CN106671408A - 一种新型柔性3d生物打印同轴喷头及其制作使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型柔性3D生物打印同轴喷头以及该喷头的制作使用方法，属于机械学科，生物制造领域。芯部采用柔性铁磁性薄膜材料，利用流体间相互作用产生自定心效果，弥补普通针头由于机械加工误差造成的同轴度不高问题；此外，利用铁磁性薄膜材料磁致伸缩效应及威德曼效应，利用电磁铁施加可控轴向及周向磁场，使得芯部薄膜管扭转变形闭合，配合芯部供液关停指令，防止外层胶体进入芯部交联进而防止堵塞喷头。

Description

一种新型柔性3D生物打印同轴喷头及其制作使用方法

技术领域

本发明属于3D生物打印技术领域，尤其涉及一种新型柔性3D生物打印同轴喷头及其制作使用方法。

背景技术

随着3D打印技术的兴起，利用海藻酸钠、壳聚糖等可快速反应交联固化的水凝胶作为药物与细胞的载体材料，以直写的方式直接成形一定的几何形状，在组织工程、制药及临床医学等领域具有很好的应用前景。利用此方法制备人工血管和血管网络结构已成为组织工程和生物制造领域的研究和应用热点。

磁性薄膜材料是指厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。基于柔性衬底的磁性薄膜与器件是柔性电子器件的一个重要分支，由于其可弯曲，可应用在非平面表面上，相对于传统刚性衬底的磁性薄膜与器件，具有柔韧性、高效、低成本以及很多其它不同的性质，研究基于柔性衬底的磁电薄膜与器件的磁性及输运性质得到越来越多的关注。更为关键的是其具备磁致收缩效应，所谓磁致伸缩效应是铁磁材料在外磁场中被磁化时，其长度和体积发生变化的现象，公元1859年，Wiedemann 发现铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场作用时，会引起材料沿轴向产生一个扭转，这种现象称为威德曼效应。威德曼效应广泛应用于位移传感器，这也为内芯为柔性磁性材料的同轴喷头的扭曲闭合创造了条件。

通常情况下交联式水凝胶中空纤维的制备是利用同轴射流模式保障内外流体的连续性，使得交联剂由内而外地对交联基液进行交联，并最终形成中空纤维基本原理，传统同轴挤出喷头采用内外针头模式，存在易堵塞、同轴度不高、较难清洗等问题，其中最主要问题为同轴度不高及易堵塞，这在试验过程中影响了中空纤维的形成，大大增加了试验时间及浪费材料。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种新型柔性3D生物打印同轴喷头及其制作使用方法，该装置添加可产生轴向电磁场的环形电磁铁及可产生周向的条状电磁铁；其利用流体的自定心性能达到同轴度要求，且由于内芯为材料停止通液时，电磁铁通电内柔性的芯磁性材料由于同时受周向及轴向电磁场产生威德曼效应，发生轴向扭转变形封闭内芯，防止芯液交联预防阻塞。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种新型柔性3D生物打印同轴喷头，包括三通管、医用不锈钢内针头、医用塑料外针头、柔性铁磁性薄膜管、条形电磁铁和筒形电磁铁；三通管包括沿垂直方向设置的主管和沿水平方向设置的支管，支管的左端与主管右侧连接，主管内部沿垂直方向开设有上下通透的竖向通道，支管内部设置有水平通道，水平通道左端口与竖向通道中部连通；

主管下端同轴向连接有外径小于主管的连接管，医用塑料外针头上部内壁过渡配合套在连接管上，筒形电磁铁上部内壁过渡配合套在主管下部，医用不锈钢内针头插设在竖向通道内，医用不锈钢内针头外壁与竖向通道内壁之间形成环形通道，医用不锈钢内针头的下端伸入到医用塑料外针头内部，柔性铁磁性薄膜管上部套在医用不锈钢内针头下端并与医用不锈钢内针头胶粘连接，柔性铁磁性薄膜管下端高于医用塑料外针头下端，筒形电磁铁下端低于医用塑料外针头下端，筒形电磁铁、竖向通道、医用塑料外针头、医用不锈钢内针头和柔性铁磁性薄膜管具有同一条中心线；

