CN106891527B - 用于多材料的3d生物打印喷头组件、打印装置与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多材料的3D生物打印喷头组件、打印装置与应用。所述打印喷头组件包括：至少两个独立腔室，其具有生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口，生物打印墨水经生物打印墨水输入口进入独立腔室，并从生物打印墨水输出口输出；混合腔室，具有混合墨水输出口和至少两个生物打印墨水接收口，接收独立腔室输出的生物打印墨水后输出；以及打印喷嘴，与混合墨水输出口连通，所述打印喷嘴包括沿所述生物打印墨水的流动方向设置的管径可调的墨水管道。本发明可解决生物打印过程中固化时间较长导致的打印不精确问题和固化时间太快导致的喷头堵塞问题，实现更稳定、更精准、更智能的3D生物打印。

Description

用于多材料的3D生物打印喷头组件、打印装置与应用

技术领域

本发明涉及一种3D生物打印喷头组件及打印装置，特别涉及一种可应用于多种生物打印材料混合固化的3D生物打印喷头组件、打印装置与应用，属于生物医学工程领域。

背景技术

3D生物打印技术是基于3D打印技术上发展的，应用于生物体损伤修复以及功能治疗的治疗手段。3D生物打印技术利用3D生物打印机将生物材料按照事先根据损伤部位特点编辑的程序通过打印机喷嘴打印出来，这样就能得到根据目标设计的损伤修复材料。这种利用3D生物打印进行精准、个性化的治疗方法具有重要的应用。

目前的3D生物打印技术主要还是停留在传统3D材料打印技术方法上，即将材料通过一个喷嘴喷出来固化成型。而且传统的3D打印技术也是将细胞和生物材料均匀混合后通过一个喷嘴喷出。这种打印方法不能适合实际生物打印的要求，因为根据生物打印材料的不同特性，固化时间会有长有短。如若打印墨水材料固化速度太慢、固化时间太长，则材料不能在挤出打印头后及时固化，从而无法保证打印精度；如若打印墨水材料固化速度太快、固化时间太短，则又会在喷头内部快速凝固导致喷头堵塞，使打印无法正常进行。因此，传统的3D打印方法对生物打印材料的固化时间不敏感，不易控制打印精度或不能解决喷头堵塞问题。因而急需一种新的针对多种生物材料不同速率的打印喷头及打印装置。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于多材料的3D生物打印喷头组件及打印装置，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供所述用于多材料的3D生物打印喷头组件及打印装置的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施拟提供了一种用于多材料的3D生物打印喷头组件，其包括：

至少两个独立腔室，所述独立腔室具有生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口，生物打印墨水经所述生物打印墨水输入口连续进入独立腔室，并从所述生物打印墨水输出口输出；

混合腔室，具有混合墨水输出口和至少两个生物打印墨水接收口，用于接收每个所述独立腔室输出的生物打印墨水并使之混合均匀，再经混合墨水输出口输出；

以及打印喷嘴，与所述混合墨水输出口连通，所述打印喷嘴包括沿所述生物打印墨水的流动方向设置的管径可调的墨水管道。

作为较佳优选实施方案之一，所述打印喷嘴包括相互嵌合的复数根不同直径的墨水管道，每根所述墨水管道的管径沿所述生物打印墨水的流动方向依次递减，每根所述墨水管道的上部均具有向管道内壁方向凹陷的环形结构，相邻两根墨水管道的所述环形结构相互卡接，至少用以通过拉伸或收缩墨水管道的方式调节打印喷嘴的整体长度。

作为较佳优选实施方案之一，所述独立腔室内还设置有压力活塞，将所述独立腔室内形成密闭空间，至少用以控制生物打印墨水的输入速率和输出速率。

更优选的，所述压力活塞与一外部驱动机构连接。

作为较佳优选实施方案之一，所述打印喷头组件还包括：

至少两个进样管，分别与所述独立腔室的生物打印墨水输入口连通；

至少两个导流管，一端与所述独立腔室的生物打印墨水输出口连通，另一端与所述混合腔室的生物打印墨水接收口连通。

优选的，所述混合腔室包括Y型混合通道。

进一步的，所述压力活塞设置于所述独立腔室的顶部，所述生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口分别设置于-所述独立腔室的底部。

