CN114454477B - 一种挤出式生物3d打印设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法，包括传送系统、进给系统和控制器，进给系统通过丝杠机构将生物材料储存盒中的生物材料挤出并传送到传送系统中，控制器分别与传送系统和进给系统电性连接，用于控制传送过程和进给过程。本发明将生物3D打印技术与转印技术相结合，引入转印带将生物材料直接作用于创面，具有结构简单可靠、制作成本低和自动化程度高等优点，控制器调节电机转速来控制在创面上运动的速度以及材料的转印，从而生物材料均匀可控的作用在创面，同时实现生物材料的图案化打印。

Description

一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及生物3D打印技术领域，更具体的说是涉及一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法。

背景技术

烧伤是一种常见的，却具毁灭性的伤害，会导致疼痛、残疾甚至死亡，目前烧伤治疗和皮肤缺陷的矫正仍然是一个挑战。

目前的治疗方法主要依赖于自体皮肤的移植以及工程皮肤替代品或替代组织，然而在面临大面积烧伤创面的时候，留下的健康皮肤数量不足，无法在严重受伤的情况下使用，此时工程皮肤替代品就体现了它独特的优势。

目前工程替代皮肤在制备方式中依赖患者来源的自体细胞或供体来源的同种异体细胞的不同细胞方法已被提议作为替代治疗方法，一种方式是通过使用长期组织培养技术在体外形成基于细胞的组织构建体，虽然这种方法提供了来自患者细胞的机械处理和可移植的组织构建体，但这些片材需要4.5-8周的细胞培养才能产生烧伤治疗所需的相关数量，同时需要将众多小型的片材均匀的分布在大面积的创面上有一定的难度；另一种方式是通过3D打印技术，在创面烧伤存在极大的优势，增量制造技术是基于离散/堆积成形的原理，把三维模型变成一系列二维层片，再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码，最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，可以精确的复制出与生物体同样形状的形体。

其中生物3D打印作为一种快速发展的新技术，可以准确实现多材料和多尺度制造，能够优化具有复杂成分和结构的仿生材料的制造，挤出成型作为生物3D打印的技术的一种，是应用最为广泛的生物打印方法，可以打印黏度较高的生物材料，该方法利用气压或者机械驱动的喷头将生物墨水可控的挤出，微纤维从喷头处被挤出，沉积到成形平台上形成二维结构，随着喷头或者成形平台z方向上的运动，二维结构层层堆积形成三维结构。

但是，目前挤出成型大多是应用大型的三轴平台中，当在户外环境中发生烧伤等创面的时候无法实现现场的生物3D打印，现在也有一些科研人员研发了便携的挤出式生物3D打印设备，但是都存在材料的堆积成型不均匀，无法实现图案化等缺点。

因此，提供一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法，能实现将水凝胶等类型的材料进行一定的图案化处理，并完成多种不同水凝胶适用于挤出工艺的材料的复合挤出打印。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种挤出式生物3D打印设备，包括:

传送系统，所述传送系统包括第一支撑架、滚轮传送机构和传送盒组件，所述滚轮传送机构安装在所述第一支撑架上；位于所述滚轮传送机构上方的所述传送盒组件安装在所述第一支撑架的两个对称支撑板上，且沿着传送方向倾斜向下布置；

进给系统，所述进给系统包括第二支撑架、生物材料储存盒一、生物材料储存盒二、第一丝杠机构和第二丝杠机构，所述第二支撑架与所述第一支撑架卡接；所述生物材料储存盒一和所述生物材料储存盒二并排放置固定在所述第二支撑架上，所述第一丝杠机构和所述第二丝杠机构相对称固定在所述第二支撑架上；所述第一丝杠机构将所述生物材料储存盒一内的生物材料挤出，并通过第一传输软管传送至所述传送盒组件内部；所述第二丝杠机构将所述生物材料储存盒二内的生物材料挤出，并通过第二传输软管传送至所述传送盒组件内部；

控制器，所述控制器分别与所述滚轮传送机构、所述第一丝杠机构和所述第二丝杠机构电性连接。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

本发明将生物3D打印技术与转印技术相结合，引入转印带将生物材料直接作用于创面，具有结构简单可靠、制作成本低和自动化程度高等优点，控制器调节电机转速来控制在创面上运动的速度以及材料的转印，从而生物材料均匀可控的作用在创面，同时实现生物材料的图案化打印。

