CN208532820U - 用以制备复合人工气管的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用以制备复合人工气管的3D打印机，包括外壳和外壳内部的成型室，成型室内设有打印接收台，打印接收台为柱状结构且与运动控制模块相连，能够进行绕轴转动和X方向的平移，打印接收台上方设有两个打印喷头，经控制模块驱动能够进行Y方向的平移，打印喷头与打印接收台柱面相向，沿打印接收台的轴线进行轴向运动，沿打印接收台的柱面逐层喷打打印材料，两个打印喷头为与一个高温墨仓相连的第一打印喷头以及与两个低温墨仓相连的第二打印喷头，第二打印喷头的上壳体旋转设置在下壳体的腔体内，外壳上至少安装有雾化器、半导体温控器和空气滤清器。本实用新型结构紧凑、易操作，实现了人工气管管腔结构的快速高质量成型3D打印。

Description

用以制备复合人工气管的3D打印机

技术领域

本实用新型涉及生物3D打印技术领域，尤其涉及一种用以制备复合人工气管的3D打印机。

背景技术

气管的恶性肿瘤、良性占位性病变或者气管狭窄、外伤，行长段气管切除(成人大于全长的50％，儿童大于30％)后，切缘不能直接进行吻合，需要气管替代物的植入，才可进行吻合，恢复气管的呼吸通气功能。理想气管替代材料需要具备以下几种特质：(1)封密的管腔结构；(2)质地柔韧；(3)良好的生物相容性；(4)低炎性反应；(5)低免疫性；(6)有助于生长气管上皮细胞的管内壁。随着科研人员在气管重建上的研究的深入，气管重建替代物的选择越来越多，逐渐成熟。因此同种异体气管移植和组织工程气管一直以来是气管外科的研究热点。

最近的十年，增材制造技术，也就是人们熟悉的“3D打印技术”的快速发展，为生物医学界带来新的启迪。生物3D打印是指通过3D打印的原理和方法，将生物材料(包括天然生物材料和合成生物材料或细胞溶液)打印成为设计的三维结构体的技术。与普通的3D打印技术相比，生物3D打印技术的特点在于其所生产的生物组织或器官还具有一定的生物学功能，需为细胞和组织的进一步生长提供条件，而且，由于构建生物组织的细胞，只有在微观上按照生物学规律精确排布才能实现细胞间的信号传递和组织的复杂生物学功能，因此，生物3D打印的过程除了要让细胞存活之外，还需要不断追求实现细胞更为精确的排布。可见，生物3D打印技术在发展中面临着许多不同于普通3D打印技术的特定技术问题。

生物3D打印设备采用喷头将由活体细胞制成的生物墨汁喷出，生物墨汁随着喷头的移动在打印载体上排列成预设结构，最终形成生物组织。可是，由于目前设备发展的限制以及气管结构和功能的特殊性，目前尚无成熟实用的气管生物打印方案存在。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用以制备复合人工气管的3D打印机。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够制备复合人工气管的3D打印机。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用以制备复合人工气管的3D打印机，包括外壳和外壳内部的成型室，成型室内设有打印接收台，其中，

打印接收台为柱状结构且与运动控制模块相连，打印接收台经控制模块驱动能够进行绕轴转动和X方向的平移，打印接收台上方设有两个打印喷头，打印喷头与控制模块相连，打印喷头经控制模块驱动能够进行Y方向的平移，打印喷头与打印接收台柱面相向，沿打印接收台的轴线进行轴向运动，沿打印接收台的柱面逐层喷打打印材料；

两个打印喷头设置为与一个高温墨仓相连的第一打印喷头以及与两个低温墨仓相连的第二打印喷头，高温墨仓内装有硬材料混合物，两个低温墨仓内分别装有支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料，第二打印喷头与两个低温墨仓可切换地连接，高温墨仓和两个低温墨仓各与一个气泵连接；

第二打印喷头的喷头壳体分为上壳体和下壳体，上壳体内部设有左、右两个低温墨仓，上壳体外壁上设有左输料圆孔和右输料圆孔，左输料圆孔与左低温墨仓对应相通，右输料圆孔与右低温墨仓对应相通，下壳体的截面呈凹字型结构，下壳体的中轴处与电机连接，下壳体的内部开有输料管道，输料管道上侧开有输料口，输料管道的中部设有开关阀，上壳体旋转设置在下壳体的腔体内，针头安装在下壳体的底部并与输料管道连通相接；

打印接收台安装在X滑轨上，X滑轨由电机驱动进行X方向的直线运动，打印喷头安装在Y滑轨上，Y滑轨由电机驱动进行Y方向的直线运动，Y滑轨安装在升降支架上进行Z方向的升降，打印时，由控制模块控制喷头的直线位移行程、位移速度以及打印接收台的转动方向、转动速度；

