CN106671406A - 一种适用于气动挤压低温平台控制的3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，属于组织工程技术和生物3D打印技术领域，由底板、侧板、喷头装置、三维运动机构、成型台冷却装置和成型台控制机构组成，喷头装置通过螺纹连接安装在Z轴的滑块上，成型台装置通过螺帽固定安装在成型台控制机构中的滑块上，三维运动机构可以实现X、Y、Z三个方向运动。成型台控制机构可以控制成型台沿着X轴方向运动，并且底部开有进水口以及出水口。本发明采用挤出成型的工艺系统，通过对成型台温度的控制从而可以打印出力学性能较好的支架组织，通过水循环冷却成型平台的方法保证生物质材料挤出所需要的低温工作环境，可以促进溶液交联形成水凝胶从而提高支架的力学性能和整体性。

Description

一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置
技术领域
本发明属于组织工程技术和生物3D打印技术领域，涉及一种3D打印装置，具体的说是涉及一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置。
背景技术
对于受损大块软组织及内脏器官的治疗，人体组织器官的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备制的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织体替代物进行培养以后植入患者体内，替代原有的病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病的治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就是组织工程良好发展前景的有效例证。
传统的组织工程研究一直受限于细胞植入技术，即“将细胞植入到支架上”这一组织过程中固有技术环节中，无法将不同种类的细胞和生物质材料精确定位到支架内部不同的空间位置。实际上，随着组织工程研究的推进，研究工作渐渐向大块软组织及内脏器官方面诞生，由于这些组织和器官往往含有多种细胞和生物材料，而不同细胞或者材料又具有特定的空间排布，因此上述技术局限性更加凸显。
作为“第三次工业革命”的代表性技术之一，生物3D打印技术已经颠覆了目前制造业的现状，显示了巨大的潜力正引起世界技术以及产业的变革，尤其是在医学领域的应用，具有个性化、高仿生和精密的制造等特点。将医疗产品带来了全新的制造手段和工艺。
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如果能克服材料的在不同温度环境下不破坏其生物特性。而在一个典型的生物打印机中，关键部件之一就是喷头另外还有材料的备置。
江西科技学院公布的一种新型3D打印机加热底板是针对一些粉末金属和塑料的可粘合材料。这一种3D打印平台最高的温度可以达到135°C，是属于金属材料的3D打印，对于生物质材料来说温度超过一定的范围细胞就会死亡，打印的工作环境要求特别难以实现。
发明内容
本发明的目的是为了针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，将喷头装置与成型台运动机构来构成一体化，简单易控制，工艺可控性好，可以提高组织结构的力学性能，为细胞提供适应的生长环境，也可为以后此类设备的设计提供借鉴作用。
本发明的技术方案是：一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，包括底板和侧板，其特征在于：所述成型系统还由喷头装置、三维运动机构、成型台冷却装置和成型台控制机构组成；
所述喷头装置由上端接气口、螺钉组、料筒和针头构成；
所述三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构和Z轴运动机构构成；所述X轴运动机构由横梁、X轴运动滑块和X轴控制电机构成；所述Y轴运动机构由Y轴运动滑块、导轨、Y轴光栅、Y轴光栅读数头和Y轴控制电机构成；所述Z轴运动机构由Z轴控制电机、遮挡板、Z轴光栅、Z轴光栅读数头和Z轴运动滑块构成；
所述成型台冷却装置由成型板、进水口、出水口和成型台螺钉组构成；
所述成型台控制机构由成型台控制滑块、成型台光栅读数头、成型台光栅和成型台控制电机构成；
所述喷头装置通过螺钉组安装在Z轴运动滑块上，所述成型台冷却装置通过成型台螺钉组固定在成型台控制滑块上，所述成型台控制机构固定安装在所述底板上。
所述针头的内径为0.06～0.51mm。
所述上端接气口通过软管和气泵连接，针头通过螺纹连接安装在料筒的底部。
