一种适用于生物材料的打印喷头制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于生物材料的打印喷头，包括驱动机构、活塞驱动部件和管状料仓部件，所述驱动机构包括电机、模组架和连接件，所述电机设置在模组架上，能够驱动所述连接件往复运动。所述管状料仓部件包括管状料仓、活塞和喷嘴，所述活塞与所述管状料仓的内腔侧壁过盈配合；所述活塞驱动部件包括活塞杆，所述活塞杆与所述连接件连接；所述活塞杆的自由端能够从所述管状料仓的第一端插入到所述管状料仓的内腔中，并通过所述卡接结构与所述活塞固定。本发明专利技术的喷头能够有效降低染菌风险，同时操作简便，能够应用于个性化类器官构建、肝细胞治疗、肿瘤细胞研究等各个领域。细胞治疗、肿瘤细胞研究等各个领域。细胞治疗、肿瘤细胞研究等各个领域。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于生物材料的打印喷头


[0001]本专利技术属于生物3D打印
，具体涉及一种适于打印微量高黏度生物材料的打印喷头。

技术介绍

[0002]生物3D打印技术是基于增材制造思想，以活细胞、细胞外基质、生物因子和生物材料为原料，制造例如医疗器械、组织工程支架和组织器官等有生命或无生命的生物学产品的技术。生物3D打印按基本成型单元可以分类为：基于零维的微滴式生物3D打印、基于一维的微丝式生物3D打印和基于二维的平面式生物3D打印。
[0003]微滴式生物3D打印的特点是成型精度高、打印速度快和成型结构小巧精密，主要包括微阀式和压电式打印技术。
[0004]如图1a所示，微阀式打印的打印原理是将高速电磁阀1001放置在料仓/注射泵1002和喷嘴口1003之间，一次开闭循环可以打印一个微滴。该技术通过调整高速电磁阀1001打开时间和气压大小，可实现对微滴体积、打印速度的控制，打印微滴的体积最小可到纳升级别，打印精度高，并且由于采用非接触式的打印方式，所以打印操作相对简单。
[0005]微阀式打印的缺陷在于，可适用的生物墨水粘度较低，最高仅为20mPa
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s左右，使用高粘度墨水会造成阀体堵塞；当需要换打印材料时，要对微阀进行彻底的清洗，但微阀由于内部结构复杂难以彻底清洗干净，且适用于生物3D打印的微阀的造价往往很高，轻易不会更换；以及，由于微阀的清洗困难，所以当使用有细胞的生物墨水时，会有较大的染菌风险。
[0006]如图1b所示，压电式打印的打印原理是压电管2001受到激励电压后产生收缩和扩张，带动喷嘴玻璃管2002一起振动，并且使得内部墨水产生压力声波。压力波在喷嘴玻璃管2002内部传播，当传播至喷嘴口2003时，将驱使墨水从喷嘴口2003喷出，形成打印操作。压电式打印相比微阀式成本更低，打印精度高，且压电陶瓷不与墨水直接接触，清洗难度降低。
[0007]压电式打印的缺陷在于，与微阀式打印类似，可适用的生物墨水粘度较低，最高仅为20mPa
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s左右，由于采用压电激励震荡形成微滴，所以在使用高粘度墨水时，激励所产生的能量不足以超过喷射临界值，导致墨水无法被打印出来；由于压电激励所带来的瞬间冲击力，在打印过程中会对细胞造成损伤，使得整体的细胞存活率低于微丝式打印技术；以及，压电式打印喷嘴往往采用毛细玻璃管，这种玻璃管加工工艺要求较高，成本较高，并且玻璃管内部较细，在清洗上也比较困难。
[0008]微丝式生物3D打印类似于经典的熔融挤出（FDM）工艺，通过合适的驱动力将材料挤出成丝并进而层层堆积。微丝式打印的优点在于采用固体体积置换原理，从而适合更高粘度的生物墨水，且料仓往往采用一次性注射器，大大降低染菌风险。其最常用的挤出驱动力有气动和活塞两种。气动方式通过控制气压，通过气体推动活塞进行体积置换的形式进行打印。气动式的优点是所提供的推挤力范围较宽，起停节点处控制精准，能有效避免材料
流涎。活塞推挤式是通过电机直接带动活塞的运动来推挤生物墨水，通过推杆推动活塞进行体积置换的形式进行打印，活塞推挤式结构简单，操作容易，适合较高粘度的生物墨水打印。
[0009]微丝式生物3D打印的缺陷在于，其打印精度较低，最小仅为100微米，难以构建精密的小型结构，相比之下，微滴式打印技术可以实现1
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10微米左右的精度；微丝式生物3D打印往往采用与打印平台接触式的打印方式，对于孔径小、高孔深的96或384孔板打印很困难，且平台校准操作难度较大。