外壳上至少安装有雾化器、半导体温控器和空气滤清器，半导体温控器包括半导体制冷片、热交换器和换热器，半导体制冷片一侧与热交换器连接，另一侧与换热器连接，换热器至少部分置于成型室中，且换热器与外壳顶面的内壁紧贴。

进一步地，第一打印喷头的针头头部直径为0.1mm，第二打印喷头的针头头部直径为0.2mm。

进一步地，第一打印喷头的壳体上设有加热装置，并且工作温度设置为180-220℃。

更进一步地，打印接收台在控制模块驱动下经电机控制进行单向旋转，打印喷头在Y滑轨上角度可调，通过调整打印喷头与打印接收台轴线之间的夹角以调整打印材料喷打到打印接收台的角度。

进一步地，左输料圆孔和右输料圆孔互相呈180°设置。

进一步地，打印接收台采用经无菌处理的玻璃基底或者硅胶基底。

进一步地，换热器由导热性能优良的铝材质制成，换热器上设有翅片结构，热交换器的热交换方式为液体热交换或气体热交换。

进一步地，空气滤清器包括进风口和出风口，以及分别设在进风口和出风口上的过滤装置和抽风装置，过滤装置和抽风装置置于成型室内部。

更进一步地，过滤装置为海帕过滤器，抽风装置为静音扰流风扇。

本实用新型的用以制备复合人工气管的3D打印机具有以下优点：

(1)本实用新型提供的3D打印机，其采用旋转的打印接收台，区别于传统的垂直堆积成型的方式，采用旋转式逐层成型的方式实现管腔结构的3D成型，能够保证所打印出的管腔结构材质的均一性，实现了管腔结构的快速高质量成型3D打印；

(2)第二打印喷头采用可切换式的结构，能够进行两种墨盒的连接与切换打印，解决了传统的3D打印机只能打印一种材料的问题；

(3)外壳上设有半导体温控器和空气滤清器，实现生物3D打印机封闭空间的低温制冷与高温加热集成控制，实现封闭空间内空气的清洁度控制。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的用以制备复合人工气管的3D打印机的结构示意图。

图2是本实用新型的3D打印机的第二打印喷头的结构示意图。

图3是图2的下壳体的剖面示意图。

图中，1外壳，2成型室，3打印接收台，4X滑轨，5Y滑轨，6升降支架，7第一打印喷头，71高温墨仓，8第二打印喷头，81低温墨仓，82上壳体，83下壳体，84左输料圆孔，85右输料圆孔，86输料管道，87输料口，88开关阀，89针头，9雾化器，10半导体温控器，11空气滤清器。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型揭示的用以制备复合人工气管的3D打印机，包括外壳1和外壳1内部的成型室2，成型室2内设有打印接收台3，其中，打印接收台3为柱状结构且与运动控制模块相连，打印接收台3经控制模块驱动能够进行绕轴转动和X方向的平移，打印接收台3上方设有两个打印喷头，打印喷头与控制模块相连，打印喷头经控制模块驱动能够进行Y方向的平移，打印喷头与打印接收台3柱面相向，沿打印接收台3的轴线进行轴向运动，沿打印接收台3的柱面逐层喷打打印材料，打印接收台3安装在X滑轨4上，X滑轨4由电机驱动进行X方向的直线运动，打印喷头安装在Y滑轨5上，Y滑轨5由电机驱动进行Y方向的直线运动，Y滑轨5安装在升降支架6上进行Z方向的升降，打印时，由控制模块控制喷头的直线位移行程、位移速度以及打印接收台的转动方向、转动速度。优选地，打印接收台3采用经无菌处理的玻璃基底或者硅胶基底。

两个打印喷头设置为与一个高温墨仓71相连的第一打印喷头7以及与两个低温墨仓81相连的第二打印喷头8，高温墨仓71内装有硬材料混合物，两个低温墨仓81内分别装有支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料，第二打印喷头8与两个低温墨仓81可切换地连接，高温墨仓71和两个低温墨仓81各与一个气泵连接。第一打印喷头7的针头头部直径为0.1mm，第二打印喷头8的针头头部直径为0.2mm。第一打印喷头7的壳体上设有加热装置，并且工作温度设置为180-220℃。打印接收台3在控制模块驱动下经电机控制进行单向旋转，打印喷头在Y滑轨5上角度可调，通过调整打印喷头与打印接收台3轴线之间的夹角以调整打印材料喷打到打印接收台3的角度。

