CN113459508B - 一种多通道的汇流式生物打印喷头 - Google Patents

一种多通道的汇流式生物打印喷头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道的汇流式生物打印喷头。该汇流式生物打印喷头包括两部分：供料部分和汇流部分。通过多通道汇流方式实现生物凝胶液体材料的挤出打印，首先将多种生物液体材料通过多个管道汇流在一点从而实现液体的混合，多种液体各自由多个微压力泵从供料部抽出经由管道汇集在汇流区，经由内部管道流向电磁搅拌器，最后由电磁搅拌器流向喷头。供料部分在喷头底部通过温控装置，能够保持汇流挤出生物墨水的液态工作状态，并实现生物墨水的分层打印输出。以阀门控制微压力泵挤压动作的作为打印喷头驱动部分，然后在坐标式挤出式3D打印机中完成生物3D分层打印动作。

Description

一种多通道的汇流式生物打印喷头
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种挤出式的打印喷头，具体涉及一种多通道的汇流式生物打印喷头。
背景技术
生物三维打印技术是在快速打印的基础上进一步发展实现的，它结合了细胞学、计算机辅助学和生物材料学，是一种新型的工程应用技术。使用生物三维打印技术可以实现组织器官的再造，例如骨骼细胞、皮肤组织和人造耳朵等组织器官的制造，但这些还远远不能满足人类的需求。所以，生物三维打印技术是当今乃至未来的热门研究课题，是解决世界医学难题的方法之一。
在生物打印技术中，打印喷头直接影响到成品的质量。传统的3D喷头在混合多种材料后，大部分采用了挤压混合的办法，通过压力使不同的材料或者试剂相互混合，该方式容易出现材料混合不均匀，可能会导致挤压出的材料中某一特定材料的浓度过大的问题，造成成品质量不合格；少部分采用了搅拌器混合，但是传统的搅拌器因为传动轴的存在，制造复杂，安装不方便，混合效率也比较低下。因此需要对多通道汇流式喷头的搅拌器进行改进，提高输出效率与可靠性，提高成品质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种多通道的汇流式生物打印喷头，由微压力泵将原料从供料箱中抽取到汇流混合区，在汇流混合区域增加电磁搅拌器，解决多种材料混合不均的问题，在碰头底部设置温控装置保持挤出材料的液体状态，实现分层打印输出。
一种多通道的汇流式生物打印喷头，包括供料部分和汇流部分。
供料部分包括供料箱、抽取管道、微压力泵和汇流管道。汇流部分包括混合箱、电磁搅拌器和喷头。
混合箱固定在供料箱的底部，侧面设置有多个液体入口。抽取管道、微压力泵、汇流管道以及液体入口四者的数量一致；供料箱的多个物料区分别通过对应的抽取管道、微压力泵、汇流管道连接到混合箱上的多个液体入口；混合箱的底部设置有液体出口，电磁搅拌器设置在混合箱的液体出口与喷头之间；
所述电磁搅拌器包括通电磁体、滚子、磁石、搅拌转子和外壳；外壳的内径大于搅拌转子的外径；通电磁体固定在外壳上，4个通电磁体相互间隔90度角放置；搅拌转子同轴设置在外壳内。四个磁石分别固定在搅拌转子两条不互相垂直的直径的4个端点上；滚子设置在外壳与搅拌转子之间；通电磁体在电流的作用下产生磁场，控制磁石带动搅拌转子转动；
作为优选，所述汇流管道由软管与L型鲁尔接头连接组成。
作为优选，汇流部分还包括设置在喷头管道上的温控装置。所述温控装置包括加热部分和测温部分，测温部分用于测量喷头管道内的液体是否处于设定的温度范围内，加热部分用于将喷头管道内的液体加热到设定的温度范围内。
作为优选，温控装置的加热部分为电阻丝加热贴。
作为优选，温控装置设定的温度范围为35℃～45℃。
本发明具有以下有益效果：
1、基于传统的熔融沉积技术，设计了多通道的打印喷头，实现了对生物材料的融合，并通过混流方式挤出，完成多材料混合的生物组织打印。
2、在喷头混合箱中设置了电磁搅拌器，使用电磁力作为动力，基于偏置磁场的原理，没有传动轴，与传统的搅拌器相比，降低了工作过程中产生的热量，传动效率与可靠性更高，不会对生物材料的活性造成影响。
