性生物材料和海藻酸钠悬液的连续包裹带，后者获得外层包裹水凝胶的活性生物材料和海藻酸钠悬液的颗粒。

如图6所示，在连续包裹模式下，水凝胶对活性生物材料和海藻酸钠悬液的自动包裹步骤是：首先，让开关阀(A)25和开关阀(B)26处于关闭状态，切断喷头装置29中的压力供给。第二步，开启一级减压阀16和二级减压阀18，使二级减压阀18与伺服阀(A)21以及伺服阀(B)22之间的气体压力达到0.60 MPa。第三步，由控制器控制伺服阀(A)21的开口度，使.压力传感器(A)23中的压力P1至0.50 MPa，并保持稳定。第四步，控制器控制另一伺服阀(B)22的开口度，使.压力传感器(A)24中的压力P2至0.40 MPa，并保持稳定。第五步，由控制器同步开启开关阀(A)25和开关阀(B)26，在气体压力作用下，墨盒(A)27中的活性生物材料和海藻酸钠悬液被推进至喷头装置29的内筒腔体9，从中心喷孔12挤出，在包裹腔12中心形成直径约0.15 mm的活性生物材料和海藻酸钠悬液流；墨盒(B)28中的水凝胶从环形通道11连续挤出，内筒腔体9中流出的活性生物材料和海藻酸钠悬液流处在由环形通道11流出的环状的水凝胶流的中间，在活性生物材料和海藻酸钠悬液流的四周形成厚度为0.09~0.11 mm水凝胶层。第六步，在恒定压力的推动下，外层包裹了水凝胶的活性生物材料和海藻酸钠悬液流从包裹腔12中连续排出，铺展在打印平台上，形成连续的包裹条带。关闭开关阀(A)25和开关阀(B)26，包裹动作停止。

如图7所示，在间歇包裹模式下，水凝胶对活性生物材料和海藻酸钠悬液的自动包裹步骤是：第一步至第五步与前述的连续包裹模式相同，但压力P1调节至0.40 MPa，压力P2调节至0.35 MPa。第六步，由控制器同步关闭开关阀(A)25和开关阀(B)26，停止包裹动作；在表面张力的作用下，在活性生物材料和海藻酸钠悬液的表面形成一定厚度为0.90~0.11 mm的水凝胶层，形成被包裹的活性生物材料和海藻酸钠悬液微颗粒，并从喷头装置29的包裹腔12排出，铺展在打印平台上。控制开关阀(A)25和开关阀(B)26的开启时间和闭合时间间隔，同步或异步控制，可在打印平台上形成按一定间距分布的包裹颗粒带。

调节压力P1和P2值以及P1与P2之间的差值，对开关阀(A)25和开关阀(B)26进行同步或异步控制，可控制活性生物材料和海藻酸钠悬液流的排出速度和水凝胶包裹层的厚度。

实施例二

如图3所示，该喷头装置在结构上与组合式喷头装置类似，但为一体化制造，包括中心内腔9、中心喷口10、环形通道11、孔道（A）34和包裹腔12。材质为具有生物相容性的高分子材料，用注射成型工艺或3D打印工艺制造。与组合式喷头装置相比，其特点是整个喷头装置由单一零件构成，整体一次成型，不需装配，环形通道11的尺寸在成型后不能调节。在构建如图5所示的自动包裹系统时，在墨盒(A)27中填装活性生物材料和海藻酸钠悬液，在墨盒(B)28中填装水凝胶；墨盒(A)27的输出端与该喷头装置上的中心内腔9相连接；墨盒(B)28的输出端与孔道34相连，可设置一个或多个孔道（A）34，孔道（A）34底部和环形通道11相连。

其工作过程和实施例一中描述的一致。

实施例三

如图4所示，该喷头装置上述实施例二中一体化喷头装置类似，包括中心内腔9、中心喷口10、环形通道11、包裹腔12、第二环形通道13、孔道（A）34、孔道（B）33和第二包裹腔14。材质为具有生物相容性的高分子材料，用注射成型或3D打印工艺制造。与图4的喷头装置相比，其特点是在整体一次成型基础上，增加了孔道（B）33、第二环形通道13和第二包裹腔14，具有双层包裹功能。

