一種具有自動包裹功能的噴頭裝置及包裹系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及組織工程領(lǐng)域中的噴頭制造技術(shù)，涉及到一種能實現(xiàn)活性生物材料包裹的噴頭裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在20世紀，全世界近百萬的器官疾病患者通過器官移植獲得了新生，但器官的獲取是以器官的失去為前提的。據(jù)統(tǒng)計，中國每年患尿毒癥進行透析治療的患者有120萬人，患肝病需要肝臟移植的患者有100萬人，但能夠有機會接受腎臟和肝臟移植的患者卻寥寥無幾。由于器官的供應量遠遠小于器官的需求量，器官移植面臨的最大問題是如何獲取足夠數(shù)量可移植的器官。通過3D生物打印構(gòu)建人體器官，是解決器官移植領(lǐng)域中器官供應的一種新的技術(shù)途徑。
[0003]3D活體生物打印是利用3D生物打印機將活性生物材料(例如細胞以及細胞的集合)按一定規(guī)律打印在生物支架或者平臺上，形成器官的空間立體結(jié)構(gòu)；然后，通過生物培養(yǎng)方法將打印成型的活性生物材料培養(yǎng)成特定的器官。如何使活性生物材料在打印過程中得到保護并保持生物活性，并構(gòu)成特定結(jié)構(gòu)器官形狀，打印噴頭是關(guān)鍵裝置之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公布了一種能夠?qū)崿F(xiàn)活性生物材料自動包裹的噴頭裝置、包裹系統(tǒng)及包裹方法。利用本發(fā)明可在器官的打印過程中，使用其它生物或生物兼容性材料對活性生物材料進行自動包裹，保持生物材料的生物活性和器官結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是:一種活性生物材料自動包裹的噴頭裝置，以及利用該噴頭裝置對活性生物材料進行包裹的自動包裹系統(tǒng)和自動包裹方法。
[0006]一種活性生物材料自動包裹的噴頭裝置，包括內(nèi)筒，外筒，固定板，密封圈，其特征在于:外筒頂端有一個階梯狀內(nèi)腔體，底部有一個包裹腔，外側(cè)面有一個與內(nèi)腔體貫通的外筒通孔；內(nèi)筒上部有一個臺階，一個中心內(nèi)腔，底部有一個中心噴孔；安裝后內(nèi)筒和外筒頂部在一個平面上；固定板在厚度方向上有通孔、螺釘孔A(5)和螺釘孔B(6);先在外筒階梯狀內(nèi)腔體上放置密封圈，再放入內(nèi)筒，內(nèi)筒上部的臺階和外筒內(nèi)部的階梯孔及密封圈形成密封；將固定板扣在內(nèi)筒和外筒的上端面，通過螺釘A(5)和螺釘孔B(6)使固定板、內(nèi)筒和外筒連為一體；內(nèi)筒中心內(nèi)腔的上部可加工出內(nèi)螺紋以和管接頭相連；內(nèi)筒與外筒之間為間隙配合，且內(nèi)筒與外筒之間形成一定厚度的環(huán)形通道，且與外筒側(cè)面的外筒通孔連通；在噴頭裝置的底部為包裹腔；內(nèi)筒與外筒之間為配合關(guān)系，保證中心噴孔與包裹腔之間的同軸度，密封圈防止環(huán)形通道中的流體外泄。
[0007]噴頭裝置的內(nèi)筒與外筒之間為配合關(guān)系，確保內(nèi)筒與外筒同心；內(nèi)筒與外筒之間形成的環(huán)形通道可為圓形；能夠通過軸向位移的微調(diào)，調(diào)整環(huán)形通道的厚度。
[0008]噴頭裝置的外形呈長方體、圓柱體或橢球體的一種或多種組合；噴頭裝置內(nèi)筒的內(nèi)腔、環(huán)形通道和包裹腔的形狀為圓柱形或錐形。
[0009]噴頭裝置由若干個獨立的部件通過裝配組成或者一體成型。
[0010]噴頭裝置的環(huán)形通道的數(shù)量為I個或多個；所有環(huán)形通道均環(huán)繞中心噴孔布置，環(huán)形通道之間的間距相等或不相等，每個環(huán)形通道的形狀相同或不相同。
[0011]外筒外側(cè)與環(huán)形通道的貫通孔數(shù)量為I個或多個；貫通孔沿圓周呈對稱分布，或非對稱分布。
[0012]噴頭裝置的任意部分或全部用金屬材料、非金屬材料、復合材料的一種或多種制造，采用常規(guī)的成形方法成型，或者采用3D打印、或者粉末燒結(jié)成型。
