管腔组织构建体打印装置和3D生物打印机的制作方法

本实用新型涉及3D生物打印技术领域，尤其涉及一种管腔组织构建体打印装置和3D生物打印机。

背景技术：

现有技术中，常见的人工血管是由聚合物纤维(例如尼龙、涤纶)、蚕丝或膨体聚四氟乙烯制成的。在进行血管移植时，可利用完整的人工血管对病变或受损的血管进行替换。虽然使用这种人工血管对病变或受损血管进行替换在临床上已取得巨大成效，但其依然面临难以解决的问题，包括在长时间植入后血栓的再次发生和管腔再狭窄的出现。导致这些问题的根本原因在于，这种人工血管的内表面上缺少完整的内皮细胞层。

此外，由于人工血管在径向上几乎不能发生形变，现有技术无法通过外部对人工血管进行压缩使生物砖完全均匀、完整且平整地贴合在人工血管内壁上。

技术实现要素：

为克服以上技术缺陷，本实用新型解决的技术问题是提供一种管腔组织构建体打印装置和3D生物打印机，能够提高管腔组织的生物可靠性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种管腔组织构建体打印装置，其包括喷头组件和生物打印平台，喷头组件通过生物打印平台将生物构建体打印在管腔组织的内表面上。

进一步地，喷头组件包括医用胶喷头，医用胶喷头包括医用胶容器和医用胶喷嘴，医用胶容器顶部通过气路与气泵连接，在气路中设有真空发生器，用于在非打印状态下对医用胶容器产生负压。

进一步地，喷头组件包括生物砖喷头，生物砖喷头包括螺杆泵和生物砖喷嘴。

进一步地，螺杆泵包括用于将进入螺杆泵的生物砖挤出至生物砖喷嘴的螺旋定子和螺旋转子，螺旋定子由硅胶材料制成。

进一步地，生物砖喷嘴的打印出口端具有倒角，倒角的倒角面与生物砖喷嘴的打印出口的中心线的夹角为10°～30°。

进一步地，夹角为20°。

进一步地，生物砖喷嘴的打印出口端外表面的粗糙度Ra≤0.4。

进一步地，生物打印平台包括平台基座、旋转部和可相对旋转部移动的对接部，旋转部包括旋转杆，用于承载生物砖和医用胶以形成生物构建体，对接部包括空心杆，空心杆的外壁用于承载管腔组织。

进一步地，旋转杆的外壁覆盖有弹性膜。

进一步地，旋转杆的内部中空，旋转杆的外壁上开有与内部连通的出气孔，用于将旋转杆的内部的空气排出以撑起弹性膜。

进一步地，旋转杆的内部还设有加热件。

进一步地，加热件包括间隔设置的加热段和间隔段，加热段表面缠绕有电阻丝，加热段的直径小于间隔段的直径。

进一步地，加热件靠近对接部的一端设有温度检测件，用于检测加热件的温度。

进一步地，生物打印平台还包括夹抱机构，用于夹抱管腔组织以使其从空心杆脱离并套接生物构建体。

进一步地，夹抱机构包括可相对移动的第一夹抱块和第二夹抱块。

进一步地，夹抱机构还包括止退件，用于作用于管腔组织的尾端以使其从空心杆脱离。

进一步地，止退件配合设有作用于管腔组织的尾端的止退圈。

进一步地，夹抱机构还包括设置在第一夹抱块和第二夹抱块底部的限位块，用于对第一夹抱块和第二夹抱块的相对移动进行限位，以使第一夹抱块和第二夹抱块与管腔组织的外壁相切。

