CN113290855A - 一种便携式原位生物3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式原位生物3D打印机，包括静电纺丝模块、喷雾挤出模块、生物材料挤出模块、握把模块、材料进给模块、高压静电喷嘴、第一注射器、象鼻喷嘴、第二注射器、第二丝杠步进电机、第二推杆、导轨、U型插拔销、定位套筒、阵列式挤出针头、第三注射器、第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、启动开关、液晶显示屏、第一丝杠步进电机、第一推杆、第三丝杠步进电机、第三推杆。本发明能够进行多种模式的复合打印以实现创面的愈合效果，整体打印机具有整体结构紧凑、体积小便携性好的优点。

Description

一种便携式原位生物3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印领域，更具体的说是涉及一种便携式原位生物3D打印机。

背景技术

创面的种类纷繁多样，日常生活中最常见的是急性创面(割伤、刺伤)以及慢性创面(烧伤)，其中烧伤是最常见的一种创面。烧伤是一种由物理或化学因素，如热力、化学、电流及放射线等所引起的常见的外伤性疾病。小面积烧伤仅引起皮肤和(或)黏膜组织或相应的深层组织的损伤。但较大面积的烧伤，可引起机体的各个系统出现不同程度的功能、代谢和形态变化，使伤员全身出现严重的反应和内脏损害，发生休克、脓毒症和多脏器功能衰竭等并发症，死亡率很高。烧伤创面的愈合及治疗过程复杂，时间较长。

烧伤治疗主要分为药物治疗，敷料治疗，手术治疗和其他。其中敷料治疗占比最多，2019年占总市场将近59.6％。因此敷料治疗依然是目前烧伤创面治疗最主要的方式之一，就创面愈合过程而言一般分为四个过程：I止血阶段II炎症阶段III肉芽形成阶段IV重塑阶段，这个过程需要止血、抑菌、生长因子以及多种细胞的配合等，然而目前的敷料尚未满足这一系列的要求，且存在诸多缺陷(1、易有棉线脱落形成异物2、不能吸收过多渗液，容易浸渍周围皮肤3、容易干燥、创面粘连，造成再次损伤4、浸渍后，细菌容易入侵5、更换频繁，费时且患者痛苦6、涂抹过多容易造成伤口浸渍7、不能涂抹在正常皮肤上8、需要二级敷料固定等)，因此找到一种面向创面精准管理的修复方式成为关键。

原位生物3D打印定义为在临床环境中直接打印生物墨水以在缺损处填补修复组织或器官，该技术旨在修复和重建有缺陷的组织，这些组织通常涉及曲面甚至更复杂的几何形状，而常规的3D打印技术通常仅限于平坦的基材。近年来该领域发展迅速，各种研究表明这种方法的巨大潜力，尤其是在皮肤，骨骼和软骨修复方面。因为它消除了在组织发育中起关键作用的生物微环境，而创面愈合过程急需这样的微环境。相比之下，体外方法主要需要重现天然组织微环境，其具有必要的生长因子、细胞和抑菌的物质，以获得更好的细胞活性、增殖、分化和迁移，这是发育功能组织(皮肤)或器官所必需的。这些因素的自然存在、简单性、易操纵性、较低的成本、较低的劳动力投入以及潜在的较少的监管障碍使得原位方法比体外方法更具有效。

原位3D打印的方式分为两种：装配有单独生物打印单元的机械臂或手持式设备。手持式生物打印方法涉及具有生物打印单元的高度便携式设备，该设备允许以直接写入方式将具有特定活细胞的生物材料沉积。与大型的机械臂相比，手持式生物制造工具具有许多优点：(a)随时间变化的伤口状况具有灵活性；(b)在天然组织的缝隙内或悬垂下方沉积生物墨水的自由度；(c)尺寸较小；(d)易于在临床位置和消毒内移入/移出；(e)降低了设备成本。典型的手持设备包含手柄，一个或多个生物墨水盒，喷嘴，光固化单元以及电动或气动挤出系统。现有国内外代表性组织器官修复用原位生物3D打印手持设备代表有：2020年多伦多大学RichardY Cheng团队开发的一种手持式皮肤3D打印机，2020年美国内布拉斯加大学林肯校区Carina S.Russell团队研发了一种手持式3D打印装置来用于骨骼肌的损伤治疗，2017年澳大利亚伍伦贡大学Cathal D O’Connell研究团队介绍了一种用于软骨损伤治疗的生物笔(Biopen)，2015年山东青岛大学开发出基于小型化和集成化的电池供电电子纺丝设备(BOEA)等。但是，针对于创面修复的过程，在选择潜在的细胞外基质成分进行组织修复和功能复合，包括清创止血、细胞打印、抑菌药物释放等方面，这些手持设备均难以达成这一功能。

