CN204092271U - 一种生物3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可在体内应用的，能实时进行器官组织病损信息搜集和分析，并进行原位打印的生物打印装置。所述生物3D打印装置包括内部设有打印管道和探测管道的第一管道主体，所述打印管道和探测管道并排设置；所述打印管道包括3D打印头和第二管道主体；所述第二管道主体内设有打印介质腔及在打印介质腔内活动的活塞；所述探测管道前端为探测头，后端为图像数据输出口，所述探测头和图像数据输出口通过数据通道连接；所述打印管道和探测管道从第一管道主体前端的出口伸出。本实用新型将信息搜集和生物3D打印部件通过微创的方式送入人体，并通过第一管道主体与外部控制系统连接从而实现体内原位修复。

Description

一种生物3D打印装置

技术领域

本实用新型属于医疗装置领域，具体涉及一种可在体内应用的，能实时进行器官组织病损信息搜集和分析，并进行原位打印的生物3D打印装置。

背景技术

相当一部分患者由于疾病导致体内器官组织出现缺损，从而需要进行器官组织移植或修复手术，如肝脏病损、胃肠道瘘等。许多手术都会带来较大创伤，或者修复效果并不理想。

3D打印（3D Printing）也称为“增材制造（Additive Manufacturing）”是一门以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的新兴的快速成型技术。生物3D打印是将工业3D打印技术与生物医学技术相结合，以人体细胞和生物材料为打印原料，进行组织和器官的仿生重建。3D打印技术相比于其它组织工程支架快速成型技术具有不可比拟的优点，具体体现在五个方面：第一，构建复杂组织或器官的精度高，能真正实现细胞层面的组装和构建；第二，可实现细胞与材料有机组合，3D打印能根据组织或器官中的不同细胞、基质等实际情况，进行仿真排列和组合，且一次成型；第三，可以根据缺损组织或器官的实际情况进行即时、快速、可控的计算机三维模型再现。第四，个性化制造复杂组织器官，成本可控；第五，可实现便携、高效、能耗低、生物材料用量少的快速制造。

随着工业3D打印技术的发展，将生物医学技术与3D生物打印结合起来，用以进行组织和器官的仿生重建，必将成为将来的发展方向，现有技术对生物3D打印的研究集中在体外，而对体内进行原位修复的报道较少，本实用新型基于这样的事实提供一种便于在人体内进行生物3D打印装置。

发明内容

针对现有技术的缺点，本实用新型提供了一种体内使用的结合信息搜集和材料/细胞打印功能的生物3D打印装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型设计了一种体内使用的结合信息搜集和材料/细胞打印功能的生物3D打印装置，所述3D打印装置包括内部设有打印管道和探测管道的第一管道主体，所述打印管道和探测管道并排设置；所述打印管道包括3D打印头和第二管道主体；所述第二管道主体内设有打印介质腔及在打印介质腔内活动的活塞；所述探测管道前端为探测头，后端为图像数据输出口，所述探测头和图像数据输出口通过数据通道连接；所述打印管道和探测管道从第一管道主体前端的出口伸出。

本实用新型将打印介质储存在打印介质腔中，通过活塞的运动使打印介质从3D打印头中喷出，从而实现打印。本实用新型采用此种设置，主要包括以下几方面原因：首先，打印介质粘度较大，在打印管道中输送非常困难，精确控制更加困难，本实用新型通过活塞的运动控制打印介质的输送，更易控制打印过程；其次，采用活塞的方式，打印介质的输入将改变为由3D打印头一侧输入，可以根据不同的需要，由3D打印头一侧依次吸取不同种类的打印介质，使形成类似“过滤柱”分层结构的打印介质，实现不同成分的打印介质的快速打印，实现精确治疗；再次，为了应用的需要，可能往打印介质中添加药物或生物活性物质。由于一些药物或生物活性物质本身不太稳定，已有的长管输送可能会导致物质变性或者失活的情况。而本发明的方式避免了长距离输送的费时、费料的情况，可以快速完成输送机打过程，确保药物或生物活性物质的活性，也节约原料。

优选地，所述3D打印头与第二管道主体的连接方式为可拆卸连接。采用此种设置一方面有利于3D打印头的清洗，另一方面，可根据修复组织的需要，当使用不同的打印介质时，更换3D打印头，防止打印介质的交叉混合从而影响打印质量。

另一方面，3D打印头的可拆卸连接也方便打印介质的灌装。

优选地，所述第二管道主体内壁上设有导轨，所述活塞沿该导轨活动。导轨的设置可以对活塞的活动起到定位的作用。导轨的数量可以是一条或多条，相应的，活塞上设有与导轨配合的延伸部，当活塞放置在第二管道主体内，所述延伸部容纳于导轨中，实现定位。作为一种实施方式，所述延伸部可以是能在导轨内滑动的滚轮或导轨滑块等其它相适配的部件。

