CN113352603B - 一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置，包括信号发生器、功率放大器、运动平台、注射泵、打印喷头和陶瓷压电片；所述打印喷头外壁与陶瓷压电片连接，所述注射泵通过管道与打印喷头相连接，将混合打印油墨注入喷头中，细胞混合油墨通过注射泵挤压到喷头内，喷头外壁的陶瓷压电片将电信号转换成振动信号，通过调节振动频率使喷头与压电陶瓷产生共振，在圆柱管中产生驻波。细胞在声压的驱动下聚集在喷头管道中心处，避免了细胞在喷嘴处堵塞，提高了细胞在支架材料中的沉积精度，而且可以减少细胞损伤，同时，本发明使用的压电换能器与锥形玻璃管组成的打印喷头具有中心对称性，可以省去精确对准的步骤，操作简便，可靠性更高。

Description

一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置。
背景技术
3D打印技术(three-dimensional printing,3DP)是基于离散-堆积原理，在计算机辅助下采用分层加工、叠加成型的技术，即通过逐层增加材料来形成3D实体。因高精度、个性化制造及复杂形状构建上的独特显著优势，3D打印渗入了各行各业，并引领创新，引发了全球制造业的变革。生物3D打印是3D打印技术在生物医学领域中的交叉应用，具有重要的研究意义及应用前景。
组织工程是涉及临床医学，细胞学，分子生物学，材料科学，机械工程等的跨学科主体。其目的是在体内或体内产生人工组织和器官来修复受损组织或器官的功能。3D打印技术在组织工程支架领域具有广阔的发展前景。生物3D打印技术能同时打印细胞和材料，相较于传统细胞种植的办法,，获得的组织工程支架细胞分布更均匀，有利于细胞的生长及分化。挤出式细胞3D打印通过喷头将细胞与材料的混合物按照预先设定的路径挤出、沉积并且凝固成形，最终经过逐层累加得到所需的组织工程培养支架。
但目前，挤压式细胞打印仍然面临着许多问题。例如，打印精度有限、细胞在材料内无法精确定位、在材料挤出过程中细胞在喷嘴处堆积容易造成堵塞，并且材料挤出时的压力和剪切力会对细胞造成破坏性损伤。增加喷嘴直径是解决以上问题的方法之一，但该方法会进一步地影响打印精度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置，有效减缓了喷头堵塞问题以及打印材料挤出时的剪切力使细胞存活数量降低的问题，同时有效提高了打印精度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种超声辅助挤出式细胞打印喷头，包括喷头本体、陶瓷压电片和信号发生器；
所述喷头本体为中空管，其内部用于注入细胞混合油墨，陶瓷压电片固接在喷头的外壁上，陶瓷压电片与信号发生器连接，信号发生器用于对陶瓷压电片提供正弦激励信号，陶瓷压电片在激励信号的作用下产生纵向机械振动，使细胞混合油墨中的细胞移动至喷头本体的轴线位置。
优选的，所述喷头本体包括直管以及设置在其出口端的椎形管，陶瓷压电片固接在直管的外壁上。
优选的，所述直管外壁的中部设置有凹槽，陶瓷压电片配装在矩形凹槽中。
优选的，所述陶瓷压电片采用超声耦合胶水粘接在喷头本体的外壁上。
优选的，所述信号发生器通过功率放大器与陶瓷压电片连接。
一种超声辅助挤出式细胞打印装置，包括注射器、运动平台和超声辅助挤出式细胞打印喷头；
所述注射器与打印喷头的入口端连接，打印喷头固定在运动平台的钻夹头上，运动平台用于带动打印喷头按照设定的轨迹移动。
优选的，所述注射器固定在注射泵上，注射泵包括步进电机、驱动器、丝杆和支架，丝杆设置在支架上，驱动器通过步进电机与丝杆连接，注射器固定在支架上，其活塞与丝杆上的滑块连接。
优选的，所述运动平台上设置有钻夹头夹具，钻夹头设置在钻夹头夹具上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种超声辅助挤出式细胞打印喷头，在喷头本体的侧壁上设置陶瓷压电片，陶瓷压电片与信号发生器连接，利用超声声压将喷头本体中细胞颗粒物聚集在喷头本体中心线处，减少了颗粒物在喷头内壁处的粘附，从而有效减缓了喷头堵塞问题以及打印材料挤出时的剪切力使细胞存活数量降低的问题，同时有效提高了打印精度。同时使用的压电换能器与玻璃管组成的打印本体具有中心对称的结构特性，利用超声声压将待打印细胞等颗粒物聚集在喷头中心线处，能够在喷头本体内实现细胞的定位，使得细胞打印精度不再受到喷嘴直径的约束，便于将细胞/粒子沉积到生物材料内确定的位置，提高了打印精度，省去声学精确对准的步骤，操作简便，可靠性更高。
附图说明
图1为本发明超声辅助细胞打印装置的结构图。
图2为本发明锥形圆柱管的立体结构图。
图中：注射泵1，注射器2，运动平台3，钻夹头夹具4，钻夹头5，打印喷头6，陶瓷压电片7，信号发生器8，功率放大器9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种超声辅助挤出式细胞打印装置，包括注射泵1，注射器2，运动平台3，钻夹头夹具4，钻夹头5，打印喷头6，陶瓷压电片7，信号发生器8和功率放大器9。
