CN111631841A - 一种分叉血管打印喷头及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分叉血管打印喷头及其打印方法，属于生物3D打印领域。本发明的喷头包括接头、导料柱和外套管；所述的导料柱和接头采用卡扣连接，所述的外套管套装在导料柱的外围，外套管和接头采用螺纹连接；位于上部的接头内设有两种通道，导流柱内设有第三种通道，两种材料经过接头内部通道后形成两种分布，并在喷头出口处接触后发生交联固化反应形成多条细血管分支。导流柱与外套管之间的空隙作为第三种材料的通道，经喷头出口处形成与多条细血管连接的粗血管。本发明保证了人造分叉血管一次打印成型和快速构建，解决了传统的分叉血管打印效率低的问题，适应多种打印需求，不伤害细胞结构。

Description

一种分叉血管打印喷头及其打印方法

技术领域

本发明涉及一种分叉血管打印喷头及其打印方法，用于分支血管结构的快速构建，属于生物3D打印领域。

背景技术

心血管疾病是老年人中的严重疾病，并且经常表现出与血管性能下降有关的复杂发病机理。我国人口正在加速不如老龄化，血管疾病的发病率也在不断上升。因此，急需兼具血管力学及生物性能的人造血管进行病理学及教学实验。

血管3D打印是生物3D打印的一个分支，其原理是利用水凝胶等生物材料作为细胞支架将血管细胞通过3D打印的方式塑造成管状结构，且具备足够的力学强度与生物功能。相对于传统的纤维连接法和组织工程法，血管3D打印方法因其高效性和高柔性获得了成为当下研究的热点。

常用的血管3D打印方法有挤出式打印、牺牲法打印、激光辅助打印等。

由于分叉血管的结构相比普通血管较为复杂，在三叉血管构建过程更加困难，且打印效率较低。传统的挤出式打印是利用挤出力将材料呈丝状从喷头挤出堆积成立体管状结构的技术，这种方法可适配多种生物墨水，不过因为重力因素及堆积形变的影响，以这种方式制造的血管表面通常不均匀。牺牲打印法是将预先打印在血管材料中的牺牲模板溶解后形成空腔管道的技术，因为受到牺牲模板尺寸及其溶解后形状畸变的限制，一般难以形成较复杂的通道，且该方法工序较为复杂。激光辅助打印是利用紫外光照射生物墨水表面发生固化成形，该方法分辨率高，但成本高昂且紫外光对细胞有一定损害。因此亟需一种打印成本低、稳定性好且不伤害细胞结构的打印喷头，用于分叉血管的快速构建。

发明内容

为了解决现有技术中常用的血管3D打印方法打印分辨率和稳定性较低，以及高成本的激光辅助打印采用的紫外光会对细胞造成伤害等缺陷，本发明提供了一种用于分叉血管打印的喷头及其方法。本发明基于同轴打印技术，利用一种同轴喷头的复杂流道进行分配，能够实现多种材料直接交联为管状结构，用于分支结构血管的快速构建，具有效率高、成本低且操作方便的优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分叉血管打印喷头，包括接头、导料柱和外套管；所述的导料柱和接头采用卡扣连接，所述的外套管套装在导料柱的外围，外套管和接头采用螺纹连接；

所述接头的内部设有第一通道、第二通道和三叉通道，所述第一通道的入口与第一入料口连通，第一通道的出口位于接头底部的中心位置处；所述第二通道的入口与第二入料口连通，第二通道的出口与三叉通道的三个入口连通，三叉通道的三个出口均匀布置在第一通道出口的周围，且三叉通道的三个出口均连接有第一内管；

所述导料柱的顶部开设有柱形槽，所述柱形槽的槽底设有贯穿导料柱的三个第三通道，所述第三通道的内部安装有第二内管；所述第二内管的内径大于所述第一内管的外径，且第二内管与第一内管同轴，第二内管与第一内管的底端平齐；

所述外套管的外壁开设有第三入料口，外套管的内径大于导料柱的外径。

作为本发明的优选，所述的第一内管和第二内管的底端伸出导料柱底部1mm～2mm。

作为本发明的优选，所述第一内管的外壁与三叉通道的内壁过盈配合，所述第二内管的外壁与第三通道的内壁过盈配合。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明采用了一种含嵌套流道的喷头，喷头中位于上部的接头内设有两种通道，导流柱内设有第三种通道，两种材料经过接头内部通道后形成两种分布，并在喷头出口处接触后发生交联固化反应，可以一次形成多条细血管分支。导流柱与外套管之间的空隙作为第三种材料的通道，经喷头出口处形成与多条细血管连接的粗血管。本发明通过首先打印分叉血管结构，然后使粗血管与分叉血管初步连接后再继续打印粗血管结构，保证了人造分叉血管一次打印成型和快速构建，解决了传统的分叉血管打印效率低的问题。