进一步地，夹抱机构还包括设置在第一夹抱块和第二夹抱块底部的支撑平台，用于支撑管腔组织。

进一步地，还包括可在旋转杆内部移动的光学探头，用于检测生物构建体内壁的平整度，旋转杆由透明材料制成。

进一步地，光学探头可移动地设置在旋转杆或空心杆内。

进一步地，光学探头固定设置在空心杆内。

进一步地，还包括设置在旋转杆下方的储液池，用于承接从夹抱机构脱离并下落的生物打印构建体。

本实用新型还提供了一种3D生物打印机，其包括上述的管腔组织构建体打印装置。

由此，基于上述技术方案，本实用新型管腔组织构建体打印装置通过设置喷头组件和生物打印平台，喷头组件通过生物打印平台将生物构建体打印在管腔组织的内表面上，避免管腔组织在长时间植入后血栓的再次发生和管腔再狭窄等问题的出现，提高了管腔组织的生物可靠性。本实用新型提供的3D生物打印机也相应地具有上述有益技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型管腔组织构建体打印装置实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型管腔组织构建体打印装置中喷头组件的整体结构示意图；

图3为本实用新型管腔组织构建体打印装置中喷头组件的内部结构示意图；

图4为本实用新型管腔组织构建体打印装置中螺杆泵实施例的剖面结构示意图；

图5为本实用新型管腔组织构建体打印装置中生物砖喷嘴实施例的剖面结构示意图；

图6为图5中画圈部分的局部放大示意图；

图7为本实用新型管腔组织构建体打印装置中生物打印平台的整体结构示意图；

图8为本实用新型管腔组织构建体打印装置中生物打印平台的局部结构示意图；

图9为本实用新型管腔组织构建体打印装置中旋转杆的结构示意图；

图10为本实用新型管腔组织构建体打印装置中加热件的结构示意图；

图11为本实用新型管腔组织构建体打印装置中加热件设置在旋转杆内部的结构示意图；

图12为本实用新型管腔组织构建体打印装置中旋转部的内部结构示意图；

图13为本实用新型管腔组织构建体打印装置中夹抱机构第一实施例的结构示意图；

图14为本实用新型管腔组织构建体打印装置中夹抱机构第一实施例在另一视角的结构示意图；

图15为本实用新型管腔组织构建体打印装置中夹抱机构第二实施例的结构示意图；

图16为本实用新型管腔组织构建体打印装置中夹抱机构第二实施例在夹抱管腔组织时的结构示意图。

各附图标记分别代表：

1、喷头组件；11、医用胶喷头；111、医用胶容器；112、医用胶喷嘴；113、医用胶活塞；12、生物砖喷头；121、螺杆泵；1211、螺旋定子；1212、螺旋转子；1213、入口连接件；122、生物砖喷嘴；123、保温壳；124、生物砖活塞；125、生物砖容器；126、半导体冷却板； 127、连接管；128、生物砖入口；129、保温套嘴；2、生物打印平台；21、旋转部；211、旋转杆；212、加热件；2121、加热段；2122、连接槽；2123、间隔段；213、温度检测件；214、密封圈；22、夹抱机构；221，221′、第一夹抱块；222，222′、第二夹抱块；223，223′、止退件；224、支撑平台；225、限位块；23、对接部；231、空心杆； 232、位移机构。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型的具体实施方式是为了便于对本实用新型的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所述的本实用新型的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个示意性的实施例中，如图1所示，管腔组织构建体打印装置包括喷头组件1和生物打印平台2，喷头组件1通过生物打印平台2将生物构建体打印在管腔组织的内表面上。

在该示意性的实施例中，通过设置喷头组件1和生物打印平台2，喷头组件1通过生物打印平台2将生物构建体打印在管腔组织的内表面上，避免管腔组织在长时间植入后血栓的再次发生和管腔再狭窄等问题的出现，提高了管腔组织的生物可靠性。其中，管腔组织尤其为人工血管，例如市售戈尔血管，将生物构建体打印在人工血管的内表面可以避免人工血管在长时间植入后血栓的发生。

在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个改进的实施例中，如图2和图3所示，喷头组件1包括医用胶喷头11，医用胶喷头11包括医用胶容器111和医用胶喷嘴112，医用胶容器111用于盛装医用胶，医用胶喷嘴112与医用胶容器111直接连接，医用胶容器111顶部通过气路与气泵连接，在气路中设有真空发生器，用于在非打印状态下对医用胶容器111产生负压。由于医用胶具有极好的流动性，在非打印状态时，由于重力的作用，医用胶也会缓慢的滴落，因此在气路中增加真空发生器，在非打印状态时，气路中存在一定的负压，负压与重力抵消，使得医用胶不再自由滴落。具体地或进一步地，如图 3所示，医用胶容器111顶部设有医用胶活塞113，医用胶活塞113 通过气路与气泵连接，气泵加压将医用胶从墨囊中挤出，真空发生器位于气泵和医用胶活塞113之间。