技术实现思路

[0010]为了解决上述喷头难以清洗、打印精度低以及操作难度大的技术问题，本专利技术提出了一种适于微量3D打印高黏度生物材料的打印喷头，打印所述喷头包括驱动机构、活塞驱动部件和管状料仓部件。所述驱动机构包括电机、模组架和连接件，所述电机设置在模组架上，能够驱动所述连接件往复运动；所述管状料仓部件包括管状料仓、活塞和喷嘴，所述管状料仓具有中空通孔，所述管状料仓的第一端可拆卸的设置在所述模组架上，所述管状料仓的第二端连接有所述喷嘴，所述管状料仓的内腔中滑动设置有所述活塞，所述活塞与所述管状料仓的内腔侧壁过盈配合；所述活塞驱动部件包括活塞杆，所述活塞杆与所述连接件连接，所述活塞杆的自由端与所述活塞之间具有卡接结构；所述电机能够驱动所述连接件带动所述活塞杆沿杆轴方向向所述喷嘴移动，从而所述活塞杆的自由端能够从所述管状料仓的第一端插入到所述管状料仓的内腔中，并通过所述卡接结构与所述活塞固定。
[0011]在一个实施例中，所述活塞杆的自由端与所述活塞固定后，所述电机反向驱动活塞杆带动活塞在管状料仓的内腔中朝向第一端滑动，从而在管状料仓中吸入预定体积的生物墨水。
[0012]在一个实施例中，所述驱动机构还包括丝杆、滑轨和丝杆滑块，所述滑轨设置在所述模组架上，所述电机与所述丝杆的第一端可驱动的连接，所述丝杆的第二端与所述丝杆滑块转动连接，所述连接件固定到所述丝杆滑块上，所述滑轨与所述丝杆平行设置，所述滑块的侧部具有与所述滑轨对应的凹槽或凸条，使得电机能够驱动所述丝杆带动滑块沿滑轨往复滑动。
[0013]在一个实施例中，所述丝杆的第二端与所述丝杆滑块通过轴承转动连接。
[0014]在一个实施例中，所述管状料仓的第一端具有向外延伸的凸缘，能够穿过所述模组架的孔而固定在所述模组架上；和/或，所述管状料仓的第一端具有向内延伸的凸缘，用于阻挡所述活塞从所述管状料仓中脱出。
[0015]在一个实施例中，所述活塞杆与所述连接件活动连接，所述连接件具有活塞杆通孔，所述活塞杆的后端设有凸缘，所述活塞杆的自由端能够从所述活塞杆通孔中穿过，所述活塞杆的后端凸缘能够被所述活塞杆通孔的边沿阻挡限位；所述活塞驱动部件还包括电磁铁，所述电磁铁固定在所述连接件上；所述电磁铁为贯穿式直流推杆电磁铁，包括制动推杆，所述制动推杆的第一端从所述电磁铁的通孔中穿出，所述制动推杆的第一端与所述活塞杆的后端轴向可驱动的连接。
[0016]在一个实施例中，所述活塞驱动部件还包括支撑弹簧，所述制动推杆的第二端从所述电磁铁的通孔中穿出，所述制动推杆的第二端套设有支撑弹簧，所述支撑弹簧的两端支撑在所述电磁铁与所述制动推杆的第二端之间，打印时，所述电机驱动所述连接件缓慢朝向所述喷嘴方向移动预定距离，所述支撑弹簧对所述活塞的下压力小于所述活塞与所述管状料仓内腔侧壁之间的静摩擦力，所述活塞保持原位不动，所述活塞杆的后端凸缘与所述连接件之间形成间隙；所述电机停止，对所述电磁铁通电，使得所述制动推杆加速运动，带动所述活塞在管状料仓的内腔中朝向所述喷嘴方向推挤所述预定距离，生物墨水通过喷嘴喷射进行打印。
