CN113499170B - 一种关节腔软骨3d打印单元及其打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节腔软骨3D打印单元及其打印设备，包括喷头、伸缩底座和支撑组件；支撑组件包括滑套、固定套、第一杆组和第二杆组，固定套设置在滑套内，喷头穿过固定套设置在伸缩底座上，喷头喷墨方向与第一杆组张开朝向一致；喷头内径小于固定套内径，固定套设置有平动连接件使喷头能够相对固定套沿打印平面平动和轴向运动。通过在喷头上设置支撑组件能够使在打印时通过支撑组件将创口处其他组织阻隔在喷头打印区域外围；将喷头穿过固定套设置在伸缩底座上，使喷某头能够沿Z轴方向伸缩；固定套设置有平动连接件能够使固定套与喷头连接，使喷头在打印时能够相对固定套沿打印平面平动，又能使喷头沿Z轴方向自由伸缩。

Description

一种关节腔软骨3D打印单元及其打印设备

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种关节腔软骨3D打印单元及其打印设备。

背景技术

关节腔软骨缺损临床常见，据统计60％以上膝关节镜手术患者伴有软骨缺损，其中42％为单纯透明软骨缺损，即软骨缺损的深度不超过钙化层，缺损的面积在2～4C㎡之间。由于透明软骨没有血管、神经和淋巴系统，自然修复能力低下，直径超过2mm的缺损几乎不能完全修复。如果不进行及时有效治疗，损伤将继续加重并引发关节炎，出现关节疼痛肿胀或畸形。针对此类软骨缺损，临床常用方法是采用微骨折术使骨髓血渗出，利用血凝块中的间充质干细胞增殖、修复软骨缺损，但最终形成的是耐磨性较差的纤维软骨，与天然软骨存在本质差异，难以确保其治疗的长期有效性。

经过发明人的研究发现采用合适的生物墨水在关节腔软骨缺损位置进行原位3D打印缺损软骨能够有效解决现有技术中采用骨髓血修复出的软骨与天然软骨存在本质差异的问题，确保治疗长期有效性。发明人将软骨打印运动过程分解为喷头沿修复平面(即XY面内)的运动和喷头沿垂直于修复平面的直线(Z轴)运动两部分，但随后在进行关节腔原位打印研究的过程中发明人发现虽然关节腔创口大小足够提供打印机喷头的打印空间，但普通的3D打印机喷头在进行原位打印时会面临创口处相邻组织入侵打印机喷头打印区域从而影响打印效果的问题。

因此，增加支撑结构以提供无遮挡打印空间，是确保3D打印质量的必要条件，也是最终解决关节腔软骨缺损问题的重要前提。

在实际的研发中，发现增加的支撑结构可能对打印部件形成干涉，使打印动作受限，无法完成打印操作，因此，还需要解决两如何协同的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种关节腔软骨3D打印单元及其打印设备，用于在创口大小足够提供打印机喷头打印空间的条件下，解决创口处其他组织入侵打印机喷头打印区域引起打印喷头打印空间不充分的问题，同时，进一步，还解决了支撑结构和打印部件如何协同的问题。

本发明之一通过以下技术方案实现：

一种关节腔软骨3D打印单元，包括喷头、支撑组件和平动组件；所述支撑组件包括滑套、固定套、第一杆组、第二杆组和开闭驱动机构，所述固定套呈间隙地套装在喷头外部，所述滑套滑动地套于所述固定套上，所述第一杆组包括多个呈环状铰接在滑套上的支撑杆，所述第二杆组包括与支撑杆一一对应设置的连接杆，所述连接杆的一端与固定套铰接，另一端与支撑杆铰接，所述的支撑杆的另一端铰接在滑套上，所述滑套沿固定套滑动时，所述支撑杆被打开成伞状或收拢至滑套外圆面内，所述开闭驱动机构包括设置在固定套外部的伸缩电杆和设置在伸缩电杆与滑套之间的牵引杆；所述平动组件包括多个设置在固定套内部的伸缩杆，多个所述伸缩杆均匀分布在固定套的同一圆周上，多个所述伸缩杆一端与喷头连接，另一端与固定套内壁活动连接，所述伸缩杆沿固定套圆周转动和固定套径向伸缩，实现喷头沿打印平面平动。

