一种基于声场的多模态3D打印挤出头制造技术

本发明专利技术公开了一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其包括输出管和压电陶瓷超声换能器，输出管用于载细胞生物墨水的输出，压电陶瓷超声换能器设在输出管的外壁上，压电陶瓷超声换能器在输出管的外壁上围绕至少一圈；通过对压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用输出管自身的共振效应，引起输出管不同模态的共振，在输出管内激发不同模态的超声驻波场，从而以操控流经输出管内的载细胞生物墨水，细胞在声辐射力作用下排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状。本发明专利技术打印效率高，打印精度高。打印精度高。打印精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声场的多模态3D打印挤出头


[0001]本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种基于声场的多模态3D打印挤出头。

技术介绍

[0002]生物3D打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。现有生物3D打印机主要有挤出式、喷墨式和激光辅助式等，通过利用不同的技术手段，实现对载细胞生物墨水的空间结构成型，从而在体外制造各种微组织及器官替代物。
[0003]然而，上述生物打印技术工艺虽然能实现生物墨水的有效成型，但其结构成型过程本质是操控生物材料空间位置关系，无法实现对细胞的精密操控，同时也会导致因细胞分布而引起的打印过程堵塞等问题。
[0004]为解决打印过程堵塞的问题，专利号为202110595402.0的专利公开了一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置，其通过陶瓷压电片在激励信号的作用下产生纵向机械振动，使混合油墨中的细胞沿喷头轴线位置排布，即打印过程中，细胞将大致呈直线方式排列，依次从喷头挤出，该方案减缓了喷头堵塞以及打印材料挤出时的剪切力使细胞存活数量降低的问题。
[0005]然而，专利号为202110595402.0的提出的超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置存在以下问题：
[0006]1、该打印过程虽然实现了对细胞的操控，但只能实现细胞的单一直线排布，无法实现更高自由度的操控；
[0007]2、由于打印过程中细胞是呈直线方式排列依次输出，使得其每次输出的都只是细小轨迹上的细胞，为了将喷头输出的细胞排列在准确的位置，对打印喷头的移动位置的精度要求十分高，每一次移动都只是单个细胞或者数个细胞的距离；
[0008]3、由于输出的都只是细小轨迹上的细胞，打印喷头需要循环运动更多的次数来打印出同样体积的生物体，打印喷头的运动量将呈倍数增加，建立的3D轨迹模型的复杂程度将大大增加，数据量也在大大增加，从而提高了打印难度，降低了打印效率。
[0009]因此，本专利技术针对现有生物打印技术中存在的不足，拟借助超声波操控技术，提出一种基于声场的多模态3D打印挤出头。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题，就是提供一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其打印效率高，打印精度高。
[0011]解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0012]一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：包括输出管和压电陶瓷超声换能器，输出管用于载细胞生物墨水的输出，压电陶瓷超声换能器设在输出管的外壁上，压电陶瓷超声换能器在输出管的外壁上围绕至少一圈；
[0013]通过对压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用输出管自身的共振效应，引起输出管不同模态的共振，在输出管内激发不同模态的超声驻波场，从而以操控流经输出管内的载细胞生物墨水，细胞在声辐射力作用下排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状。
[0014]可选的，输出管的横截面为圆形、椭圆形、方形、多边形中任一种。
[0015]可选的，输出管的材质为石英玻璃、PMMA、PS和ABS中的任一种。
[0016]可选的，输出管的内径为n，其中200μm≤n≤1000μm。
[0017]可选的，压电陶瓷超声换能器通过环氧树脂胶与输出管进行连接。
[0018]可选的，基于声场的多模态3D打印挤出头设有多个压电陶瓷超声换能器，多个压电陶瓷超声换能器围绕输出管的中心分布。
[0019]可选的，生物材料可以是光敏性或温敏性交联材料。