进一步的，所述进样管与所述生物打印墨水输入口通过单向阀连接，所述导流管与所述生物打印墨水输出口通过单向阀连接。

本发明实施例还提供了一种3D生物打印装置，其包括前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件。

本发明实施例还提供了前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或3D生物打印装置于多种生物材料混合打印、生物材料和生物分子溶液的混合打印中的用途。

本发明实施例还提供了一种生物材料混合打印方法，其包括：

提供前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或3D生物打印装置；

将待打印的多种生物材料或者生物材料和生物分子溶液分别独立从进样管中进入独立腔室，通过控制压力活塞的运动速度使其经导流管流出，并进入混合腔室内混合形成混合材料，再经打印喷嘴将所述混合材料打印，实现多种生物材料的混合打印或者生物材料和生物分子溶液的混合打印。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的用于多材料的3D生物打印喷头组件及3D生物打印装置，通过设计多个独立腔室，将不同的打印墨水材料分别注入，可以保证固化前的样品间相互隔绝，而经过混合通道后，样品间相互接触后即发生固化，避免两种材料长时间直接接触导致的固化堵塞喷嘴，保证多种材料快速3D生物打印的正常进行；

(2)本发明提供的用于多材料的3D生物打印喷头组件及3D生物打印装置，通过在独立腔室内设置压力活塞及驱动机构，可分别调控压力活塞的运动速度，进而控制进样速率和挤压速率，并能动态、独立的控制不同打印材料的进样量，最终实现更精准、更智能的3D生物打印，避免打印粗糙；

(3)本发明提供的用于多材料的3D生物打印喷头组件及3D生物打印装置的打印喷嘴的长度可以根据多种不同生物材料混合后的固化速率来任意调节，用于适应不同打印墨水材料的反应固化时间，使固化时间与打印喷嘴的长度相一致，保证打印喷嘴打印出的打印墨水恰好能在操作台上固化，从而实现稳定、精确、快速的3D生物打印；

(4)本发明提供的用于多材料的3D生物打印喷头组件及3D生物打印装置应用在3D生物打印中具有重要作用，可以解决生物打印过程中，固化时间较长导致的打印不精确问题和固化时间太快导致的喷头堵塞问题，还能应用在混合材料与生物分子溶液的同步3D生物打印上，在3D生物打印的临床应用及损伤修复治疗中具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案之中一种用于多材料的3D生物打印喷头组件的整体结构示意图；

图2是本发明一典型实施方案之中一种用于多材料的3D生物打印喷头组件的打印喷嘴的拉伸状态剖视图；

图3是本发明一典型实施方案之中一种用于多材料的3D生物打印喷头组件的打印喷嘴的伸缩状态剖视图。

附图标记说明：1-独立腔室，10-生物打印墨水输入口，11-生物打印墨水输出口，12-压力活塞，2-导流管，3-混合腔室，30-生物打印墨水接收口，31-混合墨水输出口，4-打印喷嘴，40-墨水管道。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，本发明的总体思路在于将3D生物打印过程中需要隔离开的多种生物打印墨水材料通过独立进样管分别加入，通过导流管独立控制打印生物打印墨水的流量大小，经过混合通道混合后，进入打印喷嘴，并通过调节打印喷嘴的长度将混合后的打印墨水材料混合后打印。这样能保证快速固化的两种打印材料在短时间内快速固化的需要，并避免直接接触后快速固化堵塞打印机喷头导致的打印失败，同时也能提高打印精度，避免打印粗糙。

如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种用于多材料的3D生物打印喷头组件，其包括：

至少两个独立腔室，所述独立腔室具有生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口，生物打印墨水经所述生物打印墨水输入口连续进入独立腔室，并从所述生物打印墨水输出口输出；