进一步，所述伸缩电杆在固定套外部共设置两个，且在固定套外部圆周上均匀分布，所述滑套上设置有电杆固定座，所述伸缩电杆可拆卸设置在固定座上，所述伸缩电杆的伸缩端部与牵引杆一端铰接，所述牵引杆的另一端与滑套铰接。

进一步，所述支撑杆靠近连接杆的一端设置有向内折弯的弧形段。

进一步，所述平动组件还包括平动驱动机构，所述平动驱动机构包括左右驱动电杆、左右移动座、前后驱动电杆和前后移动座，所述喷头固定在前后移动座上，所述前后移动座滑动设置在左右移动座上，所述左右移动电杆的电杆端部与左右移动座固定，所述前后移动电杆固定在左右移动座上。

进一步，还包括支座，所述左右驱动电杆固定在所述支座上，所述左右移动座可滑动设置在所述支座上。

进一步，所述固定套通过一固定臂与支座连接固定。

进一步，所述伸缩杆与固定套连接的一端设置为圆球，所述固定套内壁设置有与所述圆球滑动配合的环形槽。

进一步，所述伸缩杆呈对设置，且任一对伸缩杆共线设置，所述伸缩杆由多段组成，且至少一段内设置有复位簧。

进一步，所述支撑杆外包裹有用于避免损伤组织的硅胶层。

本发明之二通过以下技术方案实现：

一种3D打印设备，包括如上所述的一种关节腔软骨3D打印单元。

本发明的有益效果在于：

本发明的优点在于：

通过支撑组件将创口处其他组织阻隔在喷头打印区域外围，提供无遮挡打印空间，为打印创造了必要条件；通过平动组件实现支撑组件工作时喷头的平动，解决了支撑结构可能对打印部件形成干涉的问题。

总之通过组合设计，可以不仅实现避免创口组织入侵打印区域还能够将支撑组件同喷头连接在一起，还能能满足喷头同支撑组件有相对的运动，达到一体控制的目的。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为本发明3D打印单元的第一视角图；

图2为本发明3D打印单元的第二视角图；

图3为本发明3D打印单元的第三视角图；

图4为本发明固定套正视图；

图5为本发明3D打印设备的示意图；

附图标记：

1－喷头；2－支撑组件；3－平动组件；4－滑套；5－固定套；6－第一杆组；7－第二杆组；8－伸缩电杆；9－牵引杆；10－伸缩杆；11－左右驱动电杆；12－左右移动座；13－前后驱动电杆；14－前后移动座；15－弧形段；16－支座；17－固定臂；18－圆球；19－环形槽；20－固定套环；21－打印手臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“相同”等术语并不表示要求部件绝对相同，而是可以存在微小的差异。术语“垂直”仅仅是指部件之间的位置关系相对“平行”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

