本發(fā)明專利涉及一種生物組織制造適用的生物材料(用于制備皮膚支架的膠原/納米纖維素復(fù)合材料，膠狀物，制備過(guò)程中需要避免接觸高溫)冷凝擠壓成型的氣動(dòng)控制的快換式多工位3D打印噴頭結(jié)構(gòu)，用于細(xì)胞和生物材料的打印，屬于組織工程技術(shù)和生物3D打印領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人體組織器官的移植，對(duì)于受損大塊軟組織及內(nèi)臟器官的患者是一種極為有效的治療手段。但由于存在器官供體來(lái)源短缺，免疫排斥等諸多問(wèn)題，器官移植在實(shí)際的運(yùn)用中存在難以克服的困難。組織工程的提出為解決上述問(wèn)題提供了新的途徑。組織工程是將活細(xì)胞通過(guò)某種方法附合在生物材料基質(zhì)或者人工制備的生物支架上，構(gòu)建功能組織替代物。通過(guò)將構(gòu)建的組織體替代物進(jìn)行培養(yǎng)后植入患者體內(nèi)，替代原有的病變組織器官的方法來(lái)恢復(fù)原有的身體機(jī)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的治療。目前組織工程皮膚的研究和運(yùn)用就是組織工程良好發(fā)展前景的有效例證。

傳統(tǒng)的組織工程研究一直受到細(xì)胞植入技術(shù)的限制，即在“將細(xì)胞植入到支架上”這一技術(shù)環(huán)節(jié)中，無(wú)法將不同種類的生物質(zhì)材料和細(xì)胞準(zhǔn)確地定位到支架內(nèi)部的不同位置上。實(shí)際上，隨著組織工程研究的發(fā)展，研究工作逐漸向大塊軟組織及內(nèi)臟器官方面延生，這些組織和器官往往需要由多種細(xì)胞和生物材料組成，不同的細(xì)胞或者材料又具有各自的空間排布，因此上述技術(shù)局限性引發(fā)的問(wèn)題更加凸顯。

近年來(lái)，3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，為工業(yè)制造開辟了新的制造生產(chǎn)模式。3D打印技術(shù)的推廣，也在生物領(lǐng)域內(nèi)得到了很多新的應(yīng)用，生物材料打印，細(xì)胞三維受控組織等技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。這些技術(shù)可以針對(duì)單個(gè)細(xì)胞或單成分微小尺寸液滴進(jìn)行操作，精確地控制操作對(duì)象的空間位置，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)大塊組織和器官構(gòu)建過(guò)程中不同種細(xì)胞和生物材料的空間位置沉積有著巨大的意義。因此，生物打印技術(shù)是未來(lái)組織工程研究的必然趨勢(shì)，如能克服不同材料的在不同溫度環(huán)境下符合打印的問(wèn)題，就可以實(shí)現(xiàn)大塊組織和器官的快速成型。在一個(gè)典型的生物打印機(jī)中，噴頭和供料、儲(chǔ)料裝置是打印機(jī)性能的核心體現(xiàn)。

浙江大學(xué)研究的面向多種材料打印的旋轉(zhuǎn)切換方式生物3D打印噴頭實(shí)現(xiàn)了單噴頭對(duì)多種材料的打印，對(duì)于一些高溫材料是可行的，但是對(duì)于一些低溫材料或膠狀材料而言，實(shí)現(xiàn)多種材料的復(fù)合打印仍然存在困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：針對(duì)需要冷凝擠壓的生物材料, 特別是膠原蛋白/納米纖維等在溫度30℃以下才能更好保證材料性能的復(fù)合材料,提供一種即基于低溫膠狀生物材料3D打印的快換式多工位噴頭。通過(guò)氣動(dòng)擠壓下保證擠出冷凝材料具有良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)通過(guò)氣動(dòng)控制快速調(diào)整噴頭，使在空閑、擠壓、注料等三個(gè)工位間實(shí)現(xiàn)快速切換，實(shí)現(xiàn)多種材料的復(fù)合打印，提高了生產(chǎn)效率，為以后此類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了借鑒作用。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于低溫膠狀生物材料3D打印的快換式多工位噴頭，其特征是，包括上下封口的空心儲(chǔ)料桶、供/出料桶、連接于供/出料桶下端的針頭，所述儲(chǔ)料桶中心位置縱向設(shè)有安裝供/出料桶的空腔，供/出料桶插入該空腔內(nèi)，并可上下移動(dòng)，且空腔的腔壁與供/出料桶的側(cè)壁貼合，所述針頭與供/出料桶內(nèi)部相通；

