一种生物3D打印用打印头的制作方法

本发明涉及一种用于生物仿真打印设备领域，具体的属于一种生物3D打印用打印头。

背景技术：

传统生物3D打印过程中，需要对水凝胶或水凝胶-干细胞混合料进行加压、加热操作，以降低材料粘度，实现挤出，即物理相变塑型技术。本发明为解决这一问题，将水凝胶化学聚合反应转移到生物3D打印用打印头中，原位进行混合并诱发反应，使得物料在流过挤出头过程中呈低粘度状态，利用挤出头内的滞留时间控制化学反应，使得物料离开挤出头排料口时达到足够的高粘度，保持3D打印设计的形状。本专利要求的生物3D打印用打印头基于生物酶催化交联体系设计。在氧化剂存在情况下，生物酶可以将带有苯酚功能团的高分子水凝胶单体聚合，从而实现水凝胶材料的化学聚合相变。在此基础上，可以实现其他的多元反应交联体系的操作。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中的技术问题，提供一种生物3D打印用打印头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种生物3D打印用打印头，包括安装在3D打印机移动臂上的材料混合腔，在材料混合腔上设置有用于给材料混合腔供料的供料口；在所述材料混合腔上设置有排料管，在材料混合腔内设置有搅拌器和排料器，其中搅拌器为旋转式搅拌器，包括旋转轴和设置在旋转轴上搅拌凸起，在材料混合腔中的物料经由搅拌器的旋转搅拌混合后，通过排料器的驱动，从排料管中挤出。

作为本发明的进一步改进，所述排料器与搅拌器为一体结构，所述搅拌器为螺旋式搅拌器，所述搅拌凸起包括设置在旋转轴上的螺旋凸起片，旋转轴的一端部位于材料混合腔的排料管连接位置，材料混合腔内的物料在螺旋凸起片的推挤下，混合并从排料管排出。

作为本发明的进一步改进，所述材料混合腔包括一个封闭外壳，

作为本发明的进一步改进，所述供料口包括若干设置在封闭外壳壁面上的转换座，所述转换座贯穿封闭外壳壁面，在转换座内设置有一个用于连接管道接头的接头固定孔。

作为本发明的进一步改进，所述封闭外壳为封闭桶状，其中排料管连接在封闭外壳的轴向一端，在封闭外壳的轴向另一端设置有一个开口，在所述开口上设置有一个封闭端盖，所述旋转轴与封闭端盖之间转动连接。

作为本发明的进一步改进，在所述封闭端盖的边缘设置有一个环形法兰，旋转轴通过一个步进电机驱动，步进电机的电机外壳通过前述的环形法兰固定到封闭端盖上。

作为本发明的进一步改进，在封闭外壳的外壁还设置有一个加热夹套，在加热夹套内设置有一个环形的加热空腔，所述加热空腔通过驱动泵和管路连接有循环热流体，循环热流体与封闭外壳内部的材料之间进行间壁换热。

作为本发明的进一步改进，所述排料管为螺纹针管结构，其包括一个中空的排料针和固定在排料针端部的固定头，在所述封闭外壳的端部设置有一个连接座，所述连接座与固定头之间通过螺纹连接。

作为本发明的进一步改进，所述连接座包括一个连接套，在封闭外壳的端部固定有一个连接环，连接环与连接套之间通过螺纹连接，在连接套的中部固定有用于固定固定头的连接管。

作为本发明的进一步改进，所述封闭外壳采用不锈钢制成。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过一个带有混合功能的搅拌空腔，实现对生物仿真物料混合、硬化的同步进行。避免了传统螺杆挤出过程中的加热、加压过程对干细胞造成的潜在影响，混合的同时发生的化学反应，可以在流体达到出口处完成聚合反应，从而避免挤出头内的高压、高温环境，实现化学反应塑型。

2、一体结构的搅拌器和排料器优化了结构，相比于气压挤料、搅拌棒拌料的方法而言，本结构中封闭外壳的压力较低，不容易发生泄漏；相比于可压缩的气体，本结构的排料速率可以通过控制螺旋凸起片的旋转速率进行控制，可控性能更高；而且本结构可以将物料搅拌后完全排出，相比于搅拌棍不容易存在搅拌死角。

3、转换座可以方便各类接头的螺纹式连接，相比于在封闭外壳上加装用于管道接头拆装的螺纹孔，转换座可以实现管道接头的转接，降低封闭外壳上螺纹孔的使用率，提高封闭外壳的寿命。

4、旋转座承担螺杆固定和密封任务，可以稳定螺杆转动造成的震动，并隔离电机部分和物料仓，实现壳内环境无菌化的要求。

5、本结构的封闭外壳为可开启或关闭的端盖结构，极大的方便了对封闭外壳的拆卸和内部部件的清理。

6、设置在端盖上的法兰结构方便驱动电机的稳定固定，保证电机与封闭外壳的同步连接，不会因为电机旋转时的抖动使得旋转轴与封闭外壳发生相对挤压而导致旋转轴的变形，从而降低打印时打印头的抖动率，提高打印质量。