如图1－4，本发明实施例提供了一种实施方案：一种关节腔软骨3D打印单元，包括喷头1、支撑组件2和平动组件3：

支撑组件包括滑套4、固定套5、第一杆组6、第二杆组7和开闭驱动机构，固定套呈间隙地套装在喷头外部，使固定套与喷头之间可以滑动，且可以进行平动，滑套滑动地套于固定套上，可相对于固定套滑动，第一杆组包括多个呈环状铰接在滑套上的支撑杆，第二杆组包括与支撑杆一一对应设置的连接杆，连接杆的一端与固定套铰接，另一端与支撑杆铰接，支撑杆的另一端铰接在滑套上，当滑套沿固定套滑动时，连接杆绕连接处旋转，从而带动支撑杆旋转，使支撑杆向固定套的轴线外部扩张，从而形成伞状支撑结构，也可能向轴线内收拢，最好是能收拢至滑套所在的外圆面内，形成收纳，防止凸出于手术孔，对相邻组织造成损伤，本实施例的开闭驱动机构包括设置在固定套外部的伸缩电杆8和牵引杆9，伸缩电杆为电动推杆，可以实现伸缩驱动，拉伸或退回滑套，牵引杆的两端分别设置在伸缩电杆与滑套上，且通过铰接，使其可以有一定转动自由度；特别的，本实施例的平动组件包括多个设置在固定套内部的伸缩杆10，多个伸缩杆均匀分布在固定套的同一圆周上，且多个伸缩杆一端与喷头连接，另一端与固定套内壁活动连接，伸缩杆沿固定套圆周转动和沿固定套径向伸缩，从而实现喷头沿打印平面的平动。本实施例中，伸缩杆与喷头之间固定形式并不限定，可以固定连接，也可以铰接，同时，其数量也没有限定，但最好是三个以上，可以形成一个相对稳定的平面。平动组件还包括平动驱动机构，平动驱动机构包括左右驱动电杆11、左右移动座12、前后驱动电杆13和前后移动座14，喷头固定在前后移动座上，前后移动座滑动设置在左右移动座上，左右移动电杆的电杆端部与左右移动座固定，前后移动电杆固定在左右移动座上。由于喷头固定在前后移动座上，而前后移动座又固定在左右移动座上，因此，喷头可以做前后左右的复合运动，并由于将喷头固定在多个伸缩杆上，且多个伸缩杆限定在一个平面上，因此，喷头只能在该平面上作前后左右的平动，从而实现该厚度方向的打印工作。

支撑操作过程：

如图所示，伸缩电杆伸出，驱使滑套沿固定套轴线往其端部滑动，支撑杆和连接杆之间的距离缩短，两者同时往外旋转，支撑杆往外围扩张，并越来越大，当达到想要的尺寸时，伸缩电杆停止，保持其扩张状态，由于其放置在喷头外部，支撑并隔离了打印区域，可以进行无障碍打印操作，当打印完成后，伸缩电杆收回，滑套沿固定套轴线远离端部滑动，支撑杆和连接杆之间的距离增长，两者同时往内旋转，支撑杆往内收缩，当收入滑套内时，伸缩电杆停止，完成操作。

平动过程：

如图所示，左右驱动电杆伸出，左右移动座往右移动，从而带动喷头往右移动，伸缩杆沿固定套内壁滑动和伸缩运动，以适应喷头相对于固定套的位置变化，相反，喷头往左移动，前后驱动电杆伸出，前向移动座往前移动，带动喷头往前移动，相反，喷头往后移动。完成平面内的平动。

作为本实施例的改进，伸缩电杆在固定套外部共设置两个，且在固定套外部圆周上均匀分布，即两个伸缩电杆呈对称设置，对滑套牵引时，牵引力更平衡，同时，在滑套上设置有电杆固定座，伸缩电杆通过螺钉或螺栓可拆卸设置在固定座上，伸缩电杆的伸缩端部与牵引杆一端铰接，牵引杆的另一端与滑套铰接，从而使牵引杆与滑套和伸缩电杆之间有一定的旋转自由度。

作为本实施例的改进，支撑杆靠近连接杆的一端设置有向内折弯的弧形段15。由于向内折弯，可以使其端部凸出对人体组织造成损伤，利于提高安全性。

作为本实施例的改进，还包括支座16，左右驱动电杆固定在支座上，左右移动座可滑动设置在支座上。同时，固定套通过一固定臂17与支座连接固定。

通过该结构，可以一方面使固定套与支座进行固定，而喷头相对于支撑组件有一定平动自由度，从而彻底解决支撑结构与打印部件之间干涉的问题。

作为本实施例的改进，伸缩杆与固定套连接的一端设置为圆球18，固定套内壁设置有与所述圆球滑动配合的环形槽19。当喷头平动时，圆球在环形槽内滑动，并进行长度自适应，从而适应平动后，喷头中心与固定套中心位置变化。

