CN107443724A - 气动挤压自动供料的生物3d打印喷头 - Google Patents

气动挤压自动供料的生物3d打印喷头 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种气动挤压自动供料的生物3D打印喷头，包括壳体(1)、料筒(21)、储料箱(22)、针头(3)，还包括气缸(4)、上活塞(51)、下活塞(52)，所述上活塞(51)与气缸(4)内壁密闭配合，下活塞(52)与料筒(21)内壁密闭配合，还包括活塞杆(53)，其一端与上活塞(51)固连，另一端与下活塞(52)固连，所述气缸(4)上端与进气口(6)相通，在所述壳体(1)与料筒(21)之间设有水槽(71)。本发明的生物3D打印喷头，通过气动挤压自动供料，实现生物材料低温打印。

Description

气动挤压自动供料的生物3D打印喷头
技术领域
本发明属于细胞和生物材料3D打印技术领域，特别是一种能够实现低温打印的气动挤压自动供料的生物3D打印喷头。
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。
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。
浙江大学研究的面向多种材料打印的旋转切换方式生物3D打印喷头实现了单喷头对多种材料的打印，对于一些高温材料是可行的，但是对于一些低温材料，如在温度30℃以下才能更好保证材料性能的胶原蛋白/纳米纤维等复合材料，难以实现3D打印。
总之，现有技术存在的问题是：生物3D打印喷头难以实现低温打印。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气动挤压自动供料的生物3D打印喷头，能够实现低温打印。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种气动挤压自动供料的生物3D打印喷头，包括壳体、置于壳体内的料筒、置于壳体外的储料箱，所述料筒通过输料管与储料箱相通，还包括针头，所述针头穿过壳体下端，其进口与料筒底部相通，出口设在壳体外，还包括置于料筒上部的气缸、置于所述气缸内的上活塞、置于料筒内的下活塞，所述上活塞与气缸内壁密闭配合，下活塞与料筒内壁密闭配合，还包括活塞杆，其密封穿过气缸下端，一端与上活塞固连，另一端与下活塞固连，活塞杆位于上活塞与气缸底之间部分套装有弹簧，所述壳体上端设有进气口，所述气缸上端与进气口相通，在所述壳体与料筒之间设有水槽，其通过设于壳体壁上的进水口和出水口与外界相通。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
能够实现低温打印。因为：
本发明通过气体压力控制材料挤出速率，控制简单；
通过冷却水的循环流动，保证料筒底部材料被充分冷却，从而实现低温打印。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明气动挤压自动供料的生物3D打印喷头的结构示意图。
图2是本发明气动挤压自动供料的生物3D打印喷头的外形图。
图3是图1中针头的局部放大图。
图中，
壳体1、上壳体11、下壳体12、壳体螺栓13、料筒21、储料箱22、输料管23、进料阀24、针头3、锥形针管31、钢球32、压缩弹簧33、轴向卡套34、进料管35、出料口36、气缸4、缸体41、缸盖42、缸盖螺栓43、气体通道44、上活塞51、下活塞52、活塞杆53、弹簧54、外旋盖6、水槽71、进水口72、出水口73。
具体实施方式
如图1所示，本发明气动挤压自动供料的生物3D打印喷头，
包括壳体1、置于壳体1内的料筒21、置于壳体1外的储料箱22，所述料筒21通过输料管23与储料箱22相通，
还包括针头3，所述针头3穿过壳体1下端，其进口与料筒21底部相通，出口设在壳体1外，
还包括置于料筒21上部的气缸4、置于所述气缸4内的上活塞51、置于料筒21内的下活塞52，所述上活塞51与气缸4内壁密闭配合，下活塞52与料筒21内壁密闭配合，还包括活塞杆53，其密封穿过气缸4下端，一端与上活塞51固连，另一端与下活塞52固连，活塞杆53位于上活塞51与气缸4底之间部分套装有弹簧54，
所述壳体上端设有进气口，所述气缸4上端与进气口相通，
在所述壳体1与料筒21之间设有水槽71，其通过设于壳体1壁上的进水口72和出水口73与外界相通。
所述进气口用于与高压气源相连，如气泵。通过压力表来控制压力的大小并决定材料挤出速率。控制简单。
所述进水口72和出水口73用于与冷却水泵相连，通过冷却水的循环流动，保证料筒底部材料被充分冷却。
如图1、2所示，
所述壳体1包括上壳体11和下壳体12，上壳体11与下壳体12通过壳体螺栓13可拆式固定连接。
如图1所示，
所述气缸4包括缸体41和与其上端螺纹固连的缸盖42，所述缸盖42通过缸盖螺栓43固装在上壳体11内，缸盖42上部开有与壳体上端进气口相通的气体通道44。
如图1所示，
所述上壳体11上端开口，与一外旋盖6螺纹固连，所述进气口设在外旋盖6上。
如图1所示，
所述储料箱22设在下壳体12外侧，在与储料箱22相通的输料管23上设有进料阀24。
如图3所示，
所述针头3包括锥形针管31、钢球32，压缩弹簧33，轴向卡套34，所述锥形针管31的大头固设有与料筒21底部相通进料管35，锥形针管31的小头开有出料口36，所述钢球32顶住进料管35出口，轴向卡套34外沿卡在锥形针管31内壁，压缩弹簧33下端套装在轴向卡套34上，上端顶在钢球32下部。
本发明的工作原理如下：
在挤压前，先将胶原/纳米纤维复合材料注入储料箱体22内，外界高压气体输气管将上壳体11上的进气口与空气开启阀和气泵连通。气泵提供气体压力，通过压力表来控制压力的大小并决定材料挤出速率。输气管上设置供气阀，如电磁阀。通过电磁阀控制复合材料的工作状态。
在实现打印前，将生物质复合材料储存在储料箱体22内。进料阀24关闭，当输气管上的供气阀打开，高压气体进入气缸4，推动上活塞51向下运动。在活塞杆53作用下，下活塞52也向下运动，将料筒21内部的气体通过针头3排出。然后输气管上的供气阀关闭，上活塞51在弹簧54的复位作用下向上运动。此时，打开储料箱22的进料阀24，复合材料液体会被吸进料筒21里。再次，打开供气阀，关闭进料阀24，上活塞51在气体压力作用下推动下活塞52，下活塞52推动料筒21中的液体材料通过针头3喷出。打印的同时，水槽71的进水口72、出水口73接入冷却水泵，通过冷却水的循环流动，保证料筒底部材料被充分冷却。
如此反复进行上述过程，就实现了气动挤压和低温保护生物质材料的作用。最后将3D打印的材料放置低温箱中冷冻再干燥，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。
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，本发明可以提供近似静压的压力，以满足气动式喷出技术要求，从而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。

