一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统和方法与流程

本发明属于机械自动化与生物技术和组织工程的交叉领域，具体涉及一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统和方法。

背景技术：

人造组织由于缺乏有效的血管网络来运输养分和代谢废物而很难制造出大尺寸结构复杂的组织。在组织打印过程中打印空心凝胶管可以有效的帮助运输养分和废物，充当血管网络。以同轴喷头为主的打印系统可打印空心凝胶管，但存在以下问题：

现有的同轴喷头利用内外管的上端或中部连接保证同轴度。当材料在喷头内受挤压对内管产生作用力使其变形时，喷头前端内外管的同轴度就很难保证。特别是，当采用很小的内管直径时，同轴度更难保证，因此也使喷头尺寸不能很小，制约了空心凝胶管的尺寸。

已有的利用海藻酸钠制造空心凝胶管的工艺中，仅通过海藻酸钠与钙离子交联反应构成的空心圆管机械强度差，难以满足生物制造的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述制造空心凝胶管方法中的不足，提出了一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统和方法，从而形成较为完善的空心凝胶管打印系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统，包括3D打印平台、两套送料装置、同轴喷头、喷雾装置和控制系统；其中，

3D打印平台包括XY打印平台和Z打印平台；

同轴喷头上设置有第一进料口、第二进料口以及两个出口料，且两个出料口同轴心设置；

一套送料装置通过软管与同轴喷头的第一进料口相连通，另一套送料装置通过软管与同轴喷头的第二进料口相连通；

喷雾装置和同轴喷头安装在XY打印平台上；

控制系统用于分别控制XY打印平台、两套送料装置、喷雾装置以及Z打印平台动作。

本发明进一步的改进在于，同轴喷头包括同轴心设置的内管和外管，且内管和外管之间留有间隙，外管的一端设置有第一进料口，第一进料口与内管的一端相连通，外管的侧壁上设置有第二进料口，内管的另一端和外管的另一端为同轴心设置的两个出口料。

本发明进一步的改进在于，第一进料口与外管的一端之间通过螺纹连接，第一进料口与内管的一端过渡配合连接；第二进料口与外管的侧壁之间螺纹连接或焊接为一体。

本发明进一步的改进在于，外管内部在靠近内管一端的内壁上设置有开口向上的锥形结构，锥形结构内设置有用于外管与内管密封的密封垫片。

本发明进一步的改进在于，内管的另一端和外管的另一端之间还焊接有螺旋线式的焊接件。

本发明进一步的改进在于，每套送料装置均包括配合使用的注射器和注射泵。

本发明进一步的改进在于，喷雾装置包括喷雾器以及配合使用的注射器和注射泵，其中，喷雾器安装在XY打印平台上。

上述一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

1）常温下配置所需浓度的海藻酸钠溶液、氯化钙溶液、氯化铁溶液，分别放入与第二进料口相连通的送料装置内、与第一进料口相连通的送料装置内以及喷雾装置内；

2）通过两个送料装置将海藻酸钠溶液和氯化钙溶液经软管挤入同轴喷头内，在同轴喷头的两个同轴心出料口处两溶液发生交联反应，形成空心凝胶管；与此同时，氯化铁溶液从喷雾装置喷出形成雾化氯化铁溶液，与空心凝胶管进一步反应，形成增强型空心凝胶管。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明提供的同轴喷头及其增强型空心凝胶管的3D打印系统，配备了同轴喷头，同轴喷头的两个出料口同轴心设置，相比已有喷头，同轴喷头在喷头前端的同轴度有了更可靠的保证；此外，在XY平台上配有喷雾装置，与XY平台一起运动，不需要人工调节和手动喷雾，可以直接通过控制系统进行自动控制。使增强型空心凝胶管的整个打印过程实现自动化。

进一步，本发明提供的同轴喷头采用同轴心设置的内管和外管，同轴喷头内外管通过焊接件保证同轴度，当同轴喷头内管受材料被挤出时产生的作用力时，不会发生明显的变形。因此，可以在原有的基础上，进一步减小同轴喷头内管及外管的尺寸，打印出尺寸更小的空心凝胶管，增大了空心凝胶管的应用范围。

进一步，外管内部在靠近内管一端的内壁上设置有开口向上的锥形结构，锥形结构内设置有用于外管与内管密封的密封垫片，通过密封垫片使内外管腔相互隔离并且保证外管和内管之间的密封。

因此，本发明提供的同轴喷头的结构简单，容易拆装，性能可靠。同轴喷头前端的焊接件，由于其螺旋线式的结构，在保证内外管同轴度的同时，对内外管之间的溶液也起到导流作用，使空心凝胶管壁厚更加均匀。

本发明提供的增强型空心凝胶管的打印方法是在原有的空心凝胶管制造工艺的基础上，增加了至为关键的一步，使打印出的空心凝胶管进一步与喷雾装置喷出的氯化铁溶液反应，在不改变原有空心凝胶管尺寸的前提下，大大提升了空心凝胶管的机械强度，并进一步扩大了空心凝胶管的应用范围。