混合腔室，具有混合墨水输出口和至少两个生物打印墨水接收口，用于接收每个所述独立腔室输出的生物打印墨水并使之混合均匀，再经混合墨水输出口输出；

以及打印喷嘴，与所述混合墨水输出口连通，所述打印喷嘴包括沿所述生物打印墨水的流动方向设置的管径可调的墨水管道。

作为较佳优选实施方案之一，所述打印喷嘴包括相互嵌合的复数根不同直径的墨水管道，每根所述墨水管道的管径沿所述生物打印墨水的流动方向依次递减，每根所述墨水管道的上部均具有向管道内壁方向凹陷的环形结构，相邻两根墨水管道的所述环形结构相互卡接，至少用以通过拉伸或收缩墨水管道的方式调节打印喷嘴的整体长度。

作为较佳优选实施方案之一，所述独立腔室内还设置有压力活塞，将所述独立腔室内形成密闭空间，至少用以控制生物打印墨水的输入速率和输出速率。

更优选的，所述压力活塞与一外部驱动机构连接，所述外部驱动机构可以采用外部电机，通过控制不同的活塞速度来控制不同打印墨水的进样量，实现不同打印墨水的混合配比。

作为较佳优选实施方案之一，所述打印喷头组件还包括：

至少两个进样管，分别与所述独立腔室的生物打印墨水输入口连通；

至少两个导流管，一端与所述独立腔室的生物打印墨水输出口连通，另一端与所述混合腔室的生物打印墨水接收口连通。

优选的，所述混合腔室包括Y型混合通道，多根导流管下部通过连接接头在混合通道内实现打印墨水材料的混合。

进一步的，所述压力活塞设置于所述独立腔室的顶部，所述生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口分别设置于所述独立腔室的底部。

进一步的，所述进样管与所述生物打印墨水输入口通过单向阀连接，所述导流管与所述生物打印墨水输出口通过单向阀连接。

本发明实施例还提供了一种3D生物打印装置，其包括前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件。

本发明实施例还提供了前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或3D生物打印装置于多种生物材料混合打印、生物材料和生物分子溶液的混合打印中的用途。

本发明实施例还提供了一种生物材料混合打印方法，其包括：

提供前述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或3D生物打印装置；

将待打印的多种生物材料或者生物材料和生物分子溶液分别独立从进样管中进入独立腔室，通过控制压力活塞的运动速度使其经导流管流出，并进入混合腔室内混合形成混合材料，再经打印喷嘴将所述混合材料打印，实现多种生物材料的混合打印或者生物材料和生物分子溶液的混合打印。

下面将结合附图及典型案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参阅图1所示为本实施例中的一种用于多材料的3D生物打印喷头组件，其包括两个独立腔室1、进样管(图中未标识)、两个导流管2、混合腔室3以及打印喷嘴4等几个主要部分，以及相应的连接接头部件。

所述独立腔室1上开设有生物打印墨水输入口10、生物打印墨水输出口11，所述生物打印墨水输入口10与进样管通过单向阀连接，所述生物打印墨水输出口11与导流管2的一端通过单向阀连接，所述导流管2的另一端与混合腔室3的生物打印墨水接收口30连通，使得两个导流管下部通过连接接头在混合腔室3内实现打印墨水材料的混合。

所述独立腔室1的顶部设置有压力活塞12，将所述独立腔室1内形成密闭空间，至少用以控制打印墨水材料的输入速率和输出速率。其中，所述压力活塞还与一外部驱动机构(图中未标识)连接，所述外部驱动机构可以采用外部电机，打印墨水材料加入到独立腔室1中后，由于进样管、独立腔室1与导流管2三者之间是通过单向阀相连，因此可通过控制活塞运动实现进样与挤压出样的目的，并通过控制不同的活塞速度来控制不同打印墨水的进样量，实现不同打印墨水材料的混合配比。

所述混合腔室3优选包括Y型混合通道，所述混合腔室3底部的混合墨水输出口与打印喷嘴4连通，待打印的墨水材料在混合通道混合后从打印喷嘴处打印到操作台上，从而实现精准、智能的3D生物打印。