进一步的，所述滚轮传送机构包括第一步进电机、主动滚轮、从动滚轮和转印带，所述第一步进电机安装在所述第一支撑架的侧面与所述控制器电性连接；所述主动滚轮转动安装在所述第一支撑架的空腔内，且所述主动滚轮一端与所述第一步进电机的输出轴连接；所述从动滚轮转动安装在所述第一支撑架的空腔尾端；所述主动滚轮与所述从动滚轮通过所述转印带传动连接。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，控制器对第一步进电机的转速进行控制，第一步进电机与主动滚轮相连接，主动滚轮与从动滚轮通过转印带传动连接，使得转印速度可控，同时从动滚轮将转印带上的生物材料均匀的转印在生物创面上。

进一步的，所述传送盒组件包括盒体、第一喷头和第二喷头，所述盒体内部具有沿着传送方向贯穿的材料通道一和材料通道二；所述盒体沿着传送方向倾斜向下固定在所述第一支撑架上，所述材料通道一和所述材料通道二的底部均对准所述转印带；所述第一喷头安装在所述材料通道一的顶部，所述生物材料储存盒一通过所述第一传输软管与所述第一喷头连接相通；所述第二喷头安装在所述材料通道二的顶部，所述生物材料储存盒二通过所述第二传输软管与所述第二喷头连接相通。

进一步的，所述第一丝杠机构包括第二步进电机、第一丝杠、第一皮带、第一导杆和第一导板，所述第二步进电机安装在所述第二支撑架的一侧面，所述第二步进电机与所述控制器电性连接；所述第一丝杠转动安装在所述第二支撑架内部，且位于所述生物材料储存盒一后侧；所述第二步进电机的输出轴与所述第一丝杠通过所述第一皮带传动连接；所述第一导杆固定在所述第二支撑架内部且与所述第一丝杠平行布置；所述第一导板通过丝杠螺母安装在所述第一丝杠上，且所述第一导板套设在所述第一导杆上，所述第一导板与所述生物材料储存盒一的活塞杆固定连接；

所述第二丝杠机构包括第三步进电机、第二丝杠、第二皮带、第二导杆和第二导板，所述第三步进电机安装在所述第二支撑架的另一侧面，所述第三步进电机与所述控制器电性连接；所述第二丝杠转动安装在所述第二支撑架内部与所述第一丝杠并排布置，且位于所述生物材料储存盒二后侧；所述第三步进电机的输出轴与所述第二丝杠通过所述第二皮带传动连接；所述第二导杆固定在所述第二支撑架内部且与所述第二丝杠平行布置；所述第二导板通过丝杠螺母安装在所述第二丝杠上，且所述第二导板套设在所述第二导杆上，所述第二导板与所述生物材料储存盒二的活塞杆固定连接。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，通过对生物材料进给系统的两个步进电机的控制同时配合两个通道设计，实现将生物材料以一定的规律及图案制备于创面之上。

进一步的，所述第一支撑架的尾端开设有卡槽，所述第二支撑架前端设置有卡块，所述卡块卡接于所述卡槽内。

进一步的，所述第二支撑架的底部固定有手柄。

采用上述进一步的技术方案产生的有益效果为，增加操作便捷性。

一种生物3D打印成形方法，包括如下步骤：

1)将生物材料分别装载于生物材料储存盒一和生物材料储存盒二中，并消除生物材料储存盒一和生物材料储存盒二中的气泡；

2)将生物材料储存盒一和生物材料储存盒二分别放置固定在第二支撑架内；

3)在第一支撑架上安装传动盒组件及与生物材料适配的转印带，并将生物材料储存盒一与第一喷头通过第一传输软管连接，生物材料储存盒二与第二喷头通过第二传输软管连接；

4)对生物材料进行预挤出，使得整个材料传送区间充满生物材料；

5)启动第一步进电机，并控制器对其转速进行控制，在从动滚轮的带动下使得整体在创面上均匀地运动；

6)启动第二步进电机和第三步进电机，控制器对第二步进电机以及第三步进电机速度进行调节，使得生物材料均匀挤出到转印带上，根据创面的需求获得生物材料打印层数，并通过转印带将生物材料传送到创面表面。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