在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个改进的实施例中，如图2～图4所示，喷头组件1包括生物砖喷头12，生物砖喷头12包括螺杆泵121、生物砖喷嘴122以及生物砖容器125，生物砖容器125 用于盛装生物墨汁(生物砖)，生物砖容器125底部的出口通过连接管127和入口连接件1213与螺杆泵121的生物砖入口128相连通，生物砖容器125顶部设有生物砖活塞124，生物砖活塞124通过气路与气泵连接，气泵加压将生物墨汁从生物砖容器125挤出至螺杆泵121 内，螺杆泵121包括用于将进入螺杆泵121的生物砖挤出至生物砖喷嘴122的螺旋定子1211和螺旋转子1212，螺旋定子1211由硅胶材料制成。

由于生物砖的物理性质，当生物砖容器125的出口处较小时，生物砖无法被挤出，会在出口处形成堆积，即使增大压力，生物砖被挤碎都无法被挤出；同样的，即使对生物砖容器125出口处进行角度设计等手段，都无法将生物砖挤出。然而，打印的需求限定了生物砖不能大量被挤出，每次只能被挤出少量的几颗，因此只有将生物砖从生物砖容器125中送至螺杆泵121中，通过螺杆泵121挤出，螺杆泵121 自身的出口较大，每次挤出的生物砖数量依然大于了使用需求，因而在螺杆泵121的出口处设置了生物砖喷嘴122。

如图4所示，螺旋定子1211无法转动，螺旋转子1212相对于螺旋定子1211转动，螺旋转子1212上的凹槽形成腔室，每个腔室内只能装载少量的生物砖，生物砖随着螺旋转子1212的转动被送出至生物砖喷嘴122。由于目前生物墨汁材料的物理性质，打印需要在低温下(4℃)进行，现有的螺杆泵内的螺旋定子均采用的橡胶材料，橡胶材料在低温下会迅速老化，在打印时出现黑色粉末，本实用新型将螺旋定子1211改由硅胶制成，避免了打印时出现黑色粉末的问题。

为了避免在生物砖在打印时生物砖喷嘴122前端出口(图5画圈部分)出现“挂珠”现象(即：生物墨汁的黏度较大，生物砖被挤出后，不会直接滴落，而挂在喷嘴出口处，当后面的生物砖被挤出时，之前没有滴落的生物砖跟后面的堆在一起，成了一大滴液滴，挂在喷嘴出口处，当这一大滴液滴的重力大于摩擦力，才会滴下来)，在一个改进的实施例中，一方面，如图5和图6所示，生物砖喷嘴122的打印出口端具有倒角，倒角的倒角面与生物砖喷嘴122的打印出口的中心线的夹角为10°～30°，更进一步地，该夹角为20°，这样设计能够有效避免“挂珠”现象。另一方面，生物砖喷嘴122的打印出口端外表面的粗糙度Ra≤0.4，可以通过在生物砖喷嘴122外表面镀涂层/抛光，从而增加表面光滑度，能够更好地避免“挂珠”现象。

由于目前采用的生物墨汁在温度大于4℃的情况会趋于凝固，因此需要将生物砖喷头维持在4℃的环境温度中，在一些改进的实施例中，如图3所示，生物砖喷头12还包括位于螺杆泵121和生物砖容器 125背后的半导体冷却板126，半导体冷却板126能够通过热传导对生物砖喷头12进行降温。进一步地，如图3所示，生物砖喷嘴122外部设有保温套嘴129，保温套嘴129与生物砖喷嘴122外部之间具有一定的间隙，能够形成空气保温层。进一步地，如图2所示，在螺杆泵 121和生物砖容器125外部套设有保温壳123，保温壳123包括盒盖和覆盖在盒盖外表面的保温棉，保温棉能够进一步提高保温效果，减少喷头与环境的热交换，盒盖上设有透明窗口，用于观察生物砖容器125 内生物墨汁的盛装情况。