7、外置式的加热夹套相比于内置式的热管加热，换热效率高，而且不会对封闭外壳内部空间和封闭外壳的密封带来影响。

8、本打印头采用医用针管式的排料结构，螺纹的连接方式便于拆卸和更换。

9、本发明通过连接套进行转接，相比于针管的直接连接，本结构可以扩大封闭外壳端部的开口尺寸，便于封闭外壳的清洗；而且转接结构相比于直连可以提高封闭外壳的寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是打印头的剖面示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是打印头电机的装配示意图。

图中：1、封闭外壳；2、旋转轴；3、螺纹突起；4、封闭端盖；5、旋转座；6、转换座；7、连接环；8、连接套；9、连接管；10、固定头；11、排料针；12、加热夹套；13、进水口；14、电机外壳；15、联轴器；16、步进电机。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明为一种生物3D打印用打印头，其主体为一个圆筒状的封闭外壳，在封闭外壳的轴向一端设置有一个渐缩状的排料腔，在封闭外壳的轴向另一端上设置有一个封闭端盖；封闭外壳内构成一个材料混合腔，实现对打印物料的混合，并通过排料腔排出，封闭端盖可以采用法兰或者螺纹结构固定到封闭外壳上。

为了实现搅拌之目的，在封闭外壳内设置了搅拌和排料功能一体的螺旋式搅拌器，其主体包括一个与封闭端盖之间转动连接的旋转轴，在封闭端盖中部固定有一个旋转座，旋转座通过密封轴承与旋转轴转动连接，旋转轴与封闭外壳同步固定，其中一端部延伸至排料腔的缩口端，在旋转轴上设置有连续状的螺纹突起，其螺纹突起的螺纹半径可以根据具体工况设定，其具体工况主要是要参考物料的粘度，对于粘度较大的物料可以通过减小螺纹半径以降低其摩擦面积；物料则通过螺纹突起的旋转而发生搅拌混合，并在螺纹的推挤下由排料腔排出。螺杆旋转的速度由水凝胶聚合反应的速率决定，高反应速率打印需要短滞留时间，即高基础速度，反之亦然。

为了控制质量，一般进料切变模量G’在20 Pa一下，挤出料切变模量G’可以达到200-10000 Pa.

如图2所示，排料腔的端部上同轴固定有一个连接环，连接环上通过螺纹连接有一个连接座，连接座包括一个一端开口的筒状连接套，连接套的内壁与连接环固定连接；同时在连接套的封闭端中部设置有一个连接管，连接管上通过螺纹连接有医用不锈钢针管；其中连接座的连接套外形可以根据不同工况设置为直筒或者弯曲筒状；

医用不锈钢针管包括一个中空的排料针和固定在排料针端部的固定头，固定头与连接管之间通过螺纹连接。

如图1所示，在封闭外壳的外部还固定有一个加热夹套，在加热夹套内设置有一个环形的加热空腔，在加热夹套外壁设置有一个进水口和一个排水口，并与内部物料舱隔绝，保证内部物料舱的无菌环境。进水口和排水口通过一个驱动泵连接到一个水加热桶上，通过驱动泵使得热水在加热夹套内循环流动，实现与封闭外壳之间的换热。

在封闭外壳的外壁还设置有若干供料口，供料口的位置和口径根据根据具体材料的数量和特性进行设置，供料口包括若干设置在封闭外壳壁面上的转换座，所述转换座贯穿封闭外壳壁面，在转换座内设置有一个用于连接管道接头的接头固定孔；物料的供料则通过连接到前述转接头上的连接管进行供料，拆卸时则可以方便的通过旋转进行拆卸，此外在转换座上可以预制一些例如宝塔接头之类的快速接头，以实现管道的快速拆装。

为了保证一定的无菌环境，封闭外壳、封闭端盖、螺旋式搅拌器等部件均采用不锈钢制成。

如图1和图3，在封闭端盖外围还设置有一个环形法兰，旋转轴通过一个联轴器与步进电机传动连接，步进电机的电机外壳通过前述的环形法兰固定到封闭端盖上；为了降低振动可以采用万向联轴器进行连接。

具体使用时：以过氧化物歧化酶（HRP）/过氧化氢（H₂O₂）交联体系为例，其中过氧化物歧化酶（HRP）的供料口位于封闭外壳顶部靠近封闭端盖位置，而过氧化氢（H₂O₂）的供料口则位于封闭外壳底部靠近排料腔位置；两者通过一定的挤料泵挤入到封闭空腔内，并通过螺旋式搅拌器进行搅拌，使得氧化物歧化酶（HRP）和过氧化氢（H₂O₂）在排料空腔位置发生混合，在经由排料针排出的同时，实现前述俩原料的交联凝结，其凝结时间由排料速度控制，具体的控制因素包括螺杆旋转速度、螺纹间距、排料针的长度等；凝胶的强度可以通过供料配比和同样的控制旋转轴的转速，进行控制。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。