因此，提供一种面向创面精准管理的便携式原位生物3D打印机，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种便携式原位生物3D打印机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种便携式原位生物D打印机，包括静电纺丝模块、喷雾挤出模块、生物材料挤出模块、握把模块和材料进给模块；

所述材料进给模块位于打印机的顶部，包括第一丝杠步进电机、第一推杆、第三丝杠步进电机、第三推杆，其中，第一推杆套接在第一丝杠步进电机的丝杠末端，第三推杆套接在第三丝杠步进电机的丝杠末端；

所述静电纺丝模块和生物材料挤出模块平行设置，位于材料进给模块的下方，所述静电纺丝模块内部设有高压静电喷嘴和位于所述高压静电喷嘴后端的第一注射器，第一注射器设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第一推杆相抵；

所述喷雾挤出模块内部设有象鼻喷嘴和位于所述象鼻喷嘴后端的第二注射器，第二注射器后端设有往复运动机构，所述往复运动机构包括第二丝杠步进电机、套接在丝杠上的第二推杆和导轨，所述第二注射器设有的注射器活塞的末端与第二推杆相抵，所述喷雾挤出模块底部连接U型插拔销；

所述生物材料挤出模块内部设有阵列式挤出针头，和位于所述阵列式挤出针头后端的第三注射器，第三注射器设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第三推杆相抵；

所述握把模块在打印机的顶面设有第一切换开关、第二切换开关和第三切换开关，握把模块的侧面设有启动开关，握把模块的底部设有液晶显示屏；

所述喷雾挤出模块通过所述U型插拔销与打印机的主体纵向固定连接；所述握把模块与打印机的主体固定连接。

优选的，所述第一注射器、第二注射器、第三注射器均为一次性医疗注射器。

优选的，所述高压静电喷嘴内部设有金属限位轴，所述第一注射器的针头插入所述金属限位轴的正极与负极间，对针头施加高压静电。

优选的，所述静电纺丝模块、所述喷雾挤出模块和所述生物材料挤出模块的内部前端均设有定位套筒。

优选的，所述静电纺丝模块、喷雾挤出模块、生物材料挤出模块的外壳表面设有观察窗。

优选的，所述观察窗能观察第一注射器、第二注射器、第三注射器的注射情况。

优选的，所述喷雾挤出模块内部的导轨套设在所述第二推杆外部，第二推杆的外壁与导轨的内壁贴合；所述注射器活塞、所述第二推杆、所述第二丝杠步进电机的丝杠、所述导轨的轴心处于同一直线上。

优选的，所述握把模块内部设有控制卡、电机驱动、高压静电电源，所述握把模块外部还设有电源插座、操作按钮。

优选的，所述控制卡分别与所述电机驱动、电源插座、操作按钮、液晶显示屏、第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、启动开关电连接；所述第一切换开关控制第一丝杠步进电机的启停，所述第二切换开关控制第二丝杠步进电机的启停，第三切换开关控制第三丝杠步进电机的启停，所述启动开关控制打印机的启停。

优选的，所述高压静电电源与所述高压静电喷嘴连接，所述电机驱动分别与第一丝杠步进电机、第二丝杠步进电机和第三丝杠步进电机电连接。

优选的，所述操作按钮设置在液晶显示屏的侧边，用于设定工作参数。

优选的，所述电源插座为所述静电纺丝模块、喷雾挤出模块、生物材料挤出模块和握把模块提供电源。

优选的，所述握把模块的壳体表面设有4个M5的螺丝通孔与打印机的主体连接。

优选的，所述握把模块的底部设有底盖，底盖上设有一个M5的螺丝通孔与打印机的主体连接。

经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种便携式原位生物3D打印机，能够进行多种模式的复合打印以实现创面的愈合效果：喷雾挤出模块可以达到清创的效果，其喷出的光敏材料能在紫外灯的短暂照射下快速成型达到初步止血抑菌的效果；生物材料挤出模块可以挤出高质量的可加载细胞与药物的水凝胶；静电纺丝模块可以打印出含有抑菌药物的生物相容性薄膜。本发明在整体设计上对整个系统进行了机械结构、机电控制的优化使得打印机具有整体结构紧凑、体积小便携性好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明便携式原位生物3D打印机的结构示意图；

图2附图为本发明便携式原位生物3D打印机的三视图；

图3附图为本发明便携式原位生物3D打印机的剖面图；

图4附图为本发明便携式原位生物3D打印机的静电纺丝模块和生物材料挤出模块的结构示意图；

图5附图为本发明便携式原位生物3D打印机的喷雾挤出模块的前端结构示意图，其中图5(a)为喷雾挤出模块的内部结构图，图5(b)为喷雾挤出模块连接U型插拔销的外部结构图；