Claims (6)

1.一种气动挤压自动供料的生物3D打印喷头，其特征在于：
包括壳体(1)、置于壳体(1)内的料筒(21)、置于壳体(1)外的储料箱(22)，所述料筒(21)通过输料管(23)与储料箱(22)相通，
还包括针头(3)，所述针头(3)穿过壳体(1)下端，其进口与料筒(21)底部相通，出口设在壳体(1)外，
还包括置于料筒(21)上部的气缸(4)、置于所述气缸(4)内的上活塞(51)、置于料筒(21)内的下活塞(52)，所述上活塞(51)与气缸(4)内壁密闭配合，下活塞(52)与料筒(21)内壁密闭配合，还包括活塞杆(53)，其密封穿过气缸(4)底，一端与上活塞(51)固连，另一端与下活塞(52)固连，活塞杆(53)位于上活塞(51)与气缸(4)底之间部分套装有弹簧(54)，
所述壳体上端设有进气口，所述气缸(4)上端与进气口相通，
在所述壳体(1)与料筒(21)之间设有水槽(71)，其通过设于壳体(1)壁上的进水口(72)和出水口(73)与外界相通。
2.根据权利要求1所述的生物3D打印喷头，其特征在于：
所述壳体(1)包括上壳体(11)和下壳体(12)，上壳体(11)与下壳体(12)通过壳体螺栓(13)可拆式固定连接。
3.根据权利要求2所述的生物3D打印喷头，其特征在于：
所述气缸(4)包括缸体(41)和与其上端螺纹固连的缸盖(42)，所述缸盖(42)通过缸盖螺栓(43)固装在上壳体(11)内，缸盖(42)上部开有与壳体上端进气口相通的气体通道(44)。
4.根据权利要求3所述的生物3D打印喷头，其特征在于：
所述上壳体(11)上端开口，与一外旋盖(6)螺纹固连，所述进气口设在外旋盖(6)上。
5.根据权利要求2所述的生物3D打印喷头，其特征在于：
所述储料箱(22)设在下壳体(12)外侧，在与储料箱(22)相通的输料管(23)上设有进料阀(24)。
6.根据权利要求1所述的生物3D打印喷头，其特征在于：
所述针头(3)包括锥形针管(31)、钢球(32)，压缩弹簧(33)，轴向卡套(34)，所述锥形针管(31)的大头固设有与料筒(21)底部相通进料管(35)，锥形针管(31)的小头开有出料口(36)，所述钢球(32)顶住进料管(35)出口，轴向卡套(34)外沿卡在锥形针管(31)内壁，压缩弹簧(33)下端套装在轴向卡套(34)上，上端顶在钢球(32)下部。
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