作为本实施例的改进，更优的一种情况是：伸缩杆呈对设置，且任一对伸缩杆共线设置，使在任一方向上，都有作用力和反作用力，更好地达到力平衡。

同时，伸缩杆由多段组成，且至少一段内设置有复位簧。当压回长度发生变化后，可以通过复位簧进行复位，有一定固定作用，使喷头位置不易发生变化。

作为本实施例的改进，支撑杆外包裹有用于避免损伤组织的硅胶层。

作为本实施例的改进，本实施例中，在喷头外部还设置有一个固定套环20，伸缩杆的端部与固定套环连接固定，从而防止直接固定在喷头上对材料通道造成影响。

本实施例还提供一种打印设备，如图5所示，该设备包括上述的3D打印单元。

特别的，本实施例还包括一种多自由度的打印手臂21，本实施例的支座可以设置在打印手臂上，或者是一体设置，打印手臂可以为打印操作提供更多空间，以满足更多需求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，包括喷头、支撑组件和平动组件；所述支撑组件包括滑套、固定套、第一杆组、第二杆组和开闭驱动机构，所述固定套呈间隙地套装在喷头外部，所述滑套滑动地套于所述固定套上，所述第一杆组包括多个呈环状铰接在滑套上的支撑杆，所述第二杆组包括与支撑杆一一对应设置的连接杆，所述连接杆的一端与固定套铰接，另一端与支撑杆铰接，所述的支撑杆的另一端铰接在滑套上，所述滑套沿固定套滑动时，所述支撑杆被打开成伞状或收拢至滑套外圆面内，所述开闭驱动机构包括设置在固定套外部的伸缩电杆和设置在伸缩电杆与滑套之间的牵引杆；所述平动组件包括多个设置在固定套内部的伸缩杆，多个所述伸缩杆均匀分布在固定套的同一圆周上，多个所述伸缩杆一端与喷头连接，另一端与固定套内壁活动连接，所述伸缩杆沿固定套圆周转动和固定套径向伸缩，实现喷头沿打印平面平动。

2.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述伸缩电杆在固定套外部共设置两个，且在固定套外部圆周上均匀分布，所述滑套上设置有电杆固定座，所述伸缩电杆可拆卸设置在固定座上，所述伸缩电杆的伸缩端部与牵引杆一端铰接，所述牵引杆的另一端与滑套铰接。

3.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述支撑杆靠近连接杆的一端设置有向内折弯的弧形段。

4.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述平动组件还包括平动驱动机构，所述平动驱动机构包括左右驱动电杆、左右移动座、前后驱动电杆和前后移动座，所述喷头固定在前后移动座上，所述前后移动座滑动设置在左右移动座上，所述左右驱动电杆的电杆端部与左右移动座固定，所述前后驱动电杆固定在左右移动座上。

5.根据权利要求4所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，还包括支座，所述左右驱动电杆固定在所述支座上，所述左右移动座可滑动设置在所述支座上。

6.根据权利要求5所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述固定套通过一固定臂与支座连接固定。

7.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述伸缩杆与固定套连接的一端设置为圆球，所述固定套内壁设置有与所述圆球滑动配合的环形槽。

8.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述伸缩杆呈对设置，且任一对伸缩杆共线设置，所述伸缩杆由多段组成，且至少一段内设置有复位簧。

9.根据权利要求1所述的一种关节腔软骨3D打印单元，其特征在于，所述支撑杆外包裹有用于避免损伤组织的硅胶层。

10.一种3D打印设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的一种关节腔软骨3D打印单元。