优选地，所述生物3D打印装置还包括用于控制活塞活动的动力传送装置。进一步优选地，所述动力传送装置为液压传送装置或气压传送装置。通过动力传送装置推动活塞挤压位于打印介质腔中的打印介质，从而实现打印介质的成功挤出。

优选地，靠近所述第一管道主体前端的侧壁上设置有开口，使打印管道能通过该开口。在侧壁上设置有开口使得当3D打印装置到达体内组织修复处时，打印管道可以从第一管道主体的侧壁伸出，这可以避免在进行体内原位打印时，打印管道对探测管道造成遮挡；相比从前端伸出，从侧壁伸出的可操作打印的角度和范围更大，能容易达到从前端很难达到的位置。

作为一种优选方案，所述3D打印装置还包括引导丝，所述引导丝穿设于第一管道主体内。所述引导丝用于引导3D打印装置进入患者待修复组织部位，待3D打印装置到位后，可去除引导丝再进行原位打印修复。进一步优选地，所述引导丝前端设有钝部，其后端设有持握部，所述引导丝的长度大于或等于第一管道主体的长度。

作为另一种优选方案，所述第一管道主体内还设置有隔层，所述隔层将打印管道与探测管道隔离。采用这种设置使得设置于第一管道主体内的打印管道与探测管道是彼此独立且互相不受影响的，打印管道可根据探测管道所探测到的人体待修复组织的情况而进行较大范围的自行定位。

优选地，所述第一管道主体的外径为4～10mm，长度为145～175mm；所述探测管道外径为2～5mm，所述打印管道外径为1～5mm，内径为0.1～2mm；进一步优选地所述第一管道主体的外径为6mm，其主体由弹性材料构成，更为柔软，导入人体时能减轻患者的痛苦；所述探测管道外径为2～5mm，进一步优选为3 mm；所述打印管道外径为1～5mm，出口内径为0.1～2mm，进一步优选地所述打印管道外径为3mm，所述内径为1mm。

所述3D打印装置的外部还设置有信息收集系统、打印系统和控制系统；所述信息收集系统设置有显示器，所述探测管道前端的探测头与所述显示器相连接；所述控制系统用于控制打印系统实现打印修复。

优选地，所述生物3D打印装置通常还配有照明装置。优选地，所述照明装置设于第一管道主体的前端。

优选地，所述照明装置为LED灯，设置照明装置能够为探测管道的探测头提供照明，使探测头能够更清楚准确地获得数据及图像，实用性强，并且采用LED灯节能方便。为了能清楚地显示探测头观察及拍摄的图像，可设置专用显示器，所述探测头通过USB连接线与显示器连接；专用显示器为3.5寸的液晶显示屏，其内置可充电的锂电池和存储卡，能够清晰显示探测头所探测到的组织的影响，也可以将探测头连接至笔记本电脑或平板电脑等智能设备；为了能准确地搜集并计算探测头所探测的病患部位组织缺损数据，可设置信息收集处理系统和控制系统，所述信息收集处理系统内安装有数据处理软件与计算机端，利用所述数据处理软件与计算机端对所获得数据进行处理，然后与正常组织数据库进行比对并建模；最后通过控制系统控制打印系统使得打印管道对病患部位组织进行打印修复。

优选地，所述探测头优选为光纤探测头或CCD图像传感器，其数据通道优选为光纤或数据连接线。

为了避免交叉感染，所述3D打印装置还包括一次性保护套，使用时，所述一次性保护套套设于探测管道外侧。优选地，该一次性保护套为聚亚安酯（Polyurethane）护套，采用这种新型的有机高分子材料，不容易滋生细菌，且质地柔软、富有弹性，具有良好的柔韧性，也在一定程度上减轻插管时对患者造成的痛苦。

针对不同临床目的，打印介质中还可以混有水溶性凝胶、药物成分、细胞因子或者患者自体细胞。

优选地，所述水溶性凝胶中的高分子材料包括壳聚糖和/或透明质酸等。所述药物成分包括消炎、杀菌和/或阵痛药物等。所述细胞因子包括血管内皮生长因子（VEGF）和/或碱性成纤维细胞生长因子(bFGF) 等。所述自体细胞包括内皮细胞、平滑肌细胞和/或成纤维细胞等。

本实用新型的打印管道，可以使打印介质在体内实现原位固化成型，包括使用化学交联或物理交联的方法。前者包括使用交联剂或光引发交联的藻酸盐、富马酸及其衍生物与乙二醇的共聚物、聚乙二醇丙烯酸酯衍生物等，后者包括温敏性或分子自组装形成交联的天然或合成聚合物，如甲基纤维素、聚异丙基丙烯酰胺共聚物、改性环糊精等。