自动包裹系统与图5类似，但配置3个墨盒：1号墨盒填装活性生物材料和海藻酸钠悬液、2号墨盒填装A种水凝胶、3号墨盒填装B种水凝胶。气源气体经一级减压阀与二级减压阀减压后，将气路分为3个分支：第1分支连接1号伺服阀后与1号开关阀连接，再与1号墨盒连接，最后与该喷头装置上的中心内腔9连接；第2分支连接2号伺服阀后与2号开关阀连接，再与2号墨盒连接，最后与该喷头装置上的孔道34连接，且和环形通道11连接；第3分支连接3号伺服阀后与3号开关阀连接，再与3号墨盒连接，最后与该喷头装置上的孔道33连接，且进一步和第二环形通道13连接。由控制器分别控制3个气路分支上的伺服阀和开关阀。

在连续包裹模式下，设定1号、2号和3号伺服阀前端的压力为0.65 MPa，调节1号墨盒的压力为0.60 MPa，2号墨盒的压力为0.55 MPa，3号墨盒的压力为0.50 MPa，其工作过程和实施例一中描述的类似，即可在打印平台上形成连续的包裹条带。该包裹条带为3层：中心为活性生物材料和海藻酸钠悬液、中间层为A种水凝胶、外层为B种水凝胶。

在间歇包裹模式下，设定1号、2号和3号伺服阀前端的压力为0.65 MPa，调节1号墨盒的压力为0.50 MPa，2号墨盒的压力为0.45 MPa，3号墨盒的压力为0.40 MPa，其工作过程和实施例一中描述的类似，即可在打印平台上形成按一定间距分布的二层包裹颗粒带。该包裹颗粒为3层：中心为活性生物材料和海藻酸钠悬液、中间层为A种水凝胶、外层为B种水凝胶。

尽管本发明使用了固定板、外筒、内筒、外筒通孔、螺钉孔、固定板通孔、密封圈、中心内腔、中心喷口、环形通道、包裹腔、第二环形通道、第二包裹腔、气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀、压力传感器、三通接头、伺服阀、压力传感器、墨盒、开关阀、控制器、喷头装置、活性生物材料、悬液、包裹材料等术语，但并不排除其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都与本发明精神相违背。

本发明并不局限于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种活性生物材料自动包裹的喷头装置，包括内筒(3)，外筒(2)，固定板(1)，密封圈(8)，其特征在于：外筒(2)顶端有一个阶梯状内腔体，底部有一个包裹腔(12)，外侧面有一个与内腔体（11）贯通的侧面的外筒通孔(4)；内筒(3)上部有一个台阶，一个中心内腔(9)，底部有一个中心喷孔(10)；安装后内筒(3)和外筒(2)顶部在一个平面上；固定板(1)在厚度方向上有通孔(7)、螺钉孔A(5)和螺钉孔B(6)；先在外筒(2)阶梯状内腔体上放置密封圈(8)，再放入内筒(3)_，内筒(3)上部的台阶和外筒(2)内部的阶梯孔及密封圈(8)形成密封；将固定板(1)扣在内筒(3)和外筒(2)的上端面，通过螺钉A(5)和螺钉孔B(6)用螺钉将固定板(1)与外筒(2)，使固定板(1)、内筒(3)和外筒(2)连为一体；内筒(3)中心内腔(9)的上部可加工出内螺纹以和管接头相连；内筒(3)与外筒(2)之间为间隙配合，且内筒(3)与外筒(2)之间形成一定厚度的环形通道(11)，且与外筒(2)侧面的外筒通孔(4)连通；在喷头装置的底部为包裹腔(12)；内筒与外筒之间为配合关系，保证中心喷孔与包裹腔之间的同轴度，密封圈防止环形通道中的流体外泄。