主管上部左侧设置有连接块，条形电磁铁上部通过螺栓螺母连接件固定设置在连接块左侧，条形电磁铁与所述的中心线平行。

主管内壁设置有位于水平通道上方的限位环，医用不锈钢内针头插设在限位环内，限位环的内径与，医用不锈钢内针头的下部外径相等。

条形电磁铁上设置有两个第一接线柱，筒形电磁铁上设置有两个第二接线柱。

一种新型柔性3D生物打印同轴喷头的制作使用方法，包括以下步骤，

（1）、制备外径为0.7mm、长度为38mm的圆柱形模具；

（2）、在模具外圆表面卷曲吸附直接购买的150μm厚的热收缩聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底，利用直流磁控溅射法沉积 100 nm厚的 Fe₈₁Ga₁₉薄膜，对模具稍加降温后小心去除模具，得到内径为0.7mm的柔性铁磁薄膜管；

（3）、将医用不锈钢内针头自上而下插入到竖向通道内并伸出连接管下端，医用不锈钢内针头由限位环轴向及中心定位，医用不锈钢内针头的上部与竖向通道上端内壁胶粘连接；

（4）、将柔性铁磁性薄膜管胶粘到至内针头医用不锈钢内针头下端；

（5）、安装医用17G 1/2英寸医用塑料外针头至连接管外部，在安装过程中需注意避免触碰到柔性铁磁性薄膜管；

（6）、将筒形电磁铁安装到主管下部，将条形电磁铁安装到连接块左侧；

（7）、制备交联剂和交联基液并分别用针筒盛装；

（8）、盛装有交联剂的针筒与医用不锈钢内针头的上端连接，盛装有交联基液的针筒通过相应皮管与支管右端连接，然后再喷头整体安装到3D生物打印机上；

（9）、启动3D生物打印机，交联剂由医用不锈钢内针头向下经柔性铁磁性薄膜管挤出，交联基液由水平通道进入、再经环形通道向下挤出，柔性铁磁性薄膜管内部的交联剂先流动，在医用塑料外针头内部的柔性铁磁性薄膜管下端开始交联，交联剂由内而外地对交联基液进行交联，并最终由医用塑料外针头下端口喷出形成中空纤维；

（10）、打印结束后，关闭3D生物打印机，同时接通筒形电磁铁和条形电磁铁，柔性铁磁性薄膜管同时受到轴向磁场和周向磁场作用，引起柔性铁磁性薄膜管沿轴向产生扭曲闭合，从而防止芯部残余交联剂与交联基液的交联。

步骤（7）中交联基液的制备具体为：用药勺、电子秤及烧杯称取4g海藻酸钠粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为4%的海藻酸钠溶液；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取3g氯化钙粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为3%的氯化钙溶液。

步骤（7）中交联基液的制备具体为：先分别制备质量分数为3%的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液，然后将相等质量的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液在50℃热水浴的条件下充分混合；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取0.5g京尼平粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为0.5%的京尼平水溶液。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、利用流体间相互作用产生自定心的原理，交联剂由柔性铁磁性薄膜管向下挤出，可确保柔性铁磁性薄膜管的中心线与医用塑料外针头的中心线始终保持重合，弥补现有由于针头本身加工带来的同轴度不高问题。

2、利用铁磁薄膜材料磁致收缩效应及威德曼效应，当柔性铁磁性薄膜管内部液体暂停供给时，控制医用塑料外针头外加筒形电磁铁及外悬挂条形电磁铁通电，使得柔性铁磁性薄膜管发生扭转变形，进而使柔性铁磁性薄膜管封口，防止医用塑料外针头内的外部溶液对柔性铁磁性薄膜管内部的残留溶液交联，进而防止喷头堵塞。

3、本发明中除柔性铁磁性薄膜管及三通管需单独制备外，其他结构件均为标准件，可节省成本以及安装时间，其中三通管的限位环、主管、支管、连接管和连接块采用一体制成。

附图说明

图1是本发明在筒形电磁铁和条形电磁铁均未通电时的结构示意图；

图2是本发明在筒形电磁铁和条形电磁铁均通电时的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种新型柔性3D生物打印同轴喷头，包括三通管、医用不锈钢内针头1、医用塑料外针头2、柔性铁磁性薄膜管3、条形电磁铁4和筒形电磁铁5；三通管包括沿垂直方向设置的主管6和沿水平方向设置的支管7，支管7的左端与主管6右侧连接，主管6内部沿垂直方向开设有上下通透的竖向通道8，支管7内部设置有水平通道9，水平通道9左端口与竖向通道8中部连通。