[0020]可选的，基于声场的多模态3D打印挤出头包括信号源和放大器，信号源的输出端与放大器的输入端电性连接，放大器的输出端与压电陶瓷超声换能器分别电性连接，信号源为压电陶瓷超声换能器提供激励信号。
[0021]可选的，基于声场的多模态3D打印挤出头包括移动机构，输出管设在移动机构上，由移动机构带动输出管移动。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术设置压电陶瓷超声换能器，且压电陶瓷超声换能器在输出管的外壁上围绕至少一圈，通过对压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用输出管自身的共振效应，引起输出管不同模态的共振，在输出管内激发不同模态的超声驻波场，以操控流经输出管内的载细胞生物墨水中的细胞排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状，从而直接输出已经排列成一定形状的细胞，输出效率高，且细胞之间的排列更紧密，例如：将载细胞生物墨水中的细胞排列成圆管状输出，那么凝固成形后将可以是一条细小的血管，可见，本专利技术打印效率高。
[0024]本专利技术通过围绕输出管的外壁至少一圈的压电陶瓷超声换能器产生声场，在输出管内部产生声场，并驱动输出管内的载细胞生物墨水中的细胞聚集在声压节点处，实现了打印过程中的细胞精密操控，操控精度高，提高了打印精度。
[0025]由于本专利技术将细胞在输出管进行了预先排列，不是无序挤压输出，使得在对载细胞生物墨水进行挤出过程中，细胞不会在输出管的出口处堆积，造成堵塞，有序的输出使得在挤出时不会对细胞产生剪切力。
附图说明
[0026]图1为实施例一的基于声场的多模态3D打印挤出头的结构示意图；
[0027]图2为实施例一的基于声场的多模态3D打印挤出头的剖视示意图；
[0028]图3为实施例二的基于声场的多模态3D打印挤出头中，当圆形的输出管的内径为1000μm时，不同频率的信号作用于压电陶瓷超声换能器上时输出管内的声压场分布图；
[0029]图4为实施例二的基于声场的多模态3D打印挤出头中，当圆形的输出管的内径为1000μm时，不同频率的信号作用于压电陶瓷超声换能器上时输出管内的声能量场分布图；
[0030]图5为实施例二的基于声场的多模态3D打印挤出头中，将5.65MHz频率的信号作用
于压电陶瓷超声换能器上时细胞粒子的追踪示意图；
[0031]图6为实施例三的基于声场的多模态3D打印挤出头的剖视示意图，显示了俯视方向的剖面；
[0032]图7为实施例三的基于声场的多模态3D打印挤出头中，当正四方形的输出管的边长为1000μm时，不同频率的信号作用于压电陶瓷超声换能器上时输出管内的声压场分布图；
[0033]图8为实施例三的基于声场的多模态3D打印挤出头中，当正四方形的输出管的边长为1000μm时，不同频率的信号作用于压电陶瓷超声换能器上时输出管内的声能量场分布图；
[0034]图9为实施例三的基于声场的多模态3D打印挤出头中，将4.8MHz频率的信号作用于压电陶瓷超声换能器上时细胞粒子的追踪示意图；
[0035]图10为实施例四的基于声场的多模态3D打印挤出头的剖视示意图，显示了俯视方向的剖面。
[0036]图中附图标记含义：
[0037]1‑
输出管；2
‑
压电陶瓷超声换能器。
具体实施方式
[0038]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：包括输出管和压电陶瓷超声换能器，所述输出管用于载细胞生物墨水的输出，所述压电陶瓷超声换能器设在所述输出管的外壁上，所述压电陶瓷超声换能器在所述输出管的外壁上围绕至少一圈；通过对所述压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用所述输出管自身的共振效应，引起所述输出管不同模态的共振，在所述输出管内激发不同模态的超声驻波场，从而以操控流经所述输出管内的载细胞生物墨水，细胞在声辐射力作用下排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状。2.根据权利要求1所述的基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：所述输出管的横截面为圆形、椭圆形、方形、多边形中任一种。3.根据权利要求1所述的基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：所述输出管的材质为石英玻璃、PMMA、PS和ABS中的任一种。4.根据权利要求1所述的基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：所述输出管的内径为n，其中200μm≤n≤1000μm。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：周江保，王记波，周金生，王揩豪，王恒，郑立新，吴立友，
申请(专利权)人：深圳康沃先进制造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：