2.根据权利要求1所述的喷头装置，其特征在于：内筒与外筒之间为配合关系，确保内筒与外筒同心；内筒与外筒之间形成的环形通道可为圆形或其它形状；能够通过轴向位移的微调，调整环形通道的厚度。

3.根据权利要求1所述的喷头装置，其特征在于：喷头装置由若干个独立的部件通过装配组成，也可以通过一体成型方法加工成为一个零件。

4.根据权利要求1所述的喷头装置，其特征在于：喷头装置的环形通道的数量为1个或多个；所有环形通道均环绕中心喷孔布置，环形通道之间的间距相等或不相等，每个环形通道的形状相同或不相同。

5.根据权利要求1所述的喷头装置，其特征在于：外筒外侧与环形通道的贯通孔数量为1个或多个；贯通孔沿圆周呈对称分布，或非对称分布。

6.一种使用权利要求1-5任一项所述的喷头装置的自动包裹系统，包括气源(15)、一级减压阀(16)、过滤器(17)、二级减压阀(18)、压力传感器(19)、三通接头(20)、伺服阀A (21)、伺服阀B (22)，压力传感器A(23)、压力传感器B (24)、墨盒A (27)、墨盒B(28)、开关阀A (25)、开关阀B (26)、喷头装置(29)；气源(15)、一级减压阀(16)、过滤器(17)、二级减压阀(18)以及压力传感器(19)依次连接，通过三通接头分别与伺服阀A (21)、伺服阀B (22)连接；伺服阀A (21)与开关阀A (25)连接，且与装有活性生物材料的墨盒A(27)连接，最后与喷头装置(29)上的中心内腔(9)连接；伺服阀B (22)与开关阀A (26)连接，且与装有包裹材料的墨盒A(28)连接，最后与喷头装置(29)上的外筒通孔(4)连接；控制器通过对开关阀A (25)、开关阀B (26)的开启与关闭进行控制，分别对墨盒A(27)、墨盒B (28)中的压力进行调节与控制，且实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹。

7.根据权利要求6所述的自动包裹系统，其特征在于：通过伺服阀调节墨盒中的压力，以及通过对开关阀的同步及异步控制，以及控制开关阀的开启与关闭时间，控制墨盒中的压力，实现活性生物材料的连续自动包裹和间歇自动包裹，在打印平台上分别形成连续的包裹条带和按一定间距分布的包裹颗粒带。

8.根据权利要求6所述的自动包裹系统，其特征在于：当喷头装置的环形通道的数量为2个或者2个以上时，可使用2个或者2个以上的气动控制回路，实现对连接在不同环形通道上的不同的墨盒上的压力进行控制，实现对活性生物材料2层或2层以上自动包裹。

9.根据权利要求6所述的自动包裹系统，其特征在于：包裹材料和被包裹的材料可为活性生物材料或非活性生物材料；也可为水凝胶或其它材料。

10.一种使用权利要求6所述的自动包裹系统的自动包裹方法，在活性生物材料自动包裹过程中，工作模式为连续包裹或间歇包裹；其特征在于：在连续包裹模式下：通过开关阀控制墨盒，在恒定压力下，使墨盒中的活性生物材料被推进至喷头装置的内筒腔体，通过中心喷孔，在包裹腔中心形成连续的活性生物材料圆柱流；包裹材料从从另一墨盒进入环形通道，在活性生物材料圆柱流外侧形成环状的连续的包裹材料流；且从在喷头装置的包裹腔挤出，完成对活性生物材料连续自动包裹；在间歇包裹模式下，使开关阀处在连续的开和关的状态，其开和关的时间及频率由计算机控制；通过瞬间的打开和关闭，在压力控制下，墨盒中的活性生物材料被推进至喷头装置的内筒腔体，通过中心喷孔，在包裹腔中心形成微滴；包裹材料则从另一墨盒进入环形通道，也通过瞬间的打开和关闭，在活性生物材料微滴外面形成包裹；且从喷头装置的包裹腔挤出，完成对活性生物材料单个包裹；控制开关阀门的开启时间和闭合时间间隔，可获得一系列彼此独立的被包裹的活性生物材料微颗粒序列。