第一打印喷头7选用常见的3D打印机单喷头，尾端与高温墨仓71相连，头部设有针头与喷头内部的输料管道相连，用于硬材料混合物的输出。

如图2和图3所示，第二打印喷头8的喷头壳体分为上壳体82和下壳体83，上壳体82内部设有左、右两个低温墨仓81，上壳体82外壁上设有左输料圆孔84和右输料圆孔85，左输料圆孔84和右输料圆孔85互相呈180°设置。左输料圆孔84与左低温墨仓对应相通，右输料圆孔85与右低温墨仓对应相通，下壳体83的截面呈凹字型结构，下壳体83的中轴处与电机连接，下壳体83的内部开有输料管道86，输料管道86上侧开有输料口87，输料管道86的中部设有开关阀88，上壳体82旋转设置在下壳体83的腔体内，针头89通过螺纹安装在下壳体83的底部并与输料管道86连通相接；

使用第二打印喷头之前，以使用左侧低温墨仓为例，首先关闭开关阀88，根据需要材料用电机转动下壳体83使输料口87对准左输料圆孔84，此时右输料圆孔85被下壳体83内侧密封，然后通过软管连接左侧低温墨仓上端接口和气泵，使气体挤压左侧低温墨仓中的材料进入下壳体83输料管道86中，然后打开开关阀88；切换时，先放空喷头，关闭开关阀88，电机转动一定的角度使得输料口87对准右输料圆孔85，此时左输料圆孔84被下壳体83内侧密封，再通过气泵提供气体通过软管接入右侧低温墨仓的顶端挤压料筒中的材料进入下壳体83输料管道86中，然后打开开关阀88。

如图1，外壳1上至少安装有雾化器9、半导体温控器10和空气滤清器11，半导体温控器10包括半导体制冷片、热交换器和换热器，半导体制冷片一侧与热交换器连接，另一侧与换热器连接，换热器至少部分置于成型室2中，且换热器与外壳1顶面的内壁紧贴。

换热器由导热性能优良的铝材质制成，换热器上设有翅片结构，以增大换热器与空气的接触面积，热交换器的热交换方式为液体热交换或气体热交换。进一步地，空气滤清器11包括进风口和出风口，以及分别设在进风口和出风口上的过滤装置和抽风装置，过滤装置和抽风装置置于成型室2内部。更进一步地，过滤装置为海帕过滤器，抽风装置为静音扰流风扇。出风口上设置了静音扰流风扇用以改变热对流的方式，在扰流风扇的帮助下，换热器与成型室中的空气的热交换由自然对流变为强制对流，热交换效率提高几十倍。由于生物3D打印对环境要求的特殊性，需要严格控制打印室区域的洁净度，在入风口设置了利用高效海帕作为滤芯的海帕过滤器对成型室中的空气进行滤清处理，海帕过滤器包括两个对称固定在封口支撑板上的海帕，封口支撑板上开有通风槽，空气通过通风槽进入系统内部，并被封口支撑板上的海帕进行过滤，由于系统密闭设计，在出风口的扰流风扇的带动下，空气会不断从入风口进入，滤清后再通过出风口回到成型室，不断循环直至达到设定的温度和洁净度值。

在打印过程中，打印接收台3保持旋转，在沿X方向运动且定位后，打印喷头先沿Z方向调水平位，然后进行Y向运动，从而实现管腔状结构旋转式逐层成型的方式立体打印。在该打印机中，通过调整打印喷头与打印接收台3轴线之间的夹角，可实现将打印材料多角度(0-180°)打印到打印接收台3上。

根据本实用新型的用以制备复合人工气管的3D打印机，进行复合人工气管的3D打印，包括以下步骤：

1、打印材料的准备：

1.1、利用支气管镜，无菌刷取支气管上皮细胞，体外培养扩增；提取耳廓软骨细胞，消化、分散，体外培养扩增；

1.2、将胶原和透明质酸与去离子水混合，经滤菌器过滤除菌，得到软材料；将壳聚糖经乙醇熏蒸后，于紫外灯下照射彻底灭菌，均匀分散于灭菌培养液中；

1.3、将所述步骤1.2中所得的软材料和培养液以1:1的体积比相混合，制成重悬细胞的软材料混合物；

1.4、将聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚乙二醇溶于二氯甲烷中，超声搅拌使分散均匀后，置于通风橱内使二氯甲烷自然挥发，制得硬材料混合物；

1.5、分别将步骤1.1中扩增培养的支气管上皮细胞和软骨细胞消化、重悬、计数并离心，弃去上清后，重悬于所述步骤1.3的软材料混合物中，分别制得支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料；

2、复合人工气管的3D打印制备

2.1、将步骤1中得到的支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料分别置于两只低温墨仓内，将步骤1中得到的硬材料混合物置于高温墨仓内；

2.2、使用建模软件构建三维立体圆筒状结构：构建4个同心圆结构，四圆由内向外依次指定材料为：硬材料混合物、支气管上皮细胞生物复合材料、软骨细胞生物复合材料和硬材料混合物；将全部模型结构复制并累加，得到完整人工气管模型；