图6附图为本发明便携式原位生物3D打印机的材料进给模块的内部结构图；

图7附图为本发明便携式原位生物3D打印机的底部示意图；

图8附图为本发明便携式原位生物3D打印机的喷雾挤出模块的前端与导轨、第二推杆的结构示意图；

图中：1-静电纺丝模块、2-喷雾挤出模块、3-生物材料挤出模块、4-握把模块、5-材料进给模块、1.1-高压静电喷嘴、1.2-第一注射器、2.1-象鼻喷嘴、2.2-第二注射器、2.3-第二丝杠步进电机、2.4-第二推杆、2.5-导轨、2.6-U型插拔销、2.7-定位套筒、3.1-阵列式挤出针头、3.2-第三注射器、4.1-第一切换开关、4.2-第二切换开关、4.3-第三切换开关、4.4-启动开关、4.5-液晶显示屏、5.1-第一丝杠步进电机、5.2-第一推杆、5.3-第三丝杠步进电机、5.4-第三推杆。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种便携式原位生物3D打印机，如图1所示，包括静电纺丝模块1、喷雾挤出模块2、生物材料挤出模块3、握把模块4和材料进给模块5；

所述材料进给模块5位于打印机的顶部，包括第一丝杠步进电机5.1、第一推杆5.2、第三丝杠步进电机5.3、第三推杆5.4，其中，第一推杆5.2套接在第一丝杠步进电机5.1的丝杠末端，第三推杆5.4套接在第三丝杠步进电机5.3的丝杠末端；

所述静电纺丝模块1和生物材料挤出模块3平行设置，位于材料进给模块5的下方，所述静电纺丝模块1内部设有高压静电喷嘴1.1和位于所述高压静电喷嘴1.1后端的第一注射器1.2，第一注射器1.2设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第一推杆5.2相抵；

所述喷雾挤出模块2内部设有象鼻喷嘴2.1和位于所述象鼻喷嘴2.1后端的第二注射器2.2，第二注射器2.2后端设有往复运动机构，所述往复运动机构包括第二丝杠步进电机2.3、套接在丝杠上的第二推杆2.4和导轨2.5，所述第二注射器2.2设有的注射器活塞的末端与第二推杆2.4相抵，所述喷雾挤出模块2底部连接U型插拔销2.6；

所述生物材料挤出模块3内部设有阵列式挤出针头3.1，和位于所述阵列式挤出针头3.1后端的第三注射器3.2，第三注射器3.2设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第三推杆5.4相抵；

所述握把模块4在打印机的顶面设有第一切换开关4.1、第二切换开关4.2和第三切换开关4.3，握把模块4的侧面设有启动开关4.4，握把模块4的底部设有液晶显示屏4.5；

所述喷雾挤出模块2通过所述U型插拔销2.6与打印机的主体纵向固定连接；所述握把模块4与打印机的主体固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，所述第一注射器1.2里装载可电纺聚合物溶液如PCL。

为了进一步优化上述技术方案，所述第二注射器2.2里装载粘度较低的可清创止血溶液如生理盐水、凝血酶。

为了进一步优化上述技术方案，所述第三注射器3.2里装载具有一定粘度的生物材料如水凝胶。

为了进一步优化上述技术方案，所述高压静电喷嘴1.1内部设有金属限位轴，所述第一注射器1.2的针头插入所述金属限位轴的正极与负极间，对针头施加高压静电。

为了进一步优化上述技术方案，所述静电纺丝模块1、所述喷雾挤出模块2和所述生物材料挤出模块3的内部前端均设有定位套筒2.7。

为了进一步优化上述技术方案，所述静电纺丝模块1、喷雾挤出模块2、生物材料挤出模块3的外壳表面设有观察窗。

为了进一步优化上述技术方案，所述喷雾挤出模块2内部的导轨2.5套设在所述第二推杆2.4外部，第二推杆2.4的外壁与导轨2.5的内壁贴合；所述注射器活塞、所述第二推杆2.4、所述第二丝杠步进电机2.3的丝杠、所述导轨2.5的轴心处于同一直线上。

为了进一步优化上述技术方案，所述握把模块4内部设有控制卡、电机驱动、高压静电电源，所述握把模块4外部还设有电源插座、操作按钮。

为了进一步优化上述技术方案，所述控制卡分别与所述电机驱动、电源插座、操作按钮、液晶显示屏4.5、第一切换开关4.1、第二切换开关4.2、第三切换开关4.3、启动开关4.4电连接；所述第一切换开关4.1控制第一丝杠步进电机5.1的启停，所述第二切换开关4.2控制第二丝杠步进电机2.3的启停，第三切换开关4.3控制第三丝杠步进电机5.3的启停，所述启动开关4.4控制打印机的启停。

为了进一步优化上述技术方案，所述高压静电电源与所述高压静电喷嘴1.1连接，所述电机驱动分别与第一丝杠步进电机5.1、第二丝杠步进电机2.3和第三丝杠步进电机5.3电连接。