3、结构简单、制备加工方便，无需采用光刻等复杂工艺设备，省却了大量繁琐的微加工工艺设计更加灵活，生产制备周期显著缩短可以快速批量生产，成本极低其模板，所用耗材少，操作方便。
附图说明
图1为实施例中多通道打印喷头的整体结构示意图；
图2为实施例中多通道打印喷头供料箱的立体图；
图3为实施例中多通道打印喷头供料部分装配视图；
图4为实施例中多通道打印喷头的微压力泵立体图；
图5为实施例中多通道打印喷头汇流搅拌部分立体图；
图6为实施例中电磁搅拌器的侧面剖视图；
图7为实施例中电磁搅拌器的俯视剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种多通道的汇流式生物打印喷头，包括供料部分和汇流部分。
其中供料部分包括供料箱10、抽取管道1、抽取管道2、抽取管道3、微压力泵11和由软管9与L型鲁尔接头8连接组成的汇流管道。汇流部分包括混合箱7、电磁搅拌器6、喷头5和温控装置4。
如图2所示，供料箱10的长、宽、高分别为75mm、70mm、55mm，内部空间的长、宽、高均为50mm，内部空间的底部设置有固定试管的凹槽，与装有不同生物材料的试管底部啮合，实现试管的固定，试管的出口处外径为5mm，内径为3mm，底部的直径为20mm，高度为76mm，壁厚1mm，内部容积约为14ml。如图3所示，供料箱顶盖14上设置有一号通孔15、二号通孔16和三号通孔17，将三个抽取管道分别与三个通孔相连，微压力泵11通过抽取管道抽取供料箱10中的打印材料，通过汇流管道输送到汇流部分。微压力泵11作为液体动力装置，工作时间长达几个小时，内部没有其他中间介质，不会对抽取的材料造成污染，方便清洗与维护，体积小，易安装。如图4所示，微压力泵11包括减速电机固定座12和电机13，电机13的输出压力为20Kpa，真空度为80Kpa，工作电压为12v。微压力泵11的长、宽、高分别为68mm、51mm、32mm，排气孔的外径为5mm，内径为3mm。侧面设置有4个直径为2.4mm的安装孔，用于通过螺丝将微压力泵11固定在供料箱10的侧面。
混合箱7固定在供料箱10的底部，如图5所示，混合箱7侧面设置有多个用于旋接L型鲁尔接头8的液体入口，L型鲁尔接头为PP材料，内径为4.3mm，外径为7.8mm，长度为18.25mm。混合箱7的底部设置有液体出口，电磁搅拌器6和温控装置4设置在混合箱7的液体出口与喷头5之间。
电磁搅拌器6基于偏置磁场的原理设计得到，如图6、图7所示，电磁搅拌器包括通电磁体21、滚子22、磁石23、搅拌器24和外壳25。通电磁体21固定在外壳25上，4个通电磁体之间相互间隔90度角。磁石23固定在搅拌器24两条不互相垂直的直径的4个端点上。滚子22设置在外壳25与搅拌器24之间。通电磁体21通过电流后会产生磁场，改变电流的方向可以改变磁场的正负极。通过吸引和排斥搅拌器24上的磁石23从而使搅拌器24旋转，因为4个磁石不是按照90度角的间隔布置的，存在一定的偏角，所以4个磁石中总有2个与通电磁体不处于同一个面上，即总有2个磁石处于不平衡位置，这2个处于不平衡位置的磁石可以破坏电磁搅拌器6总体的平衡，提供额外的动力，从而使电磁搅拌器6可以不停的旋转。并且改变电流的大小，可以控制搅拌器的转速。
温控装置4设置在喷头5上，使汇流混合后进入喷头5的生物材料保持在一定温度内，保证材料为液体状态。温控装置4包括用于加热的电阻丝加热贴和用于测温的温度传感器。当温度传感器检测到喷头管道中的液体温度低于设定值时，启动电阻丝加热贴进行加热。当当温度传感器检测到的温度已经达到设定温度的最大值时，暂停电阻丝加热贴的工作。
在供料箱10中放置3个液体试管，1号液体试管中装有合成流体-矿物油加表面活性剂，2号液体试管中装有混合后的带培养基的细胞悬浮液与琼脂糖中活的原生质体，3号液体试管中装有接触后的琼脂糖和原生质体。其中1号液体试管和2号液体试管中的材料分别为连续相和分散相。多个微压力泵以不同的流量速度从供料箱10中放置的液体试管里抽取材料，被抽取的材料通过汇流管道流入混合箱7，电磁搅拌器6将混合箱7中不同的材料搅拌均匀，温控装置4保证混合后的材料为液体状态，微压力泵提供喷头5的挤出压力，混合后的液体材料通过喷头5被一层层得挤出，并最终固化成形，完成3D打印。