主管6下端同轴向连接有外径小于主管6的连接管10，医用塑料外针头2上部内壁过渡配合套在连接管10上，筒形电磁铁5上部内壁过渡配合套在主管6下部，医用不锈钢内针头1插设在竖向通道8内，医用不锈钢内针头1外壁与竖向通道8内壁之间形成环形通道11，医用不锈钢内针头1的下端伸入到医用塑料外针头2内部，柔性铁磁性薄膜管3上部套在医用不锈钢内针头1下端并与医用不锈钢内针头1胶粘连接，柔性铁磁性薄膜管3下端高于医用塑料外针头2下端，筒形电磁铁5下端低于医用塑料外针头2下端，筒形电磁铁5、竖向通道8、医用塑料外针头2、医用不锈钢内针头1和柔性铁磁性薄膜管3具有同一条中心线；

主管6上部左侧设置有连接块12，条形电磁铁4上部通过螺栓螺母连接件13固定设置在连接块12左侧，条形电磁铁4与所述的中心线平行。

主管6内壁设置有位于水平通道9上方的限位环14，医用不锈钢内针头1插设在限位环14内，限位环14的内径与，医用不锈钢内针头1的下部外径相等。

条形电磁铁4上设置有两个第一接线柱15，筒形电磁铁5上设置有两个第二接线柱16。

一种新型柔性3D生物打印同轴喷头的制作使用方法，包括以下步骤，

（1）、制备外径为0.7mm、长度为38mm的圆柱形模具；

（2）、在模具外圆表面卷曲吸附直接购买的150μm厚的热收缩聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底，利用直流磁控溅射法沉积 100 nm厚的 Fe₈₁Ga₁₉薄膜，对模具稍加降温后小心去除模具，得到内径为0.7mm的柔性铁磁薄膜管；

（3）、将医用不锈钢内针头1自上而下插入到竖向通道8内并伸出连接管10下端，医用不锈钢内针头1由限位环14轴向及中心定位，医用不锈钢内针头1的上部与竖向通道8上端内壁胶粘连接；

（4）、将柔性铁磁性薄膜管3胶粘到至内针头医用不锈钢内针头1下端；

（5）、安装医用17G 1/2英寸医用塑料外针头2至连接管10外部，在安装过程中需注意避免触碰到柔性铁磁性薄膜管3；

（6）、将筒形电磁铁5安装到主管6下部，将条形电磁铁4安装到连接块12左侧；

（7）、制备交联剂和交联基液并分别用针筒盛装；

（8）、盛装有交联剂的针筒与医用不锈钢内针头1的上端连接，盛装有交联基液的针筒通过相应皮管与支管7右端连接，然后再喷头整体安装到3D生物打印机上；

（9）、启动3D生物打印机，交联剂由医用不锈钢内针头1向下经柔性铁磁性薄膜管3挤出，交联基液由水平通道9进入、再经环形通道11向下挤出，柔性铁磁性薄膜管3内部的交联剂先流动，在医用塑料外针头2内部的柔性铁磁性薄膜管3下端开始交联，交联剂由内而外地对交联基液进行交联，并最终由医用塑料外针头2下端口喷出形成中空纤维；

（10）、打印结束后，关闭3D生物打印机，同时接通筒形电磁铁5和条形电磁铁4，柔性铁磁性薄膜管3同时受到轴向磁场和周向磁场作用，引起柔性铁磁性薄膜管3沿轴向产生扭曲闭合，如图2所示，附图标记17为圆筒形电磁铁5产生的磁感线，18为条形电磁铁4产生的周向磁感线，从而防止芯部残余交联剂与交联基液的交联。

其中制备交联剂和交联基液可采用下面两种具体实施方式：

方式一：步骤（7）中交联基液的制备具体为：用药勺、电子秤及烧杯称取4g海藻酸钠粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为4%的海藻酸钠溶液；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取3g氯化钙粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为3%的氯化钙溶液。

方式二：步骤（7）中交联基液的制备具体为：先分别制备质量分数为3%的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液，然后将相等质量的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液在50℃热水浴的条件下充分混合；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取0.5g京尼平粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为0.5%的京尼平水溶液。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型柔性3D生物打印同轴喷头，其特征在于：包括三通管、医用不锈钢内针头、医用塑料外针头、柔性铁磁性薄膜管、条形电磁铁和筒形电磁铁；三通管包括沿垂直方向设置的主管和沿水平方向设置的支管，支管的左端与主管右侧连接，主管内部沿垂直方向开设有上下通透的竖向通道，支管内部设置有水平通道，水平通道左端口与竖向通道中部连通；