为了进一步优化上述技术方案，所述操作按钮设置在液晶显示屏4.5的侧边，用于设定工作参数。

为了进一步优化上述技术方案，所述电源插座为所述静电纺丝模块1、喷雾挤出模块2、生物材料挤出模块3和握把模块4提供电源。

优选的，所述握把模块4的壳体表面设有4个M5的螺丝通孔与打印机的主体连接。

优选的，所述握把模块4的底部设有底盖，底盖上设有一个M5的螺丝通孔与打印机的主体连接。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，包括静电纺丝模块(1)、喷雾挤出模块(2)、生物材料挤出模块(3)、握把模块(4)和材料进给模块(5)；

所述材料进给模块(5)位于打印机的顶部，包括第一丝杠步进电机(5.1)、第一推杆(5.2)、第三丝杠步进电机(5.3)、第三推杆(5.4)，其中，第一推杆(5.2)套接在第一丝杠步进电机(5.1)的丝杠末端，第三推杆(5.4)套接在第三丝杠步进电机(5.3)的丝杠末端；

所述静电纺丝模块(1)和生物材料挤出模块(3)平行设置，位于材料进给模块(5)的下方，所述静电纺丝模块(1)内部设有高压静电喷嘴(1.1)和位于所述高压静电喷嘴(1.1)后端的第一注射器(1.2)，第一注射器(1.2)设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第一推杆(5.2)相抵；

所述喷雾挤出模块(2)内部设有象鼻喷嘴(2.1)和位于所述象鼻喷嘴(2.1)后端的第二注射器(2.2)，第二注射器(2.2)后端设有往复运动机构，所述往复运动机构包括第二丝杠步进电机(2.3)、套接在丝杠上的第二推杆(2.4)和导轨(2.5)，所述第二注射器(2.2)设有的注射器活塞的末端与第二推杆(2.4)相抵，所述喷雾挤出模块(2)底部连接U型插拔销(2.6)；

所述生物材料挤出模块(3)内部设有阵列式挤出针头(3.1)，和位于所述阵列式挤出针头(3.1)后端的第三注射器(3.2)，第三注射器(3.2)设有注射器活塞，所述注射器活塞的末端与第三推杆(5.4)相抵；

所述握把模块(4)在打印机的顶面设有第一切换开关(4.1)、第二切换开关(4.2)和第三切换开关(4.3)，握把模块(4)的侧面设有启动开关(4.4)，握把模块(4)的底部设有液晶显示屏(4.5)；

所述喷雾挤出模块(2)通过所述U型插拔销(2.6)与打印机的主体纵向固定连接；所述握把模块(4)与打印机的主体固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述高压静电喷嘴(1.1)内部设有金属限位轴，所述第一注射器(1.2)的针头插入所述金属限位轴的正极与负极间，对针头施加高压静电。

3.根据权利要求1所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述静电纺丝模块(1)、所述喷雾挤出模块(2)和所述生物材料挤出模块(3)的内部前端均设有定位套筒(2.7)。

4.根据权利要求1所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述静电纺丝模块(1)、喷雾挤出模块(2)、生物材料挤出模块(3)的外壳表面设有观察窗。

5.根据权利要求1所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述喷雾挤出模块(2)内部的导轨(2.5)套设在所述第二推杆(2.4)外部，第二推杆(2.4)的外壁与导轨(2.5)的内壁贴合；所述注射器活塞、所述第二推杆(2.4)、所述第二丝杠步进电机(2.3)的丝杠、所述导轨(2.5)的轴心处于同一直线上。

6.根据权利要求1所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述握把模块(4)内部设有控制卡、电机驱动、高压静电电源，所述握把模块(4)外部还设有电源插座、操作按钮。

7.根据权利要求6所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述控制卡分别与所述电机驱动、电源插座、操作按钮、液晶显示屏(4.5)、第一切换开关(4.1)、第二切换开关(4.2)、第三切换开关(4.3)、启动开关(4.4)电连接；所述第一切换开关(4.1)控制第一丝杠步进电机(5.1)的启停，所述第二切换开关(4.2)控制第二丝杠步进电机(2.3)的启停，第三切换开关(4.3)控制第三丝杠步进电机(5.3)的启停，所述启动开关(4.4)控制打印机的启停。

8.根据权利要求6所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述高压静电电源与所述高压静电喷嘴(1.1)连接，所述电机驱动分别与第一丝杠步进电机(5.1)、第二丝杠步进电机(2.3)和第三丝杠步进电机(5.3)电连接。

9.根据权利要求6所述的一种便携式原位生物3D打印机，其特征在于，所述操作按钮设置在液晶显示屏(4.5)的侧边，用于设定工作参数。

Images