综上所述，本发明提供的同轴喷头和增强型空心凝胶管的3D打印系统和方法，解决了同轴喷头同轴度难以保证的问题，因此可以进一步减小同轴喷头的尺寸。打印方法中用氯化铁与空心凝胶管进一步反应，使其机械强度有很大提高。

附图说明

图1为本发明同轴喷头及其增强型空心凝胶管的3D打印系统的结构示意图。

图中：1为控制系统，2为XY打印平台，3为喷雾器，4为Z打印平台，5为同轴喷头，6为送料装置，7为注射器，8为注射泵，9为喷雾装置。

图2为本发明同轴喷头的结构示意图; 其中，图2（b）和（c）均为图2（a）的局部放大图 。

图中：10为第一进料口，11为内管，12为外管，13为第二进料口，14为锥形结构，15为密封垫片，16为焊接件。

图3为本发明内管的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，本发明一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统，包括3D打印平台、两套送料装置6、同轴喷头5、喷雾装置9和控制系统1。其中，3D打印平台包括XY打印平台2和Z打印平台4。

所述同轴喷头5包括同轴心设置的内管11和外管12，且内管11和外管12之间留有间隙，外管12的一端设置有第一进料口10，第一进料口10与内管11的一端相连通，外管12的侧壁上设置有第二进料口13，内管11的另一端和外管12的另一端为同轴心设置的两个出口料；第一进料口10与外管12的一端之间通过螺纹连接，第一进料口10与内管11的一端过渡配合连接；第二进料口13与外管12的侧壁之间螺纹连接或焊接为一体；外管12内部在靠近内管11一端的内壁上设置有开口向上的锥形结构14，锥形结构14内设置有用于外管12与内管11密封的密封垫片15，通过密封垫片15使内外管腔相互隔离并且保证外管12和内管11之间的密封；内管11的另一端和外管12的另一端之间还焊接有螺旋线式的焊接件16，焊接件16外侧紧贴外管12内壁，利用焊接件16从而更好地保证同轴喷头前端外管12和内管11的同轴度。

每套送料装置6均包括配合使用的注射器7和注射泵8，通过控制注射泵8推动注射器7，使注射器7中的溶液经软管-喷头/软管-喷雾器挤出或喷出；一套送料装置6通过软管与同轴喷头的第一进料口10相连通，另一套送料装置6通过软管与同轴喷头的第二进料口13相连通。

所述喷雾装置9包括喷雾器3以及配合使用的注射器7和注射泵8，通过控制注射泵8推动注射器7，使注射器7中的溶液经软管-喷头/软管-喷雾器挤出或喷出；其中，喷雾器3安装在XY打印平台2上。

喷雾装置9和同轴喷头5安装在XY打印平台2上；控制系统1用于分别控制XY打印平台2、两套送料装置6、喷雾装置9以及Z打印平台4动作。

本发明一种同轴喷头的增强型空心凝胶管的3D打印系统的打印方法，包括以下步骤：

1）常温下配置所需浓度的海藻酸钠溶液、氯化钙溶液、氯化铁溶液，分别放入与第二进料口13相连通的送料装置6内、与第一进料口10相连通的送料装置6内以及喷雾装置9内；

2）通过两个送料装置6将海藻酸钠溶液和氯化钙溶液经软管挤入同轴喷头5内，在同轴喷头5的两个同轴心出料口处两溶液发生交联反应，形成空心凝胶管；与此同时，氯化铁溶液从喷雾装置9喷出形成雾化氯化铁溶液，与空心凝胶管进一步反应，形成增强型空心凝胶管。

具体来说，图1中，送料装置6将配置好的海藻酸钠溶液和氯化钙溶液通过注射泵8分别挤入同轴喷头5内，两溶液在喷头口被挤出相遇发生交联反应，形成空心凝胶管。与此同时，氯化铁溶液经喷雾装置9喷出与空心凝胶管进一步反应，增强空心凝胶管的机械强度。

图2中，氯化钙溶液从第一进料口10进入内管11内腔。海藻酸钠溶液从第二进料口13进入外管12内腔。焊接件16保证喷头前端内外管的同轴度，并对海藻酸钠溶液起到导流作用。

图3可以更清楚的看到焊接在喷头内管11前端的焊接件16。

实施例1：

选用内管内径0.34mm，外径0.63mm；外管内径1.12mm，外径1.48mm的同轴喷头，海藻酸钠溶液浓度为2%-4%(w/v)，氯化钙溶液浓度为4%(w/v)，氯化铁溶液浓度为0.25%(w/v)。海藻酸钠溶液的挤出速率为1.5ml/min，氯化钙溶液的挤出速率为1-3ml/min，氯化铁的喷出速率为4.5ml/min。可打印出外径为800-1200μm的增强型空心凝胶管。

实施例2：

选用内管内径0.24mm，外径0.45mm；外管内径0.70mm，外径1.06mm的同轴喷头，海藻酸钠溶液的浓度为2%-4%(w/v)，氯化钙溶液的浓度为4%(w/v)，氯化铁溶液的浓度为0.25%(w/v)。海藻酸钠溶液的挤出速率为1.5ml/min，氯化钙溶液的挤出速率为1-3ml/min，氯化铁的喷出速率为4.5ml/min。可打印出外径为500-800μm的增强型空心凝胶管。