本实用新型的3D打印装置体积小，可进入人体食道、肠道、阴道等体内外贯穿腔道，也可通过微创手术进入体内如腹部、盆腔等部位。该装置包括探测管道和打印管道，前者能通过摄相、红外感应、超声探测等方法检测体内组织受损处，后者能根据实际情况在原位进行打印修复。该打印装置能打印天然/合成材料、细胞或两者的复合体。本实用新型能够实现体内原位治疗，达到微创、精确、减少外物进入人体、个性化的治疗效果。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种3D打印装置，其以第一管道主体为主体，内部添加打印管道，以供体内原位打印；本实用新型将信息搜集和生物3D打印管道通过微创的方式送入人体，并通过第一管道主体与外部控制系统连接，实现体内原位修复；本装置将探测管道与打印管道并排设置在第一管道主体内，利用探测管道上设置的探测头对患者病患部位进行定位与数据采集，该探测管道定位准确，插入时间短，减轻了插管对病人造成的痛苦；同时，本实用新型的3D打印装置为患者体内组织修复提供了一种新的治疗方式。

 附图说明

图1为本实用新型3D打印装置的结构示意图；

图2为图1中A-A截面视图；

图3为用于临床治疗的3D打印装置整体结构示意图；

图4为实施例1中3D打印装置第一管道主体前端的放大示意图；  

图5为实施例1中3D打印装置到达组织修复处时，进行原位打印修复的放大示意图；

图6为实施例1中3D打印装置打印管道的侧面放大示意图；

图7左图为图1中沿打印管道A-A截面的活塞结构示意图，右图为图1中沿A-A截面的打印管道结构示意图；

图8为实施例2中3D打印装置第一管道主体前端的放大示意图；

图9为实施例2中3D打印装置到达组织修复处时，进行原位打印修复的放大示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

实施例1 治疗十二指肠溃疡

如图1至图7所示为本实用新型生物3D打印装置的实施例，所述3D打印装置包括内部设有打印管道20和探测管道30的第一管道主体10，所述打印管道20和探测管道30并排设置；所述打印管道20的主要部件包括3D打印头201和第二管道主体，所述第二管道主体内设有打印介质腔202及在打印介质腔内活动的活塞203；所述探测管道30前端为探测头301，后端为图像数据输出口302，所述探测头301和图像数据输出口302通过数据通道连接，所述第一管道主体10前端设有照明装置40；所述打印管道20和探测管道30从第一管道主体10前端的出口伸出。

图6为本实施例中的3D打印装置的打印管道20的放大示意图，如图6所示，打印介质腔202中存储打印介质，打印介质腔202一端与3D打印头201相接，另一端与活塞203相接；所述活塞203与动力传送装置（图5中未示出）相连接，该动力传送装置可以是液压传送装置或者气压传送装置。如图6所示，所述打印管道20内侧设置有导轨200，所述活塞203上设置有与导轨200相适配的延伸部204，在本实施例中，所述延伸部204设置为滚轮，在动力传送装置的推动下，活塞203上的滚轮在打印管道20内壁设置的导轨内相对滑动，从而推动存储在打印介质腔202中的打印介质从3D打印头201中挤出。在本实施例中，所述3D打印头与第二管道主体的连接方式为可拆卸连接。

本实施例采用上述设置，将打印介质储存在打印管道20的打印介质腔202中，通过液压或气压传送装置使气体或液体推送活塞203运动，使打印介质从3D打印头中喷出实现打印；

另外，本实施例中3D打印头201可拆卸地连接于打印管道20上，此时3D打印头201为可更换的，这样在对组织进行修复时可根据打印介质的不同更换3D打印头201，从而防止打印介质的交叉混合从而影响打印质量。

根据待修复组织的实际情况，打印管道20也可以从第一管道主体10的前端伸出。在该实施例中，所述照明装置采用LED灯作为光源，LED灯能够为探测管道的探测头提供照明，使探测头能够更清楚准确地获得数据及图像，实用性强，并且采用LED灯节能方便。

如图3所示，当本实施例的生物3D打印装置用于临床治疗时，为了能准确地搜集并计算探测头所探测的病患部位组织缺损数据，可在该生物3D打印装置外部设置信息收集系统，打印系统和控制系统；信息收集系统可设置专用显示器，所述探测头通过USB连接线与显示器连接；也可以将探测头连接至笔记本电脑或平板电脑等智能设备；所述信息收集处理系统内还安装有数据处理软件与计算机端，利用所述数据处理软件与计算机端对所获得数据进行处理，然后与正常组织的数据库进行比对并建模；最后通过控制系统控制打印系统使得打印管道对病患部位组织进行打印修复。