参见图2-图3所示，所述打印喷嘴4由复数根不同直径的墨水管道40相互嵌合而成，每根所述墨水管道40的管径沿所述生物打印墨水的流动方向依次递减，且每根所述墨水管道的上部六分之一处为向管道内壁方向凹陷的环形结构，相邻两根墨水管道的所述环形结构相互卡接，当打印喷嘴需要收缩时，相邻两根墨水管道的向内凹陷的环形结构正好能相互卡住，从而可实现通过拉伸或收缩墨水管道的方式调节打印喷嘴的整体长度。

实际使用中，可根据不同性质打印墨水材料的混合固化时间决定打印喷嘴的长度，用于适应不同打印墨水材料的反应固化时间，若固化时间长则调长喷嘴长度，若固化时间短则减小喷嘴长度，保证打印喷嘴打印出的打印墨水材料恰好能在操作台上固化，实现个性化的打印控制。

在进行3D生物打印时，由于生物打印墨水材料的不同，其材料特性也不同，因此需要根据实际材料确定压力活塞的注射速率以及喷嘴长度，并且每次使用完需要彻底清洗后干燥后才能用于下次使用。

藉由上述技术方案，本发明可解决生物打印过程中，固化时间较长导致的打印不精确问题和固化时间太快导致的喷头堵塞问题，还能应用在混合材料与生物分子溶液的同步3D生物打印上，在3D生物打印的临床应用及损伤修复治疗中具有重要应用价值。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于包括：

至少两个独立腔室，所述独立腔室具有生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口，生物打印墨水经所述生物打印墨水输入口连续进入独立腔室，并从所述生物打印墨水输出口输出；

混合腔室，具有混合墨水输出口和至少两个生物打印墨水接收口，用于接收每个所述独立腔室输出的生物打印墨水并使之混合均匀，再经混合墨水输出口输出；

以及，打印喷嘴，与所述混合墨水输出口连通，所述打印喷嘴包括相互嵌合的复数根不同直径的墨水管道，每根所述墨水管道的管径沿所述生物打印墨水的流动方向依次递减，每根所述墨水管道的上部均具有向管道内壁方向凹陷的环形结构，相邻两根墨水管道的所述环形结构相互卡接，至少用以通过拉伸或收缩墨水管道的方式调节打印喷嘴的整体长度；

所述独立腔室内还设置有压力活塞，将所述独立腔室内形成密闭空间，至少用以控制生物打印墨水的输入速率和输出速率，所述压力活塞与一外部驱动机构连接。

2.根据权利要求1所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于还包括：

至少两个进样管，分别与所述独立腔室的生物打印墨水输入口连通；

至少两个导流管，一端与所述独立腔室的生物打印墨水输出口连通，另一端与所述混合腔室的生物打印墨水接收口连通。

3.根据权利要求1所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于：所述混合腔室包括Y型混合通道。

4.根据权利要求1所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于：所述压力活塞设置于所述独立腔室的顶部。

5.根据权利要求1所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于：所述生物打印墨水输入口和生物打印墨水输出口分别设置于所述独立腔室的底部。

6.根据权利要求2所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于：所述进样管与所述生物打印墨水输入口通过单向阀连接。

7.根据权利要求2所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件，其特征在于：所述导流管与所述生物打印墨水输出口通过单向阀连接。

8.一种3D生物打印装置，其特征在于包括权利要求1-7中任一项所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件。

9.权利要求1-7中任一项所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或权利要求8所述的3D生物打印装置于多种生物材料混合打印、生物材料和生物分子溶液的混合打印中的用途。

10.一种生物材料混合打印方法，其特征在于包括：

提供权利要求1-7中任一项所述的用于多材料的3D生物打印喷头组件或权利要求8所述的3D生物打印装置；

将待打印的多种生物材料或者生物材料和生物分子溶液分别独立从进样管中进入独立腔室，通过控制压力活塞的运动速度使其经导流管流出，并进入混合腔室内混合形成混合材料，再经打印喷嘴将所述混合材料打印，实现多种生物材料的混合打印或者生物材料和生物分子溶液的混合打印。