CN113290858A - 可拆卸挤出式生物3d打印同轴喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械工程和生物3D打印技术领域,尤其涉及一种可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头。其为可拆卸的、结构精巧、产物成型稳定、便于清洗且极大改善细胞打印条件的同轴挤出式3D打印喷头。包括由上至下依次设置的喷头底座、内针管、外管;内针管内安装有内针,且内针与内针管轴心共线;其特征在于,底座、内针管、外管三部分内腔相连通且轴心共线,同轴打印时,三部分之间螺纹相连为一体。
Description
技术领域
本发明属于机械工程和生物3D打印技术领域,尤其涉及一种可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头。
背景技术
近年来,生物3D打印技术在组织与器官再造领域蓬勃发展。但由于组织器官的复杂性,各种生物打印法在制造组织器官时都遇到严峻挑战,其中小口径管状结构的构建是其中一个难点。
同轴生物3D打印可以直接将含细胞水凝胶纤维打印复杂管状结构,该技术基本原理就是使用同轴喷头将外层的水凝胶材料和内层的牺牲材料共同挤出,打印结束后去除内层牺牲材料形成的中空通路。这种通路可为细胞后续培养提供营养支持和代谢物流出出口。
目前所使用的同轴喷头常是数种不同口径的金属管相套而成,一方面结构单一,通常打印成形效果很不稳定,且较难清洗。更重要的是在含细胞水凝胶挤出打印过程中的高剪切应力会对细胞造成极大的损伤,对后续组织器官形成造成影响。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷,提供一种可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其为可拆卸的、结构精巧、产物成型稳定、便于清洗且极大改善细胞打印条件的同轴挤出式3D打印喷头。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案,包括由上至下依次设置的喷头底座、内针管、外管;内针管内安装有内针,且内针与内针管轴心共线;其特征在于,底座、内针管、外管三部分内腔相连通且轴心共线,同轴打印时,三部分之间螺纹相连为一体。
进一步地,普通打印时,所述底座与外管螺纹连接为一体;同轴打印时,所述内针管的第一端与底座螺纹相连,内针管的第二端与所述外管螺纹连接。
进一步地,所述底座竖直设置,包括底座上方的底座进料口、与点胶针筒相连的卡口、底部下方设置有第一内螺纹。
进一步地,所述内针管包括设置在侧壁的内针进料口、伸出至外管出料口外的内针;内针安装在内针管内腔中部、通过内针支撑杆与内针管主体相连,且内针与内针管同轴;内针管第一端设置有用于与底座第一内螺纹连接的第一外螺纹,内针管第二端设置有与外管旋合连接的第二内螺纹。
更进一步地,内针端部由外管出料口伸出时,内管端部与所述圆形出料口间留有间隙。
更进一步地,所述内针支撑杆与内针管内壁相连,且支撑杆形状满足其不影响流体于内针管内腔向下流动。
进一步地,所述外管呈锥形状,外管上端设置有第二外螺纹。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明可拆卸式喷头实现同轴打印,使用螺纹连接来解决了内外针同轴性的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的装配效果图。
图2是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的剖视装配图。
图3-4是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的底座的结构图和正视图。
图5-6是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的内针管的结构图和正视图。
图7是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的外套的结构图。
图8是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头底座与外管直接连接的装配图。
图9是一种可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的内部通道及打印墨水流向示意图。
具体实施方式
如图1-9所示,本发明包括底座1、内针管2以及外管3。
底座1包括进料口11、与点胶针筒相连的卡口12、中间内针管旋合连接的第一内螺纹13,底座1竖直放置。
内针管2包括设置在内针管2侧壁的内针进料口22、内针支撑杆24、伸出至外管出料口27的内针26、内针出料口27;内针26安装在内针管内腔中部与内针管主体相连,通过内针支撑杆24固定,保证与内针管2同轴;内针管分别设有用于与底座第一内螺纹连接的第一外螺纹23、与外管旋合连接的第二内螺纹25。具体地,内针支撑杆与内针管内壁相连,且支撑杆形状满足其不影响流体于内针管内腔向下流动。
外管3包括与中间内针管连接的第二外螺纹31以及外管出料口32。
优选方案一、所述底座1、内针管2以及外管3共用同一中心线,三者之间通过螺纹连接。
优选方案二、所述可拆卸打印喷头底座1的第一内螺纹13和外管3的第二外螺纹31也可相互旋合,在无需同轴打印条件下喷头底座1与外管3可直接连接实现普通挤出条件下打印。用于制备小口径管状。
本发明可拆卸挤出式3D打印同轴喷头的装配过程如下:
1)将内针管第一外螺纹23与底座第一内螺纹13旋合。