[0013]一種使用噴頭裝置的自動包裹系統(tǒng)，包括氣源、一級減壓閥、過濾器、二級減壓閥、壓力傳感器、三通接頭、伺服閥A、伺服閥B，壓力傳感器A、壓力傳感器B、墨盒A、墨盒B、開關(guān)閥A、開關(guān)閥B、噴頭裝置；氣源、一級減壓閥、過濾器、二級減壓閥以及壓力傳感器依次連接，通過三通接頭分別與伺服閥A、伺服閥B連接；伺服閥A與開關(guān)閥A連接，再與裝有活性生物材料的墨盒A連接，最后與噴頭裝置上的中心內(nèi)腔連接；伺服閥B與開關(guān)閥B連接，再與裝有包裹材料的墨盒B連接，最后與噴頭裝置上的外筒通孔連接；由控制器分別對墨盒A、墨盒B中的壓力進行調(diào)節(jié)與控制，分別對開關(guān)閥A、開關(guān)閥B的開啟與關(guān)閉進行控制，實現(xiàn)包裹材料對活性生物材料的自動包裹。
[0014]通過伺服閥調(diào)節(jié)墨盒中的壓力以及控制開關(guān)閥的開啟與關(guān)閉時間，可實現(xiàn)活性生物材料的連續(xù)自動包裹和間歇自動包裹，在打印平臺上分別形成連續(xù)的包裹條帶和按一定間距分布的包裹顆粒帶。
[0015]在包裹過程中，活性生物材料和包裹材料的擠出壓力相同或者不同，二者的壓力隨時間恒定或者按函數(shù)變化。
[0016]當噴頭裝置的環(huán)形通道的數(shù)量為2個或者2個以上時，可實現(xiàn)對活性生物材料2層或2層以上自動包裹；每層包裹材料的擠出壓力相同或者不同。
[0017]氣體回路中的介質(zhì)為氮氣、氬氣、水等，它與活性生物材料以及包裹材料無化學反應。
[0018]在自動包裹過程中，對開關(guān)閥門的開啟和關(guān)閉采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PffM)進行控制。
[0019]活性生物材料不受其他裝置的影響，直接通過噴頭裝置完成包裹和擠出。
[0020]被包裹的材料為活性生物材料或非活性生物材料；包裹材料是水凝膠或高分子材料。
[0021]利用該噴頭裝置對活性生物材料進行自動包裹的方法是:
[0022]噴頭裝置固定板上的通孔與裝有活性生物材料的墨盒連接，外筒上的側(cè)面通孔與裝有包裹材料的墨盒連接；兩個墨盒分別與氣體回路相連；氣體回路由氣源、一級減壓閥、過濾器、二級減壓閥、伺服閥、開關(guān)閥、壓力傳感器、控制器組成；通過控制器控制伺服閥獲得一定的穩(wěn)定連續(xù)壓力，控制開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)包裹材料對活性生物材料的自動包裹。
[0023]在活性生物材料自動包裹過程中，有連續(xù)包裹和間歇包裹兩種工作模式。
[0024]在連續(xù)包裹模式下，活性生物材料自動包裹的步驟是:首先，讓開關(guān)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，切斷噴頭裝置中的壓力供給。第二步，開啟一級減壓閥和二級減壓閥，使二級減壓閥與伺服閥之間的氣體壓力達到設(shè)定值。第三步，控制伺服閥的開口度，調(diào)節(jié)裝有活性生物材料的墨盒中的壓力至設(shè)定壓力。第四步，開啟開關(guān)閥門，控制另一伺服閥的開口度，調(diào)節(jié)裝有包裹材料的墨盒中的壓力至設(shè)定壓力。第五步，在壓力作用下，墨盒中的活性生物材料被推進至噴頭裝置的內(nèi)筒腔體，從中心噴孔擠出，在包裹腔中心形成連續(xù)的活性生物材料流；墨盒中的包裹材料從環(huán)形通道擠出，形成外側(cè)環(huán)狀的連續(xù)的包裹材料流；在噴頭裝置的包裹腔，活性生物材料流與包裹材料流匯合，并在活性生物材料的表面形成一定厚度的包裹材料層，完成包裹材料對活性生物材料的自動包裹。第六步，在恒定壓力的推動下，被包裹的活性生物材料流從包裹腔中連續(xù)排出；關(guān)閉開關(guān)閥門包裹動作停止。
[0025]在間歇包裹模式下，活性生物材料自動包裹的步驟是:第一步至第五步與連續(xù)包裹模式相同。第六步，快速關(guān)閉閥門，停止包裹動作；在表面張力的作用下，包裹材料材料包裹住活性生物材料上下兩端，形成被包裹的活性生物材料微顆粒，并從包裹腔排出?？刂崎_關(guān)閥門的開啟時間和閉合時間間隔，獲得一系列彼此獨立的被包裹的活性生物材料微顆粒序列。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1、可實現(xiàn)包裹材料對活性生物材料的單層或多層材料的自動包裹，包裹層厚度可調(diào)。
[0028]2、在計算機控制下，可在連續(xù)包裹和間歇包裹兩種工作模式之間自由