所述横梁与X轴运动滑块螺纹拧紧，通过两个X轴运动滑块带动横梁沿着Y轴方向移动。
所述Y轴控制电机通过螺钉安装在打印机后侧，Y轴运动滑块安装在导轨上，Y轴光栅固定安装在导轨的内侧，Y轴光栅读数头固定安装在Y轴运动滑块的底部并贴在Y轴光栅的表面。
所述Z轴控制电机通过螺钉安装在Z轴运动机构的上侧，遮挡板通过粘连在Z轴运动机构的两内侧起到防尘保护的作用，Z轴光栅固定安装在Z轴运动机构的右侧，Z轴光栅读数头固定安装在Z轴运动滑块上。
所述成型台控制滑块安装在成型台控制导轨上，成型台光栅读数头安装在成型台控制滑块上，成型台光栅安装在成型台控制导轨上侧，成型台控制电机安装在打印机面板右侧。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种制备皮肤组织的启动挤压喷头生物3D打印成型系统及成型方法，结构新颖，工作原理清晰，采用挤出成型的工艺系统，通过对成型台温度的控制从而可以打印出力学性能较好的支架组织，通过水循环冷却成型平台的方法保证生物质材料挤出所需要的低温工作环境，可以促进溶液交联形成水凝胶从而提高支架的力学性能和整体性。
具体优点如下：
1)本发明专利的工作原理是采用的是水循环冷却方式，可以使得打印支架组织的成型台温度保持在5～30°C之间，打印过程中通过维持一个低温环境可以促进溶液交联形成水凝胶，从而提高了物质结构的力学性能和整体性；
2)液体的冷却效果相对于气体冷却来说冷却介质的流动更具有稳定性，结构简单安全可靠，工作方便，合理的低温控制不会使得打印的支架组织过早的发生坍塌现象，使得支架组织可以很好的成型；
3)由于压缩气体构成的压力系统具有微动，高柔性，容易控制等特点，可以近似提供静压的压力满足气动式喷出技术要求，可以提高支架组织的力学性能和结构特征满足人体的某些特定要求。
附图说明
图1是本发明系统整体结构示意图。
图2是本发明系统主视结构示意图。
图中：喷头装置1、上端接气口1-1、螺钉组1-2、料筒1-3、针头1-4、三维运动机构2、X轴运动机构2-1、横梁2-1-1、X轴运动滑块2-1-2、X轴控制电机2-1-3、Y轴运动机构2-2、Y轴运动滑块2-2-1、导轨2-2-2、Y轴光栅2-2-3、Y轴光栅读数头2-2-4、Y轴控制电机2-2-5、Z轴运动机构2-3、Z轴控制电机2-3-1、遮挡板2-3-2、Z轴光栅2-3-3、Z轴光栅读数头2-3-4、Z轴运动滑块2-3-5、成型台冷却装置3、成型板3-1、进水口3-2、出水口3-3、成型台螺钉组3-4、成型台控制机构4、成型台控制滑块4-1、成型台光栅读数头4-2、成型台光栅4-3、成型台控制电机4-4、底板5、侧板6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，包括底板5和侧板6，成型系统还由喷头装置1、三维运动机构2、成型台冷却装置3和成型台控制机构4组成；喷头装置1由上端接气口1-1、螺钉组1-2、料筒1-3和针头1-4构成；三维运动机构2由X轴运动机构2-1、Y轴运动机构2-2和Z轴运动机构2-3构成；X轴运动机构2-1由横梁2-1-1、X轴运动滑块2-1-2和X轴控制电机2-1-3构成；Y轴运动机构2-2由Y轴运动滑块2-2-1、导轨2-2-2、Y轴光栅2-2-3、Y轴光栅读数头2-2-4和Y轴控制电机2-2-5构成；Z轴运动机构2-3由Z轴控制电机2-3-1、遮挡板2-3-2、Z轴光栅2-3-3、Z轴光栅读数头2-3-4和Z轴运动滑块2-3-5构成；成型台冷却装置3由成型板3-1、进水口3-2、出水口3-3和成型台螺钉组3-4构成；成型台控制机构4由成型台控制滑块4-1、成型台光栅读数头4-2、成型台光栅4-3和成型台控制电机4-4构成；喷头装置1通过螺钉组1-2安装在Z轴运动滑块2-3-5上，成型台冷却装置3通过成型台螺钉组3-4固定在成型台控制滑块4-1上，成型台控制机构4固定安装在底板5上。
如图1-2所示，一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，针头的内径为0.06～0.51mm；上端接气口1-1通过软管和气泵连接，针头1-4通过螺纹连接安装在料筒1-3的底部；横梁2-1-1与X轴运动滑块2-1-2螺纹拧紧，通过两个X轴运动滑块2-1-2带动横梁2-1-1沿着Y轴方向移动；Y轴控制电机2-2-5通过螺钉安装在打印机后侧，Y轴运动滑块2-2-1安装在导轨2-2-2上，Y轴光栅2-2-3固定安装在导轨2-2-2的内侧，Y轴光栅读数头2-2-4固定安装在Y轴运动滑块2-2-1的底部并贴在Y轴光栅2-2-3的表面；Z轴控制电机2-3-1通过螺钉安装在Z轴运动机构2-3的上侧，遮挡板2-3-2通过粘连在Z轴运动机构2-3的两内侧起到防尘保护的作用，Z轴光栅2-3-3固定安装在Z轴运动机构2-3的右侧，Z轴光栅读数头2-3-4固定安装在Z轴运动滑块2-3-5上；成型台控制滑块4-1安装在成型台控制导轨4-5上，成型台光栅读数头4-2安装在成型台控制滑块4-1上，成型台光栅4-3安装在成型台控制导轨4-5上侧，成型台控制电机4-4安装在打印机面板右侧。