2.3、在打印喷头上安装针头，设置3D打印机的运行参数：硬材料混合物加热温度为180-220℃，内部结构间隙为0.01-0.25毫米，高温墨仓内驱动气压为0.2-0.4Bar，针头运行速度为5-10毫米/秒；低温墨仓的支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料保持室温，内部结构间隙为0.01-0.1毫米，低温墨仓内驱动气压为0.1-0.3Bar，针头运行速度为10毫米/秒；

2.4、将结构模型导入打印机驱动程序，校准定位打印接收台和针头的位置和角度，启动打印流程，按照设置的运行参数打印，打印完一层材料后，切换喷头或材料，调整后进行第二层打印，依次打印四层材料；

2.5、全部生物性复合人工气管打印完成后，用雾化器将10％三聚磷酸钠水溶液均匀喷于生物性复合人工气管上，使之充分交联；

2.6、封闭制作完成的生物性复合人工气管两端，将其浸没于培养液中，检查气密性并保存。

本实用新型的用以制备复合人工气管的3D打印机，其采用旋转的打印接收台，能够保证所打印出的管腔结构材质的均一性，实现了管腔结构的快速高质量成型3D打印，第二打印喷头采用可切换式的结构，能够进行两种墨盒的连接与切换打印，解决了传统的3D打印机只能打印一种材料的问题，节省了设备空间和降低了操作难度，在外壳上设有半导体温控器和空气滤清器，实现生物3D打印机封闭空间的低温制冷与高温加热集成控制，实现封闭空间内空气的清洁度控制。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，包括外壳和外壳内部的成型室，成型室内设有打印接收台，其中，

打印接收台为柱状结构且与运动控制模块相连，打印接收台经控制模块驱动能够进行绕轴转动和X方向的平移，打印接收台上方设有两个打印喷头，打印喷头与控制模块相连，打印喷头经控制模块驱动能够进行Y方向的平移，打印喷头与打印接收台柱面相向，沿打印接收台的轴线进行轴向运动，沿打印接收台的柱面逐层喷打打印材料；

两个打印喷头设置为与一个高温墨仓相连的第一打印喷头以及与两个低温墨仓相连的第二打印喷头，高温墨仓内装有硬材料混合物，两个低温墨仓内分别装有支气管上皮细胞生物复合材料和软骨细胞生物复合材料，第二打印喷头与两个低温墨仓可切换地连接，高温墨仓和两个低温墨仓各与一个气泵连接；

第二打印喷头的喷头壳体分为上壳体和下壳体，上壳体内部设有左、右两个低温墨仓，上壳体外壁上设有左输料圆孔和右输料圆孔，左输料圆孔与左低温墨仓对应相通，右输料圆孔与右低温墨仓对应相通，下壳体的截面呈凹字型结构，下壳体的中轴处与电机连接，下壳体的内部开有输料管道，输料管道上侧开有输料口，输料管道的中部设有开关阀，上壳体旋转设置在下壳体的腔体内，针头安装在下壳体的底部并与输料管道连通相接；

打印接收台安装在X滑轨上，X滑轨由电机驱动进行X方向的直线运动，打印喷头安装在Y滑轨上，Y滑轨由电机驱动进行Y方向的直线运动，Y滑轨安装在升降支架上进行Z方向的升降，打印时，由控制模块控制喷头的直线位移行程、位移速度以及打印接收台的转动方向、转动速度；

外壳上至少安装有雾化器、半导体温控器和空气滤清器，半导体温控器包括半导体制冷片、热交换器和换热器，半导体制冷片一侧与热交换器连接，另一侧与换热器连接，换热器至少部分置于成型室中，且换热器与外壳顶面的内壁紧贴。

2.如权利要求1所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，第一打印喷头的针头头部直径为0.1mm，第二打印喷头的针头头部直径为0.2mm。

3.如权利要求2所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，第一打印喷头的壳体上设有加热装置，并且工作温度设置为180-220℃。

4.如权利要求1-3中任一项所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，打印接收台在控制模块驱动下经电机控制进行单向旋转，打印喷头在Y滑轨上角度可调，通过调整打印喷头与打印接收台轴线之间的夹角以调整打印材料喷打到打印接收台的角度。

5.如权利要求4所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，左输料圆孔和右输料圆孔互相呈180°设置。

6.如权利要求5所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，打印接收台采用经无菌处理的玻璃基底或者硅胶基底。

7.如权利要求6所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，换热器由导热性能优良的铝材质制成，换热器上设有翅片结构，热交换器的热交换方式为液体热交换或气体热交换。

8.如权利要求7所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，空气滤清器包括进风口和出风口，以及分别设在进风口和出风口上的过滤装置和抽风装置，过滤装置和抽风装置置于成型室内部。

9.如权利要求8所述的用以制备复合人工气管的3D打印机，其特征在于，过滤装置为海帕过滤器，抽风装置为静音扰流风扇。