使用方便，工艺可控性好，控制器通过对传送系统中的第一步进电机的控制，同时配合对进给系统的第二步进电机以及第三步进电机的控制，实现对挤出打印的质量及精度的控制。

由此可知，本发明提供了一种挤出式生物3D打印设备及其使用方法，与现有技术相较而言，本发明：

1)通过转印带对生物材料的转印，可以控制挤出打印时材料成型的图案化；

2)采用多个步进电机直接输出动力，简化结构，避免仅一个动力源时复杂的传动系统；

3)实现了设备的小型化，适用于多种场景下的生物材料的堆积成型；

4)实现了小型设备的创面生物材料的图案化打印。

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附图为本发明提供的一种挤出式生物3D打印设备的结构示意图；

图2附图为本发明提供的传送系统的结构示意图；

图3附图为本发明提供的进给系统的结构示意图；

图4附图为本发明提供的进给系统另一视角的结构示意图；

图5附图为本发明提供的传送盒组件的结构示意图。

具体实施方式

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。

如图1-5所示，本发明实施例公开了一种挤出式生物3D打印设备，包括:

传送系统1，传送系统1包括第一支撑架11、滚轮传送机构12和传送盒组件13，滚轮传送机构12安装在第一支撑架11上；位于滚轮传送机构12上方的传送盒组件13安装在第一支撑架11的两个对称分布的支撑板111上，且沿着传送方向倾斜向下布置；

进给系统2，进给系统2包括第二支撑架21、生物材料储存盒一22、生物材料储存盒二23、第一丝杠机构24和第二丝杠机构25，第二支撑架21与第一支撑架11卡接；生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23并排放置固定在第二支撑架21上，生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23结构相同，均包括储存盒体和滑动安装在其内部的活塞杆，第一丝杠机构24和第二丝杠机构25相对称固定在第二支撑架21上；第一丝杠机构24将生物材料储存盒一22内的生物材料挤出，并通过第一传输软管26传送至传送盒组件13内部；第二丝杠机构25将生物材料储存盒二23内的生物材料挤出，并通过第二传输软管27传送至传送盒组件13内部；

控制器3，控制器3分别与滚轮传送机构12、第一丝杠机构24和第二丝杠机构25电性连接。

本发明将生物3D打印技术与转印技术相结合，引入转印带将生物材料直接作用于创面，具有结构简单可靠、制作成本低和自动化程度高等优点，控制器调节电机转速来控制在创面上运动的速度以及材料的转印，从而生物材料均匀可控的作用在创面，同时实现生物材料的图案化打印。

具体的，滚轮传送机构12包括第一步进电机121、主动滚轮122、从动滚轮123和转印带124，第一步进电机121安装在第一支撑架11的侧面与控制器3电性连接；主动滚轮122转动安装在第一支撑架11的空腔内，且主动滚轮122一端与第一步进电机121的输出轴连接；从动滚轮123转动安装在第一支撑架11的空腔尾端；主动滚轮122与从动滚轮123通过转印带124传动连接。

具体的，传送盒组件13包括盒体131、第一喷头132和第二喷头133，盒体131内部具有沿着传送方向贯穿的材料通道一和材料通道二；盒体131沿着传送方向倾斜向下固定在第一支撑架11上，材料通道一和材料通道二的底部均对准转印带124；第一喷头132安装在材料通道一的顶部，生物材料储存盒一22通过第一传输软管26与第一喷头132连接相通；第二喷头133安装在材料通道二的顶部，生物材料储存盒二23通过第二传输软管27与第二喷头133连接相通。

具体的，第一丝杠机构24包括第二步进电机241、第一丝杠242、第一皮带243、第一导杆244和第一导板245，第二步进电机241安装在第二支撑架21的一侧面，第二步进电机241与控制器3电性连接；第一丝杠242转动安装在第二支撑架21内部，且位于生物材料储存盒一22后侧；第二步进电机241的输出轴与第一丝杠242通过第一皮带243传动连接；第一导杆244固定在第二支撑架21内部且与第一丝杠242平行布置；第一导板245通过丝杠螺母安装在第一丝杠242上，且第一导板245套设在第一导杆244上，第一导板245与生物材料储存盒一22的活塞杆固定连接，第一导板245的平移推动活塞杆运动，将生物材料储存盒一22内的生物材料挤出；