(2)本发明中的喷头可拓展性良好，可以生产多种型号，且不同内径的第一内管和第二内管的组成形式能够适应多种不同粗细的分支血管打印需求，实现不同规格的血管打印；制造成本及使用成本低廉，可应用于人造血管的大规模制造。

(3)本发明的喷头可适配多种生物墨水，结合了同轴打印技术，使得生物墨水从喷头的出口处垂直流出并发生交联固化反应，受重力变形影响程度小，因而具有较好的稳定性和分辨率，同时也不伤害细胞结构。

附图说明

图1是喷头的整体结构示意图；

图2是接头的结构示意图；

图3是导料柱的结构示意图；

图4是外套管的结构示意图；

图5是喷头的装配流程示意图；

图6是喷头内部的流道分布示意图；

图7是喷头的使用流程示意图；

图中，1接头、11第一入料口、12第二入料口、13第一通道出口、14卡扣孔、15滑槽、16外螺纹、17第一内管、18第一通道、19第二通道、110三叉通道；2导料柱、21卡扣块、22柱形槽、23第二内管、24拆装槽、25第三通道；3外套管、31第三入料口、32内螺纹、33外套管的底部出口。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例进一步说明本发明的具体结构和工作过程。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，在本实施例中的用于分叉血管打印的喷头包括接头1、导料柱2和外套管3。接头1上设有第一入料口11和第二入料口12，所述的第一入料口11位于接头的侧面，第二入料口位于接头的顶面；外套管上设有第三入料口31。所述的接头1和导料柱2采用卡扣联接，接头1和外套管3采用螺纹联接。

在本发明的一个具体实施例中，如图2和图6b所示，所述的接头1内部设有第一通道18、第二通道19和三叉通道110，所述第一通道18的入口与第一入料口11连通，第一通道出口13位于接头1底部的中心位置处；所述第二通道19的入口与第二入料口12连通，第二通道19的出口与三叉通道110的三个入口连通，三叉通道110的三个出口均匀布置在第一通道出口13的周围，且三叉通道110的三个出口均连接有第一内管17，第一内管17的外壁与三叉通道110的内壁过盈配合，使得装配更加牢固。

所述的接头1底部设有管状结构的连接部，所述连接部的外表面设置有外螺纹，连接部的内表面设有滑槽、以及与滑槽相连的卡扣孔。

在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，所述的导料柱2上端设有卡扣块，所述卡扣块与所述卡扣孔过渡配合，所述的卡扣块至少设置2个，优选为3个。

所述导料柱2的顶部开设有柱形槽22，所述柱形槽22的槽底设有贯穿导料柱2的三个第三通道25，所述第三通道25的内部安装有第二内管23，第二内管23的外壁与第三通道25的内壁过盈配合，使得装配更加牢固。所述第二内管23的内径大于所述第一内管17的外径，且第二内管23与第一内管17同轴，第二内管23与第一内管17的底端平齐，优选第一内管17和第二内管23的底端伸出导料柱2底部1mm～2mm。所述的导料柱2底部设有拆装槽24，拆装槽24的开口方向朝下，便于第二内管23的拆装。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，所述的外套管3外壁开设有第三入料口31，外套管3的内壁与导料柱2的外壁之间留有间隙，打印材料从第三入料口进入，通过外套管3的内壁与导料柱2的外壁之间的间隙从外套管的底部出口33流出，外套管的底部出口33内侧设有倒角，使得打印材料平缓流出。