本实施例中的第一管道主体10外径为6mm，所述第一管道主体10主体由硅胶材料构成，更为柔软，导入人体时能减轻患者的痛苦；探测管道30外径为3mm；打印管道20外径为3mm，内径为1mm。3D打印装置的探测管道30外侧还设置有一次性聚亚安酯护套，采用这种新型的有机高分子材料，不容易滋生细菌，有效避免交叉感染，且质地柔软、富有弹性，具有良好的柔韧性，可减轻插管时对患者造成的痛苦。

如图4所示，在进行临床治疗时，病人局部或全身麻醉，将生物3D打印装置从口腔进入人体内，通过实时观测准确到达病患部位。利用生物3D打印装置上的探测管道30搜集缺损信息，反馈到电脑进行数据处理。在比对正常组织数据库后进行缺损部分3D建模。在该实施例中，3D打印装置还包括不锈钢或高分子材料的引导丝，所述引导丝前端设有钝部，其后端设有持握部，所述引导丝的长度大于或等于管道的管道长度。在将3D打印装置导入人体的阶段，所述引导丝穿设于打印管道内，以引导打印管道进入患者待修复组织部位，待打印装置到位后，可去除引导丝再进行原位打印修复。在该实施例中，所述探测头为光纤探测头，其数据通道为光纤或数据连接线。探测头将观察到的信息及时反馈，实现实时判断。

如图5所示，在确定病患信息后根据缺损组织实际情况选择合适的打印介质，即包括细胞（如表皮细胞、平滑肌细胞）、生长因子、药物等组成的凝胶。然后将打印管道伸入到组织修复处，通过实时调整打印管道20的位置将其置于缺损部位，将凝胶打印在缺损部位。治疗结束后，取出打印装置。术后病人可当天出院。

实施例2 治疗十二指肠穿孔

    图8、图9为本实施例的生物3D打印装置的另一种实施方式。与实施例1不同的是，本实施例中打印管道20内并没有设置引导丝，而是在第一管道主体10内设置有隔层50，所述隔层50将打印管道20与探测管道30隔离开。本实施例中的打印管道20与探测管道30是彼此独立且互相不受影响的，打印管道20可根据探测管道30所探测到的人体待修复组织的情况而进行较大范围的自行定位，也就是说，由于隔层50的设置使得打印管道20具有较大的自由度。本实施例中的其它结构同实施例1。

本实用新型提供的3D打印装置以第一管道主体为基础，在内部添加打印装置，以供体内原位打印；本实用新型将信息搜集和生物3D打印管道通过微创的方式送入人体，并通过第一管道主体与外部控制系统连接，实现体内原位修复；本装置将探测管道与打印管道并排设置在第一管道主体内，利用探测管道上设置的探测头对患者的病患部位进行定位与数据采集，该探测管道定位准确，插入时间短，减轻了插管对病人造成的痛苦；同时，本实用新型的3D打印装置为患者体内组织修复提供了一种新的治疗方式。

Claims (10)

1.一种生物3D打印装置,其特征在于，所述3D打印装置包括内部设有打印管道和探测管道的第一管道主体，所述打印管道和探测管道并排设置；所述打印管道包括3D打印头和第二管道主体；所述第二管道主体内设有打印介质腔及在打印介质腔内活动的活塞；所述探测管道前端为探测头，后端为图像数据输出口，所述探测头和图像数据输出口通过数据通道连接；所述打印管道和探测管道从第一管道主体前端的出口伸出。

2.根据权利要求1所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述3D打印头与第二管道主体的连接方式为可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述第二管道主体内壁上设有导轨，所述活塞沿所述导轨活动。

4.根据权利要求1所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述生物3D打印装置还包括用于控制活塞活动的动力传送装置。

5.根据权利要求4所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述动力传送装置为液压传送装置或气压传送装置。

6.根据权利要求1所述的生物3D打印装置，其特征在于，靠近所述第一管道主体前端的侧壁上设置有开口，使打印管道能通过所述开口。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置还包括引导丝，所述引导丝穿设于第一管道主体内。

8.根据权利要求7所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述引导丝前端设有钝部，其后端设有持握部，所述引导丝的长度大于或等于第一管道主体的长度。

9.根据权利要求1至6任一权利要求所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述第一管道主体内还设置有隔层，所述隔层将打印管道与探测管道隔离。

10.根据权利要求1至6任一权利要求所述的生物3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置的外部还设置有信息收集系统、打印系统和控制系统；所述信息收集系统设置有显示器，所述探测管道前端的探测头与所述显示器相连接；所述控制系统用于控制打印系统实现打印修复。