所述注射器2固定在注射泵1上，钻夹头5设置在运动平台3的钻夹头夹具4上，打印喷头6固定在钻夹头5上，打印喷头6与注射器2通过管道连接，陶瓷压电片7固接在打印喷头6的侧壁上，陶瓷压电片7通过功率放大器9与信号发生器8连接。
所述注射泵1包括步进电机、驱动器、丝杆和支架等构成，丝杆设置在支架上，驱动器通过步进电机与丝杆连接，注射器固定在支架上，其活塞与丝杆上的滑块连接，丝杆转动带动滑块和活塞进行往复运动，注射器2里灌注细胞混合油墨，所述注射器2中细胞混合油墨在注射泵1的控制下，能够高精度，平稳无脉动的传输到打印喷头6中。
所述运动平台3包括三个步进电机及其编程控制器、驱动器等组成，运动平台3可以由编程控制器精确控制打印喷头6进行三维运动，进而打印出三维实体。
所述打印喷头6包括直管以及设置在其出口端的椎形管，所述直管的中部设有矩形凹槽，陶瓷压电片7配装在矩形凹槽中，并采用超声耦合胶水将陶瓷压电片7与打印喷头6外壁固定，所述注射泵1通过管道与直管的上端相连接，将混合打印油墨注入喷头中。
所述信号发生器8在超声辅助挤压式细胞3D打印过程中为驱动陶瓷压电片7提供正弦激励信号，所述信号发生器8产生的正弦激励信号经功率放大器9传给陶瓷压电片7，所述陶瓷压电片7在激励信号的作用下产生纵向机械振动，纵向机械振动垂直于打印喷头7玻璃管的表面，然后耦合到玻璃管内的液体中，所述生物油墨中细胞微粒在主要辐射力作用下被推向声学激发下的压力节点，即打印喷头的中心线位置。为了最大化传递到压电陶瓷片的电力，所述功率放大器放大倍数约为50倍。
如图2所示，所述生物混合油墨中细胞颗粒在陶瓷压电片7的作用下被推向声学激发下的压力节点，即打印喷头的中心线位置，因此能够有效减慢了喷嘴的堵塞。
本发明提供的一种超声辅助挤出式细胞打印装置，陶瓷压电片由信号发生器经功率放大器施加激励信号，陶瓷压电片将电信号转换成振动信号，通过调节振动频率使喷头与陶瓷压电片产生共振，在圆柱管中产生驻波，细胞在声压的驱动下聚集在喷头管道中心处，避免了细胞在喷嘴处堵塞，提高了细胞在支架材料中的沉积精度，该打印装置结构简单、制造成本低，不仅能够更精确地操纵细胞，而且可以减少细胞损伤。
陶瓷压电片产生的超声波辅助细胞打印，超声波具有非入侵、易与其他技术集成、高通量、处理要求低并能作用于几乎所有类型的细胞上等优点，不仅能够精确地操纵细胞，而且可以减少细胞损伤。利用超声声压将细胞等颗粒物聚集在喷头中心线处，减少了细胞等颗粒物在喷头内壁处的粘附，进而有效减缓了喷头的堵塞问题以及在材料挤出过程中受剪切力影响而使细胞的存活数量和质量降低的问题。与现有技术比较，本发明使用的压电换能器与玻璃管组成的打印喷头具有中心对称的结构特性，利用超声声压将待打印细胞等颗粒物聚集在喷头中心线处，能够在喷头内实现细胞的进一步定位，使得细胞打印精度不再受到喷嘴直径的约束，便于将特定细胞/粒子沉积到生物材料内确定的位置，提高了打印精度，省去声学精确对准的步骤，操作简便，可靠性更高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声辅助挤出式细胞打印喷头，其特征在于，包括喷头本体、陶瓷压电片(7)和信号发生器(8)；
所述喷头本体为中空管，其内部用于注入细胞混合油墨，陶瓷压电片(7)固接在喷头的外壁上，陶瓷压电片(7)与信号发生器(8)连接，信号发生器(8)用于对陶瓷压电片(7)提供正弦激励信号，陶瓷压电片(7)在激励信号的作用下产生纵向机械振动，使细胞混合油墨中的细胞移动至喷头本体的轴线位置；
所述喷头本体包括直管以及设置在其出口端的椎形管，陶瓷压电片(7)固接在直管的外壁上，所述直管外壁的中部设置有凹槽，陶瓷压电片(7)配装在矩形凹槽中。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助挤出式细胞打印喷头，其特征在于，所述陶瓷压电片(7)采用超声耦合胶水粘接在喷头本体的外壁上。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助挤出式细胞打印喷头，其特征在于，所述信号发生器(8)通过功率放大器(9)与陶瓷压电片(7)连接。
4.一种超声辅助挤出式细胞打印装置，其特征在于，包括注射器(2)、运动平台(3)和权利要求1-3任一项所述的超声辅助挤出式细胞打印喷头；
所述注射器(2)与打印喷头的入口端连接，打印喷头固定在运动平台(3)的钻夹头(5)上，运动平台(3)用于带动打印喷头按照设定的轨迹移动。
5.根据权利要求4所述的一种超声辅助挤出式细胞打印装置，其特征在于，所述注射器(2)固定在注射泵(1)上，注射泵包括步进电机、驱动器、丝杆和支架，丝杆设置在支架上，驱动器通过步进电机与丝杆连接，注射器固定在支架上，其活塞与丝杆上的滑块连接。
6.根据权利要求4所述的一种超声辅助挤出式细胞打印装置，其特征在于，所述运动平台(3)上设置有钻夹头夹具(4)，钻夹头(5)设置在钻夹头夹具(4)上。
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