外套管3的上部内壁设有内螺纹32，所述的内螺纹32与喷头上的外螺纹16配合安装，外套管上的第三入料口31位于内螺纹32的下方。

所述的第一内管17和第二内管23均通过过盈配合固定在相应的通道中，第一内管17和第二内管23一般采用不锈钢材料静电纺丝制成，要求表面抛光。接头1、导料柱2和外套管3一般采用光敏树脂3D打印或金属3D打印，要求内部通道光滑连贯。另外，通过不同口径的第一内管17和第二内管23组合可以形成不同粗细的分支血管结构。例如，当第二内管(粗内管)23外径不变、内径变小，则粗细内管间的中空流道外径相应变小，如此生成的血管也相应变细变窄。第二内管23内径一般以2～5mm直径为佳，过细则易发生堵塞，过粗则材料易流出不均；第一内管(细内管)17外径可根据第二内管(粗内管)直径而改变，在保证不发生堵塞及流出不均的情况下有较大的更改空间，一般以1～4mm直径为佳。

本发明的一个优选实施案展示了分叉血管打印喷头的具体安装过程。

1.如图5a，将三根细内管17冷冻至-80℃，待其因冷缩直径减小后插入接头1的三叉通道110中并加热至室温(或自然恢复室温温度)，细内管膨胀并与三叉通道110内壁过盈配合，要求接触面贴合不松动，三内管端部平齐；

2.如图5b，将三根粗内管23冷冻至-80℃，待其因冷缩直径减小后插入导料柱2的第三通道25中并加热至室温(或自然恢复室温温度)，粗内管膨胀并与第三通道25内壁过盈配合，要求接触面贴合不松动，三内管端部平齐，且比导料柱2底部超出1mm左右；

3.如图5c，将接头1和导料柱2同轴线装配，其中三个卡扣块21分别沿滑槽15卡入卡扣孔14，要求上下套管贴合紧实不松动，且三组粗内管23与细内管17分别同轴线；

4.如图5d，将外套管3沿内螺纹32与接头1上的外螺纹16配合，要求旋紧后外套管3底部超出导料柱2底部1mm左右，并且螺纹配合要求严密，可以使用防水胶布保证紧密性。

本发明的一个优选实施案展示了分叉血管打印喷头的打印过程，采用两种材料的交联打印。

如图6所示，图中第一溶液x为氯化钙溶液，第二溶液y和第三溶液z为海藻酸钠溶液。其中，溶液x从第二入料口12进入喷头，在喷头1内分叉成三股分别从第一内管17流出，其流经通道如图6a所示；溶液y从第一入料口11进入喷头，在导料柱的柱形槽22中缓冲后分叉成三股从第二内管23流出，其流经通道如图6b所示；溶液z从第三入料口31进入喷头，沿导料柱2和外套管3之间的间隙流下，从外套管的底部出口33流出，其流经通道如图6c所示。

具体打印过程如下：

步骤1、如图7a，控制第一溶液、第二溶液分别以一定的流量进入第一入料口和第二入料口，其中所述的第一溶液经第一入料口进入接头1内部的第一通道，然后经第一通道的出口流入到导料柱2顶部的柱形槽内，再经三个第三通道中的第二内管内壁与第一内管外壁之间的间隙从导料柱2底部出口流出；所述的第二溶液经第二入料口进入接头1内部的第二通道中，在第二通道的出口处分成三股进入接头1内部的三叉通道，再经三个第一内管从导料柱2底部出口流出；从导料柱2底部出口流出的第一溶液和第二溶液接触后发生交联固化反应，因接触面为管状，则将同时产生三条较细的管状结构，形成三条细血管。

步骤2、如图7b，当三条细血管达到预设长度之后，将控制第一溶液、第二溶液的微量注射泵关闭，开始注射第三溶液；所述的第三溶液经第三入料口进入外套管3内壁与导料柱2外壁之间的间隙中，再经外套管3底部出口流出；由于没有氯化钙溶液的推进，已经成型的三条细血管将放缓下落速度，从外套管3底部出口流出的第三溶液将三条细血管结构初步连接。

步骤3、如图7c，继续注射第三溶液，并同时开始注射第二溶液，从导料柱底部出口第二溶液与从外套管底部出口流出的第三溶液接触后发生交联固化反应，产生一条较粗的管状结构，形成一条粗血管，所述的粗血管与三条细血管内部相通构成分叉血管结构；当粗血管达到预设长度之后关闭微量注射泵，取下打印完毕的分叉血管，即完成打印过程。

所述的第一溶液、第二溶液、第三溶液可以通过微量注射泵精确控制流量，优选1ml/min，其中氯化钙溶液和海藻酸钠溶液的浓度为4％(w/v)。

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作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分叉血管打印喷头，其特征在于，包括接头(1)、导料柱(2)和外套管(3)；所述的导料柱(2)和接头(1)采用卡扣连接，所述的外套管(3)套装在导料柱(2)的外围，外套管(3)和接头(1)采用螺纹连接；