第二丝杠机构25包括第三步进电机251、第二丝杠252、第二皮带253、第二导杆254和第二导板255，第三步进电机251安装在第二支撑架21的另一侧面，第三步进电机251与控制器3电性连接；第二丝杠252转动安装在第二支撑架21内部与第一丝杠242并排布置，且位于生物材料储存盒二23后侧；第三步进电机251的输出轴与第二丝杠252通过第二皮带253传动连接；第二导杆254固定在第二支撑架21内部且与第二丝杠252平行布置；第二导板255通过丝杠螺母安装在第二丝杠252上，且第二导板255套设在第二导杆254上，第二导板255与生物材料储存盒二23的活塞杆固定连接，第二导板255的平移推动活塞杆运动，将生物材料储存盒二23内的生物材料挤出。

具体的，第一支撑架11的尾端开设有卡槽，第二支撑架21前端设置有卡块，卡块卡接于卡槽内。

具体的，第二支撑架21的底部固定有手柄4。

本发明实施例还公开了一种生物3D打印成形方法，包括如下步骤：

1)将生物材料分别装载于生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23中，并消除生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23中的气泡；在本实施例中，装载于生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23中的生物材料均采用海藻酸钙材料作为基础，将配置好的材料搅拌15分钟，其中生物材料储存盒一22或生物材料储存盒二23的生物材料中存放一定含量的磺胺米农；无载药的水凝胶配置方法:配置6％(质量体积比)浓度的海藻酸钠溶液之后，再该溶液中加入氯化钙使得氯化钙的浓度为0.35％(质量体积比)，载药的水凝胶配置方法：按照无载药的水凝胶的配置方法配置好之后，根据创面的具体情况按照0.5-1mg/ml的浓度将磺胺米农哑无加载在里面；

2)将生物材料储存盒一22和生物材料储存盒二23分别放置固定在第二支撑架21内；

3)在第一支撑架11上安装传动盒组件13及与生物材料适配的转印带124，并将生物材料储存盒一22与第一喷头132通过第一传输软管26连接，生物材料储存盒二23与第二喷头133通过第二传输软管27连接；在本实施例中，在第一传输软管26和第二传输软管27安装完成密封后，将整体放入离心机中离心以排除生物材料中的气泡；

4)对生物材料进行预挤出，使得整个材料传送区间充满生物材料；

5)启动第一步进电机121，并控制器3对其转速进行控制，在从动滚轮123的带动下使得整体在创面上均匀地运动；

6)启动第二步进电机241和第三步进电机251，控制器3对第二步进电机241以及第三步进电机251速度进行调节，使得生物材料均匀挤出到转印带124上，根据创面的需求获得生物材料打印层数，并通过转印带124将生物材料传送到创面表面，在此过程中，载药与不载药的生物材料按照一定的规律均匀挤出材料成型到转印带上；在本实施例中，转印带124具有一定粘附性，能够将生物材料粘附在其上，同时粘附性小于皮肤对生物材料的粘附性，该特性使得转印工艺的成功实施。

本发明使用方便，工艺可控性好，控制器3通过对传送系统1中的第一步进电机121的控制，同时配合对进给系统2的第二步进电机241以及第三步进电机251的控制，实现对挤出打印的质量及精度的控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (5)

1.一种挤出式生物3D打印设备，其特征在于，包括:

传送系统，所述传送系统包括第一支撑架、滚轮传送机构和传送盒组件，所述滚轮传送机构安装在所述第一支撑架上；位于所述滚轮传送机构上方的所述传送盒组件安装在所述第一支撑架的两个对称支撑板上，且沿着传送方向倾斜向下布置；

进给系统，所述进给系统包括第二支撑架、生物材料储存盒一、生物材料储存盒二、第一丝杠机构和第二丝杠机构，所述第二支撑架与所述第一支撑架卡接；所述生物材料储存盒一和所述生物材料储存盒二并排放置固定在所述第二支撑架上，所述第一丝杠机构和所述第二丝杠机构相对称固定在所述第二支撑架上；所述第一丝杠机构将所述生物材料储存盒一内的生物材料挤出，并通过第一传输软管传送至所述传送盒组件内部；所述第二丝杠机构将所述生物材料储存盒二内的生物材料挤出，并通过第二传输软管传送至所述传送盒组件内部；