2)将内针管第二内螺纹25与外管第二外螺纹31旋合。
3)将底座上卡口旋入一号点胶针筒,使两者牢固连接。
4)将一根导管安装到内针管侧壁的内针进料口22上,导管另一头接一个装有交联剂或牺牲材料的二号点胶针筒。
5)分别将点胶针筒安装至挤出式打印机两个喷头座上,用打印机控制打印墨水或交联剂灌注的速度和时间。
同轴打印的操作方法:打印前,将卡口与一号点胶针筒相连,针筒内为含细胞水凝胶材料a,内针进料口22通过导管连接至二号针筒,内含交联剂b,即材料b。打印时,以一定速率在内针管侧壁的内针进料口通材料b使其浸润内腔后从内针出料口27流出,一定时间后在底座进料口11通材料a,其在外管出料口32呈环形流出,同时材料b 与环形材料a内壁接触,交联固化形成管状结构d。其中,c为b流经内管至于出口的材料。
实施例1:
1)使用一定体积的去离子水溶解相应质量的海藻酸钠粉末,制备 6%的海藻酸钠溶液,将海藻酸钠溶液与制备好的内皮细胞的细胞悬液按体积1:1进行混合,即为材料a,混合后细胞密度在5×106个/ml; 在一定质量的去离子水中溶解相应质量的 CaCl2,制备浓度为 3% CaCl2溶液,即为材料b。
2)用双喷头挤出式3D打印机打印。通过卡口12将喷头与一号点胶针筒相连,将一根导管安装到喷头内针管侧壁的内针进料口22上,导管另一头接二号点胶针筒,两点胶针筒固定在打印机喷头座上。
3)以一定速率分别从内针进料口22和底座进料口11通入3% CaCl2溶液和含内皮细胞的海藻酸钠溶液,在外管出料口32处氯化钙溶液与呈环形流出的海藻酸钠溶液内壁接触,交联形成空心小口径含细胞水凝胶3D结构。
实施例2:
1)将6% (w/v) 的甲基丙烯酰化明胶 (GelMA)、20 mg/ml明胶、3 mg/ml透明质酸、100μl/ml甘油充分混合制成GelMA 生物墨水,将生物墨水与制备好的内皮细胞的细胞悬液按体积9:1进行混合,即为材料a,混合后细胞密度在2×106个/ml; 无菌条件下制备400mg/ml的Pluronic F-127溶液,并于4℃冰箱中保存,为牺牲材料b。材料b打印前装入设备针筒中。
2)选用挤出式3D打印机打印。通过卡口12将喷头与一号点胶针筒相连,将一根导管安装到喷头内针管侧壁的内针进料口22上,导管另一头接微型注射泵,一号点胶针筒固定在打印机喷头座上。
3)采用集成冷却系统将生物打印机室的温度维持在18℃,以一定速率在内针管侧壁的内针进料口22通牺牲材料b,其从内针出料口27流出,同时在底座进料口11通材料a,其在外管出料口32呈环形流出,在接触材料b后,两者形成同轴丝状结构,每打印4层采用紫外线(365 nm)照射100s,打印完成后,用过量的无菌水或 PBS 冲洗同轴细丝以溶解未交联的牺牲核心水凝胶,形成小口径血管。
实施例3:
1)使用一定体积的去离子水溶解相应质量的明胶及海藻酸钠粉末,制备10%明胶、6%的无菌溶液,将混合溶液与制备好的胆管上皮细胞的细胞悬液按体积2:1进行混合,即为材料a,混合后细胞密度在1×104个/ml; 在一定质量的去离子水中溶解相应质量的 CaCl2,制备最终浓度为 1% CaCl2溶液,即为材料b。
2)选用双喷头挤出式3D打印机打印。通过卡口12将喷头与一号点胶针筒相连,将一根导管安装到喷头内针管侧壁的内针进料口22上,导管另一头接二号点胶针筒,两点胶针筒固定在打印机喷头座上。
3)以一定速率分别从内针进料口22和底座进料口11通入1% CaCl2溶液和含胆管上皮细胞的混合溶液,在外管出料口32处氯化钙溶液与呈环形流出的混合溶液内壁接触,交联形成空心胆管。
本发明提供一种可拆卸式喷头实现同轴打印,流道呈上下通路型,外管设计成锥形内腔结构, 使同轴挤出式打印中生物友好性显著提升,同时使用螺纹连接以及支撑杆来解决了内外针同轴性的问题。
可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于,包括由上至下依次设置的喷头底座、内针管、外管;内针管内安装有内针,且内针与内针管轴心共线;其特征在于,底座、内针管、外管三部分内腔相连通且轴心共线,同轴打印时,三部分之间螺纹相连为一体。
2.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:普通打印时,所述底座与外管螺纹连接为一体;同轴打印时,所述内针管的第一端与底座螺纹相连,内针管的第二端与所述外管螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:所述底座竖直设置,包括底座上方的底座进料口、与点胶针筒相连的卡口、底部下方设置有第一内螺纹。
4.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:所述内针管包括设置在侧壁的内针进料口、伸出至外管出料口外的内针;内针安装在内针管内腔中部、通过内针支撑杆与内针管主体相连,且内针与内针管同轴;内针管第一端设置有用于与底座第一内螺纹连接的第一外螺纹,内针管第二端设置有与外管旋合连接的第二内螺纹。
5.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:内针端部由外管出料口伸出时,内管端部与所述圆形出料口间留有间隙。
6.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:所述内针支撑杆与内针管内壁相连,且支撑杆形状满足其不影响流体于内针管内腔向下流动。
7.根据权利要求1所述的可拆卸挤出式生物3D打印同轴喷头,其特征在于:所述外管呈锥形状,外管上端设置有第二外螺纹。
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