所述接头(1)的内部设有第一通道(18)、第二通道(19)和三叉通道(110)，所述第一通道的入口与第一入料口(11)连通，第一通道的出口位于接头(1)底部的中心位置处；所述第二通道的入口与第二入料口(12)连通，第二通道的出口与三叉通道的三个入口连通，三叉通道的三个出口均匀布置在第一通道出口的周围，且三叉通道的三个出口均连接有第一内管(17)；

所述导料柱(2)的顶部开设有柱形槽(22)，所述柱形槽的槽底设有贯穿导料柱的三个第三通道(25)，所述第三通道的内部安装有第二内管(23)；所述第二内管的内径大于所述第一内管的外径，且第二内管与第一内管同轴，第二内管与第一内管的底端平齐；

所述外套管(3)的外壁开设有第三入料口(31)，外套管(3)的内径大于导料柱(2)的外径。

2.根据权利要求1所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述外套管(3)的上部内壁设有内螺纹，外套管上的第三入料口位于内螺纹的下方，外套管的底部出口内侧设有倒角。

3.根据权利要求1所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述的接头(1)底部设有管状结构的连接部，所述连接部的外表面设置有外螺纹，连接部的内表面设有滑槽(15)、以及与滑槽相连的卡扣孔(14)。

4.根据权利要求3所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述的导料柱(2)上端设有卡扣块(21)，所述卡扣块与所述卡扣孔过渡配合。

5.根据权利要求4所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述的卡扣块至少设置2个。

6.根据权利要求1所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述的导料柱(2)底部设有拆装槽(24)，拆装槽的开口方向朝下。

7.根据权利要求1所述的一种分叉血管打印喷头，其特征在于，所述的第一内管和第二内管的底端伸出导料柱(2)底部1mm～2mm。

8.根据权利要求1所述的分叉血管打印喷头，其特征在于，所述第一内管(17)的外壁与三叉通道(110)的内壁过盈配合，所述第二内管(23)的外壁与第三通道(25)的内壁过盈配合。

9.一种基于权利要求1所述的分叉血管打印喷头的打印方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将三根第一内管(17)冷冻后插入接头(1)内部的三叉通道(110)中，将三根第二内管(23)冷冻后插入导料柱(2)内部的三个第三通道(25)中，将第一内管(17)与第二内管(23)同轴安装，并调整第一内管与第二内管底端平齐且超出导料柱(2)底部1mm～2mm；将外套管(3)套装在导料柱(2)的外围，外套管(3)和接头(1)通过螺纹连接固定，将第一入料口(11)、第二入料口(12)和第三入料口(31)分别与三个微量注射泵连接；

步骤2：控制第一溶液、第二溶液分别进入第一入料口(11)和第二入料口(12)，其中所述的第一溶液经第一入料口(11)进入接头(1)内部的第一通道(18)，然后经第一通道的出口流入到导料柱(2)顶部的柱形槽(22)内，再经三个第三通道(25)中的第二内管内壁与第一内管外壁之间的间隙从导料柱(2)底部出口流出；所述的第二溶液经第二入料口进入接头(1)内部的第二通道中，在第二通道的出口处分成三股进入接头(1)内部的三叉通道，再经三个第一内管从导料柱(2)底部出口流出；从导料柱(2)底部出口流出的第一溶液和第二溶液发生交联固化反应，形成三条细血管；

步骤3：当三条细血管达到预设长度之后，将控制第一溶液、第二溶液的微量注射泵关闭，开始注射第三溶液；所述的第三溶液经第三入料口进入外套管(3)内壁与导料柱(2)外壁之间的间隙中，再经外套管(3)底部出口流出；从外套管(3)底部出口流出的第三溶液将三条细血管结构初步连接；

步骤4：继续注射第三溶液，并同时开始注射第二溶液，第三溶液与第二溶液发生交联固化反应，形成一条粗血管，所述的粗血管与三条细血管内部相通构成分叉血管结构；当粗血管达到预设长度之后关闭微量注射泵，取下打印完毕的分叉血管。

10.根据权利要求9所述的分叉血管打印喷头的打印方法，其特征在于，所述的第一溶液和第三溶液为海藻酸钠水溶液，所述的第二溶液为氯化钙水溶液。

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