Claims (8)

1.一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：包括供料部分和汇流部分；
供料部分包括供料箱(10)、抽取管道、微压力泵(11)和汇流管道；汇流部分包括混合箱(7)、电磁搅拌器(6)和喷头(5)；
混合箱(7)固定在供料箱(10)的底部，侧面设置有多个液体入口；抽取管道、微压力泵(11)、汇流管道以及液体入口四者的数量一致；供料箱(10)的多个物料区分别通过对应的抽取管道、微压力泵(11)、汇流管道连接到混合箱(7)上的多个液体入口；混合箱(7)的底部设置有液体出口，电磁搅拌器(6)设置在混合箱(7)的液体出口与喷头(5)之间；
所述电磁搅拌器(6)包括通电磁体(21)、滚子(22)、磁石(23)、搅拌器(24)和外壳(25)；外壳(25)的内径大于搅拌器(24)的外径；通电磁体(21)固定在外壳(25)上，4个通电磁体相互间隔90度角放置；搅拌器(24)同轴设置在外壳(25)内；四个磁石(23)分别固定在搅拌器(24)两条不互相垂直的直径的4个端点上；滚子(22)设置在外壳(25)与搅拌器(24)之间；通电磁体(21)在电流的作用下产生磁场，控制磁石(23)带动搅拌器(24)转动；
供料箱中的多个不同物料区中装有不同打印材料，微压力泵(11)通过抽取管道抽取供料箱(10)中的打印材料，通过汇流管道输送到混合箱(7)中，待混合的液体材料经过电磁搅拌器(6)搅拌均匀后经过喷头(5)挤出。
2.如权利要求1所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：所述汇流管道由软管(9)与L型鲁尔接头(8)连接组成。
3.如权利要求1或2所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：L型鲁尔接头(8)为PP材料。
4.如权利要求1所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：所述汇流部分还包括设置在喷头(5)上的温控装置(4)。
5.如权利要求4所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：所述温控装置(4)包括加热部分和测温部分，测温部分用于测量喷头(5)内的液体是否处于设定的温度范围内，加热部分用于将喷头(5)内的液体加热到设定的温度范围内。
6.如权利要求5所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：温控装置的加热部分为电阻丝加热贴；设定的温度范围为35℃～45℃。
7.如权利要求1所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：供料箱(10)的长、宽、高分别为75mm、70mm、55mm，内部空间的长、宽、高均为50mm，内部空间的底部设置有固定试管的凹槽，与装有不同生物材料的试管底部啮合，实现试管的固定，试管的出口处外径为5mm，内径为3mm，底部的直径为20mm，高度为76mm，壁厚1mm，内部容积约为14ml。
8.如权利要求1所述一种多通道的汇流式生物打印喷头，其特征在于：微压力泵(11)的长、宽、高分别为68mm、51mm、32mm，排气孔的外径为5mm，内径为3mm；侧面设置有4个直径为2.4mm的安装孔，用于通过螺丝将微压力泵(11)固定在供料箱(10)的侧面。
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