所述儲(chǔ)料桶空腔的腔壁上部、腔壁下部分別設(shè)有小孔，所述供/出料桶側(cè)壁的上部、下部也分別設(shè)有小孔，供/出料桶的上、下孔孔距小于儲(chǔ)料桶的上、下孔孔距；

所述儲(chǔ)料桶頂部連接有擠壓裝置或注料裝置，所述擠壓裝置包括擠壓上蓋、擠壓下蓋、擠壓活塞，擠壓上蓋壓蓋于環(huán)形擠壓下蓋頂部，擠壓活塞置于擠壓下蓋內(nèi)，所述擠壓活塞和供/出料桶頂端連接固定，擠壓下蓋和儲(chǔ)料桶頂端連接固定；所述擠壓上蓋處設(shè)有連接于不同空氣壓縮機(jī)的氣壓閥口1和氣壓閥口2，擠壓上蓋、擠壓下蓋、擠壓活塞圍構(gòu)成密閉腔體，氣壓閥口1與該密閉腔體聯(lián)通，氣壓閥口2與儲(chǔ)料桶內(nèi)部聯(lián)通；

所述注料裝置包括注料活塞、注料蓋，注料活塞置于注料蓋內(nèi)，注料活塞與供/出料桶頂部連接固定，注料蓋和儲(chǔ)料桶頂端連接固定；注料蓋處設(shè)有連接于空氣壓縮機(jī)的氣壓閥口3以及與注料液壓機(jī)連接的液壓閥口，注料活塞、注料蓋形成密閉腔體，氣壓閥口3與該密閉腔體聯(lián)通，液壓閥口與供/出料桶內(nèi)部聯(lián)通；

當(dāng)噴頭處于空閑工位：儲(chǔ)料桶的上下孔和供/出料桶的上下孔相互錯(cuò)開，此時(shí)儲(chǔ)料桶和供/出料桶為兩個(gè)相互隔開的空間，物料無(wú)法流通；

當(dāng)噴頭處于擠壓工位：將擠壓裝置與儲(chǔ)料桶連接，氣壓閥口1進(jìn)氣推動(dòng)擠壓活塞向下運(yùn)動(dòng)，使供/出料桶下部小孔與儲(chǔ)料桶下部小孔重合，氣壓閥口2進(jìn)氣向儲(chǔ)料桶內(nèi)輸入壓力，推動(dòng)儲(chǔ)料桶內(nèi)的物料經(jīng)下部小孔流入供/出料桶內(nèi)，進(jìn)入針頭完成打印；

當(dāng)噴頭處于注料工位：將注料裝置與儲(chǔ)料桶連接，通過(guò)氣壓閥口3抽氣，注料活塞與供/出料桶一起上升，使供/出料桶上部小孔與儲(chǔ)料桶上部小孔重合，物料通過(guò)液壓閥口進(jìn)入供/出料桶，并經(jīng)由供/出料桶上部小孔進(jìn)入儲(chǔ)料桶，完成物料的快速補(bǔ)充。