主管下端同轴向连接有外径小于主管的连接管，医用塑料外针头上部内壁过渡配合套在连接管上，筒形电磁铁上部内壁过渡配合套在主管下部，医用不锈钢内针头插设在竖向通道内，医用不锈钢内针头外壁与竖向通道内壁之间形成环形通道，医用不锈钢内针头的下端伸入到医用塑料外针头内部，柔性铁磁性薄膜管上部套在医用不锈钢内针头下端并与医用不锈钢内针头胶粘连接，柔性铁磁性薄膜管下端高于医用塑料外针头下端，筒形电磁铁下端低于医用塑料外针头下端，筒形电磁铁、竖向通道、医用塑料外针头、医用不锈钢内针头和柔性铁磁性薄膜管具有同一条中心线；

主管上部左侧设置有连接块，条形电磁铁上部通过螺栓螺母连接件固定设置在连接块左侧，条形电磁铁与所述的中心线平行。

2.根据权利要求1所述的一种新型柔性3D生物打印同轴喷头，其特征在于：主管内壁设置有位于水平通道上方的限位环，医用不锈钢内针头插设在限位环内，限位环的内径与，医用不锈钢内针头的下部外径相等。

3.根据权利要求2所述的一种新型柔性3D生物打印同轴喷头，其特征在于：条形电磁铁上设置有两个第一接线柱，筒形电磁铁上设置有两个第二接线柱。

4.如权利要求3所述的一种新型柔性3D生物打印同轴喷头的制作使用方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）、制备外径为0.7mm、长度为38mm的圆柱形模具；

（2）、在模具外圆表面卷曲吸附直接购买的150μm厚的热收缩聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底，利用直流磁控溅射法沉积 100 nm厚的 Fe₈₁Ga₁₉薄膜，对模具稍加降温后小心去除模具，得到内径为0.7mm的柔性铁磁薄膜管；

（3）、将医用不锈钢内针头自上而下插入到竖向通道内并伸出连接管下端，医用不锈钢内针头由限位环轴向及中心定位，医用不锈钢内针头的上部与竖向通道上端内壁胶粘连接；

（4）、将柔性铁磁性薄膜管胶粘到至内针头医用不锈钢内针头下端；

（5）、安装医用17G 1/2英寸医用塑料外针头至连接管外部，在安装过程中需注意避免触碰到柔性铁磁性薄膜管；

（6）、将筒形电磁铁安装到主管下部，将条形电磁铁安装到连接块左侧；

（7）、制备交联剂和交联基液并分别用针筒盛装；

（8）、盛装有交联剂的针筒与医用不锈钢内针头的上端连接，盛装有交联基液的针筒通过相应皮管与支管右端连接，然后再喷头整体安装到3D生物打印机上；

（9）、启动3D生物打印机，交联剂由医用不锈钢内针头向下经柔性铁磁性薄膜管挤出，交联基液由水平通道进入、再经环形通道向下挤出，柔性铁磁性薄膜管内部的交联剂先流动，在医用塑料外针头内部的柔性铁磁性薄膜管下端开始交联，交联剂由内而外地对交联基液进行交联，并最终由医用塑料外针头下端口喷出形成中空纤维；

（10）、打印结束后，关闭3D生物打印机，同时接通筒形电磁铁和条形电磁铁，柔性铁磁性薄膜管同时受到轴向磁场和周向磁场作用，引起柔性铁磁性薄膜管沿轴向产生扭曲闭合，从而防止芯部残余交联剂与交联基液的交联。

5.根据权利要求4所述的制作使用方法，其特征在于：步骤（7）中交联基液的制备具体为：用药勺、电子秤及烧杯称取4g海藻酸钠粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为4%的海藻酸钠溶液；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取3g氯化钙粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为3%的氯化钙溶液。

6.根据权利要求4所述的制作使用方法，其特征在于：步骤（7）中交联基液的制备具体为：先分别制备质量分数为3%的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液，然后将相等质量的羧甲基壳聚糖溶液和海藻酸钠溶液在50℃热水浴的条件下充分混合；

步骤（7）中交联剂的制备具体为：）用药勺、电子秤及烧杯称取0.5g京尼平粉末，溶解于100ml去离子水中，在磁力搅拌器搅拌1至2小时，静至12小时得到质量分数为0.5%的京尼平水溶液。