控制器，所述控制器分别与所述滚轮传送机构、所述第一丝杠机构和所述第二丝杠机构电性连接；

所述滚轮传送机构包括第一步进电机、主动滚轮、从动滚轮和转印带，所述第一步进电机安装在所述第一支撑架的侧面与所述控制器电性连接；所述主动滚轮转动安装在所述第一支撑架的空腔内，且所述主动滚轮一端与所述第一步进电机的输出轴连接；所述从动滚轮转动安装在所述第一支撑架的空腔尾端；所述主动滚轮与所述从动滚轮通过所述转印带传动连接；

所述传送盒组件包括盒体、第一喷头和第二喷头，所述盒体内部具有沿着传送方向贯穿的材料通道一和材料通道二；所述盒体沿着传送方向倾斜向下固定在所述第一支撑架上，所述材料通道一和所述材料通道二的底部均对准所述转印带；所述第一喷头安装在所述材料通道一的顶部，所述生物材料储存盒一通过所述第一传输软管与所述第一喷头连接相通；所述第二喷头安装在所述材料通道二的顶部，所述生物材料储存盒二通过所述第二传输软管与所述第二喷头连接相通。

2.根据权利要求1所述的一种挤出式生物3D打印设备，其特征在于，所述第一丝杠机构包括第二步进电机、第一丝杠、第一皮带、第一导杆和第一导板，所述第二步进电机安装在所述第二支撑架的一侧面，所述第二步进电机与所述控制器电性连接；所述第一丝杠转动安装在所述第二支撑架内部，且位于所述生物材料储存盒一后侧；所述第二步进电机的输出轴与所述第一丝杠通过所述第一皮带传动连接；所述第一导杆固定在所述第二支撑架内部且与所述第一丝杠平行布置；所述第一导板通过丝杠螺母安装在所述第一丝杠上，且所述第一导板套设在所述第一导杆上，所述第一导板与所述生物材料储存盒一的活塞杆固定连接；

所述第二丝杠机构包括第三步进电机、第二丝杠、第二皮带、第二导杆和第二导板，所述第三步进电机安装在所述第二支撑架的另一侧面，所述第三步进电机与所述控制器电性连接；所述第二丝杠转动安装在所述第二支撑架内部与所述第一丝杠并排布置，且位于所述生物材料储存盒二后侧；所述第三步进电机的输出轴与所述第二丝杠通过所述第二皮带传动连接；所述第二导杆固定在所述第二支撑架内部且与所述第二丝杠平行布置；所述第二导板通过丝杠螺母安装在所述第二丝杠上，且所述第二导板套设在所述第二导杆上；所述第二导板与所述生物材料储存盒二的活塞杆固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种挤出式生物3D打印设备，其特征在于，所述第一支撑架的尾端开设有卡槽，所述第二支撑架前端设置有卡块，所述卡块卡接于所述卡槽内。

4.根据权利要求1所述的一种挤出式生物3D打印设备，其特征在于，所述第二支撑架的底部固定有手柄。

5.根据权利要求2所述的一种挤出式生物3D打印设备而进行的生物3D打印成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将生物材料分别装载于生物材料储存盒一和生物材料储存盒二中，并消除生物材料储存盒一和生物材料储存盒二中的气泡；

2)将生物材料储存盒一和生物材料储存盒二分别放置固定在第二支撑架内；

3)在第一支撑架上安装传动盒组件及与生物材料适配的转印带，并将生物材料储存盒一与第一喷头通过第一传输软管连接，生物材料储存盒二与第二喷头通过第二传输软管连接；

4)对生物材料进行预挤出，使得整个材料传送区间充满生物材料；

5)启动第一步进电机，并控制器对其转速进行控制，在从动滚轮的带动下使得整体在创面上均匀地运动；

6)启动第二步进电机和第三步进电机，控制器对第二步进电机以及第三步进电机速度进行调节，使得生物材料均匀挤出到转印带上，根据创面的需求获得生物材料打印层数，并通过转印带将生物材料传送到创面表面。

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