所述儲(chǔ)料桶為聚乙烯塑料材質(zhì)，下部為密閉錐型。

所述供/出料桶為金屬材料制成。

所述儲(chǔ)料桶空腔腔壁的上、下孔孔徑為3mm，孔距30mm。

所述供/出料桶側(cè)壁的上、下孔孔徑為3mm，孔距20mm。

所述儲(chǔ)料桶與擠壓裝置或注料裝置通過(guò)電磁繼電器連接。

所述儲(chǔ)料桶頂部外壁設(shè)有凸緣，該凸緣處貼有鐵片，便于電磁繼電器進(jìn)行抓取。

所述針頭采用螺紋連接到供/出料桶下端。

所述針頭為注射針頭或自制針頭。

本發(fā)明利用儲(chǔ)料桶和供/出料桶之間的相互移動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴頭在三個(gè)工位之間的快速轉(zhuǎn)換，空閑工位下物料儲(chǔ)存在儲(chǔ)料桶內(nèi)，擠壓成型過(guò)程中通過(guò)供/出料桶下方的小孔進(jìn)入供/出料桶，通過(guò)針頭完成打印成型，注料工位下物料通過(guò)供/出料桶上方的小孔進(jìn)入儲(chǔ)料桶，完成物料的快速補(bǔ)充。通過(guò)供/出料桶儲(chǔ)料桶與擠壓裝置、注料裝置之間通過(guò)電磁繼電器連接，可以實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)料桶的快速切換，通過(guò)氣動(dòng)閥門控制擠壓活塞或注料活塞，可以快速切換供/出料桶在儲(chǔ)料桶中的位置，完成不同工位的快速切換。只有當(dāng)供/出料桶處于擠壓工位，并且氣動(dòng)閥口打開有高壓通過(guò)擠壓裝置進(jìn)入儲(chǔ)料桶，推動(dòng)料筒中的液體材料通過(guò)噴頭噴出，當(dāng)空氣閥門閉合，噴頭內(nèi)的氣體被放出實(shí)現(xiàn)氣壓平衡噴頭停止噴出氣體。

本發(fā)明專利的有益效果：這一類型的3D打印的噴頭可以備至水溶液，膠體，漿料等液體物質(zhì)?？梢宰尨蛴C(jī)在多個(gè)儲(chǔ)料桶，多個(gè)工位間快速切換，為多種生物材料的復(fù)合打印提供了可能。

附圖說(shuō)明

圖1（a）、（b）、（c）為本發(fā)明分別在空閑工位、擠壓工位、注料工位下的結(jié)構(gòu)圖；

圖2（a）、（b）、（c）為本發(fā)明分別在空閑工位、擠壓工位、注料工位下的主視圖；

圖3（a）、（b）、（c）為本發(fā)明分別在空閑工位、擠壓工位、注料工位下的俯視圖；

圖4（a）、（b）、（c）為本發(fā)明分別在空閑工位、擠壓工位、注料工位下擠出成型單元示意圖；

圖中：1儲(chǔ)料桶、2供/出料桶、3針頭、4擠壓上蓋、5擠壓下蓋、6擠壓活塞、7電磁繼電器、8注料活塞、9注料蓋、10氣壓閥口1、11氣壓閥口2、12氣壓閥口3、13液壓閥口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明專利作進(jìn)一步說(shuō)明:

如圖4所示，基于低溫膠狀生物材料3D打印的快換式多工位噴頭，空閑工位下，儲(chǔ)料桶1和供/出料桶2上的小孔相互錯(cuò)開，此時(shí)儲(chǔ)料桶1和供/出料桶2為兩個(gè)相互隔開的空間，物流無(wú)法流通，在開始打印工作前，可以制備多個(gè)儲(chǔ)料桶，桶內(nèi)制備多種生物材料，并根據(jù)生物材料的物理、化學(xué)性能配備不同的針頭。擠壓工位下擠壓活塞6和供/出料桶2固定，擠壓下蓋5和儲(chǔ)料桶1固定，氣壓閥口1和氣壓閥口2分別接一根氣壓輸入管，物流可經(jīng)儲(chǔ)料桶1流入供/出料桶2。注料工位下注料活塞8與供/出料桶2固定，注料蓋9和儲(chǔ)料桶1固定，氣壓閥口3連接到氣壓輸入管，液壓閥口連接到注料管進(jìn)行物料的注入。

針頭3采用的螺紋連接到供/出料桶2，采用的是注射針頭，也可以自制針頭。儲(chǔ)料桶1為聚乙烯塑料材質(zhì)，下部為密閉錐型，內(nèi)壁（空腔腔壁）上下部各開有小孔，上下孔孔徑3mm，孔距30mm，儲(chǔ)料桶外壁凸緣處貼有鐵片，便于電磁繼電器7進(jìn)行抓取。供/出料桶2為金屬材料，下端可通過(guò)螺紋連接針頭3，供/出料桶2側(cè)壁上下部各開有小孔，上下孔孔徑3mm，孔距20mm。