如图1-2所示，一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置的工作原理如下：首先将制备好的溶液注入进喷头装置的料筒，然后将编好的代码输入到电脑中去，接着将成型台调控到喷头下方指定的位置。再启动水泵和打开温度控制器使得成型台的温度降到合理的打印温度，最后启动气泵挤压料筒中的混合溶液挤压到成型台上，当支架打印好之后需要在成型台上静置片刻，静置之后将成型台上面的支架组织放到冰箱中进行冷冻干燥，从而避免复杂的低温控制系统，本专利的设计使３D打印生物材料简单操控。

Claims (7)

1.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，包括底板(5)和侧板(6)，其特征在于：所述成型系统还由喷头装置(1)、三维运动机构(2)、成型台冷却装置(3)和成型台控制机构(4)组成；
所述喷头装置(1)由上端接气口(1-1)、螺钉组(1-2)、料筒(1-3)和针头(1-4)构成；
所述三维运动机构(2)由X轴运动机构(2-1)、Y轴运动机构(2-2)和Z轴运动机构(2-3)构成；所述X轴运动机构(2-1)由横梁(2-1-1)、X轴运动滑块(2-1-2)和X轴控制电机(2-1-3)构成；所述Y轴运动机构(2-2)由Y轴运动滑块(2-2-1)、导轨(2-2-2)、Y轴光栅(2-2-3)、Y轴光栅读数头(2-2-4)和Y轴控制电机(2-2-5)构成；所述Z轴运动机构(2-3)由Z轴控制电机(2-3-1)、遮挡板(2-3-2)、Z轴光栅(2-3-3)、Z轴光栅读数头(2-3-4)和Z轴运动滑块(2-3-5)构成；
所述成型台冷却装置(3)由成型板(3-1)、进水口(3-2)、出水口(3-3)和成型台螺钉组(3-4)构成；
所述成型台控制机构(4)由成型台控制滑块(4-1)、成型台光栅读数头(4-2)、成型台光栅(4-3)和成型台控制电机(4-4)构成；
所述喷头装置(1)通过螺钉组(1-2)安装在所述Z轴运动滑块(2-3-5)上，所述成型台冷却装置(3)通过所述成型台螺钉组(3-4)固定在所述成型台控制滑块(4-1)上，所述成型台控制机构(4)固定安装在所述底板(5)上。
2.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述针头的内径为0.06～0.51mm。
3.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述上端接气口(1-1)通过软管和气泵连接，针头(1-4)通过螺纹连接安装在料筒(1-3)的底部。
4.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述横梁(2-1-1)与X轴运动滑块(2-1-2)螺纹拧紧，通过两个X轴运动滑块(2-1-2)带动横梁(2-1-1)沿着Y轴方向移动。
5.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述Y轴控制电机(2-2-5)通过螺钉安装在打印机后侧，Y轴运动滑块(2-2-1)安装在导轨(2-2-2)上，Y轴光栅(2-2-3)固定安装在导轨(2-2-2)的内侧，Y轴光栅读数头(2-2-4)固定安装在Y轴运动滑块(2-2-1)的底部并贴在Y轴光栅(2-2-3)的表面。
6.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述Z轴控制电机(2-3-1)通过螺钉安装在Z轴运动机构(2-3)的上侧，遮挡板(2-3-2)通过粘连在Z轴运动机构(2-3)的两内侧起到防尘保护的作用，Z轴光栅(2-3-3)固定安装在Z轴运动机构(2-3)的右侧，Z轴光栅读数头(2-3-4)固定安装在Z轴运动滑块(2-3-5)上。
7.一种适用于气动挤压低温平台控制的3D打印装置，其特征在于：所述成型台控制滑块(4-1)安装在成型台控制导轨(4-5)上，成型台光栅读数头(4-2)安装在成型台控制滑块(4-1)上，成型台光栅(4-3)安装在成型台控制导轨(4-5)上侧，成型台控制电机(4-4)安装在打印机面板右侧。
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