[0017]在一个实施例中，所述活塞驱动部件还包括法兰直线轴承，所述法兰直线轴承设置在所述活塞杆通孔中，所述活塞杆从所述法兰直线轴承中穿过。
[0018]在一个实施例中，所述活塞杆的自由端的端部为球头，在所述活塞的端面上具有凹坑，所述球头能够嵌入到所述凹坑中。
[0019]在一个实施例中，所述电机优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于生物材料的打印喷头，其特征在于，所述喷头包括驱动机构（100）、活塞驱动部件（200）和管状料仓部件（300），所述驱动机构（100）包括电机（101）、模组架（106）和连接件（107）；所述电机（101）设置在模组架（106）上，用于驱动所述连接件（107）往复运动；所述管状料仓部件（300）包括管状料仓（301）、活塞（302）和喷嘴（304），所述管状料仓（301）具有中空通孔，所述管状料仓（301）的第一端可拆卸的设置在所述模组架（106）上，所述管状料仓（301）的第二端连接有所述喷嘴（304），所述管状料仓（301）的内腔中滑动设置有所述活塞（302），所述活塞（302）与所述管状料仓（301）的内腔侧壁过盈配合；所述活塞驱动部件（200）包括活塞杆（203）和脉冲驱动器，所述活塞杆（203）与所述连接件（107）连接，所述活塞杆（203）的自由端连接所述活塞（302）；所述脉冲驱动器用于产生控制所述活塞杆（203）发生微行程的脉冲信号；所述电机（101）用于驱动所述连接件（107）带动所述活塞杆（203）沿杆轴方向向所述喷嘴（304）移动，从而所述活塞杆（203）的自由端能够从所述管状料仓（301）的第一端插入到所述管状料仓（301）的内腔中。2.根据权利要求1所述的打印喷头，其特征在于，所述脉冲驱动器为电磁铁（201），所述电磁铁（201）固定在所述连接件（107）上；所述电磁铁（201）为贯穿式直流推杆电磁铁，包括制动推杆（202），所述制动推杆（202）的第一端从所述电磁铁（201）的通孔中穿出，所述制动推杆（202）的第一端与所述活塞杆（203）的后端轴向可驱动的连接。3.如权利要求2所述的打印喷头，其特征在于，所述活塞杆（203）的自由端与所述活塞（302）固定后，所述电机（101）反向驱动活塞杆（203）带动活塞（302）在管状料仓（301）的内腔中朝向第一端滑动，从而在管状料仓（301）中吸入预定体积的生物墨水。4.如权利要求1所述的打印喷头，其特征在于，所述驱动机构（100）还包括丝杆（102）、滑轨（104）和丝杆滑块（105），所述滑轨（104）设置在所述模组架（106）上，所述电机（101）与所述丝杆（102）的第一端可驱动的连接，所述丝杆（102）的第二端与所述丝杆滑块（105）转动连接，所述连接件（107）固定到所述丝杆滑块...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭如瀚，汤文成，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：