供/出料桶2安裝于儲(chǔ)料桶1的中空處，供/出料桶2可在儲(chǔ)料桶1內(nèi)部中空處移動(dòng)，擠壓上蓋4、擠壓下蓋5、擠壓活塞6構(gòu)成密閉腔體，通過(guò)氣壓閥口1連接空氣壓縮機(jī)，擠壓上蓋、擠壓下蓋5、儲(chǔ)料桶1形成密閉腔體，通過(guò)氣壓閥口2連接空氣壓縮機(jī)。擠壓工作開始時(shí)通過(guò)氣壓閥口1進(jìn)氣推動(dòng)擠壓活塞6，噴頭調(diào)整至擠壓工位，通過(guò)氣壓閥口2進(jìn)氣壓縮儲(chǔ)料桶1內(nèi)的空氣完成擠壓。

注料活塞8、注料蓋9形成密閉腔體，通過(guò)氣壓閥口3連接氣壓機(jī)，注料活塞8、供/出料桶2、儲(chǔ)料桶1形成注料通道，通過(guò)液壓閥口連接注料液壓機(jī)。注料工作開始時(shí)通過(guò)氣壓閥口3抽氣，噴頭調(diào)整至注料工位，通過(guò)液壓閥口向儲(chǔ)料桶1內(nèi)注入物料。

擠壓時(shí)工作原理為:在擠壓前，氣壓閥口1和氣壓閥口2通過(guò)輸氣管分別連接不同空氣壓縮裝置，空氣壓縮機(jī)提供氣體壓力，通過(guò)壓力表來(lái)控制壓力的大小并決定材料擠出速率。在擠壓下蓋5和儲(chǔ)料桶1通過(guò)電磁繼電器連接后，氣體通過(guò)氣壓閥口1進(jìn)入擠壓上蓋4、擠壓下蓋5和擠壓活塞6之間的腔體，推動(dòng)擠壓活塞6向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)供/出料桶2向下運(yùn)動(dòng)至擠壓工位（即供/出料桶下部小孔與儲(chǔ)料桶下部小孔重合）?？諝鈮嚎s機(jī)開始通過(guò)氣壓閥口2向儲(chǔ)料桶輸入壓力，推動(dòng)桶內(nèi)的物料經(jīng)下方小孔流入供/出料桶2，進(jìn)入針頭完成打印。

注料時(shí)工作原理為：注料前，氣壓閥口3連接空氣壓縮機(jī)，液壓閥口用于注入注料，注料活塞8通過(guò)電磁繼電器抓取供/出料桶2，空氣壓縮機(jī)通過(guò)氣壓閥口3抽取空氣，使注料活塞8與供/出料桶2一起上升至注料工位（即供/出料桶上部小孔與儲(chǔ)料桶上部小孔重合）。物料通過(guò)液壓閥口進(jìn)入供/出料桶2，并經(jīng)由供/出料桶2上方的小孔進(jìn)入儲(chǔ)料桶1，完成物料的快速補(bǔ)充。

本發(fā)明專利公開了一種適用于工作溫度較低，原材料為膠狀的生物材料擠壓成型的快換式多工位3D打印噴頭結(jié)構(gòu)，所述的擠壓/控制單元包括所示儲(chǔ)料桶，供/出料桶，針頭，擠壓上蓋，擠壓下蓋，擠壓活塞，注料蓋，注料活塞，供/出料桶安裝在儲(chǔ)料桶中空處，針頭固定在供/出料桶下方。擠壓工作時(shí)，擠壓上蓋，擠壓下蓋，擠壓活塞組成擠壓裝置，通過(guò)電磁繼電器抓取儲(chǔ)料桶，以擠壓活塞調(diào)整供/出料桶工位，閥體控制擠出材料的噴射速度。注料時(shí)，注料蓋連接儲(chǔ)料桶，注料活塞通過(guò)電磁繼電器抓取供/出料桶并調(diào)整其工位，液壓閥控制補(bǔ)充原材料。