在一些改进的实施例中，管腔组织构建体打印装置还包括位移组件，用于移动喷头组件1，喷头组件1整体(生物砖喷头12和医用胶喷头11)可以在竖直方向上和水平方向上进行位移，医用胶喷头11 可以单独升降。喷头组件1在初始状态时，生物砖喷头12的出口处的水平位置位于医用胶喷头11出口处水平位置的下方；在打印时，位移组件将喷头组件1下降至一定高度后，生物砖喷头12挤出生物砖，完成管腔组织打印后，通过整体上升一段后，医用胶喷头11单独下降，进行医用胶打印。

在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个改进的实施例中，如图7和图8所示，生物打印平台2包括平台基座、旋转部21和可相对旋转部21移动的对接部23，旋转部21包括旋转杆211，用于承载生物砖和医用胶以形成生物构建体，对接部23包括空心杆231和位移机构232，空心杆231的外壁用于承载管腔组织，内腔用于容置旋转杆 211和生物构建体。

当在旋转杆211制得生物构建体后，空心杆231通过位移机构232 向旋转部21方向位移，旋转杆211和生物构建体进入空心杆231的内腔，套在空心杆231外部的管腔组织随着空心杆231位移到生物构建体外部；进一步地，空心杆231表面镀有铁氟龙层，能够避免医用胶与金属表面接触发生反应。空心杆231通过位移机构232再向反方向位移，管腔组织从空心杆231取下，继而套设在生物构建体外表面，完成组装得到人工组织前体。进一步地，旋转杆211的外壁覆盖有弹性膜，在进行生物构建体打印时，弹性膜呈自然状态即包覆在旋转杆 211表面，生物砖在弹性膜的表面组成生物构建体，这样利于取下生物构建体。更进一步地，如图9所示，旋转杆211的内部中空，旋转杆211的外壁上开有与内部连通的出气孔，用于将旋转杆211的内部的空气排出以撑起弹性膜，在生物构建体与管腔组织进行组装时，对旋转杆211内部通气，气体从出气口向外扩张将弹性膜撑起(可想象成气球被吹胀)，弹性膜表面的生物构建体随着弹性膜的膨胀向外位移，最终与管腔组织内壁接触并粘连在管腔组织内壁上，得到人工组织前体。实践表明，该实施方式操作简单，易于实现，具有较高的可实施性。具体的或进一步地，如图12所示，在旋转部21内部设有密封圈214，旋转杆211与密封圈214可拆卸连接，密封圈214的作用在于对旋转杆的内腔进行密封，使得充气撑起弹性膜的过程更加可控。

作为对上述实施例的改进，如图10和图11所示，旋转杆211的内部还设有加热件212。加热件212能够加快生物墨汁的凝固速度，缩短生物构建体制备时间，加热件212需要维持旋转杆表面温度为 37～38℃。进一步地，如图11所示，加热件212靠近对接部23的一端设有温度检测件213，用于检测加热件212的温度，从而实时维持旋转杆表面温度。

在一个具体的或改进的实施例中，如图10和图11所示，加热件 212包括间隔设置的加热段2121和间隔段2123，间隔段2123表面开有连接槽2122，加热段2121表面缠绕有电阻丝，间隔段2123表面不缠绕电阻丝，相邻的加热段2121之间的电阻丝从连接槽2122中穿过，加热段2121的直径小于间隔段2123的直径。加热件212和旋转杆211 间隙配合，间隔段2123的外壁与旋转杆211内壁相接触。设置间隔段的目的在于将加热件212套入旋转杆211时对电阻丝进行保护，避免组装时将电阻丝破坏。

对于如何将管腔组织从空心杆231取下，在一个改进的实施例中，如图7所示，生物打印平台2还包括夹抱机构22，用于在空心杆231 反方向位移时夹抱管腔组织以使其从空心杆231脱离并套接生物构建体，该实施方式易于实施，具有较高的可靠性。

具体地或进一步地，图13和图14示出第一实施例的夹抱机构的结构示意图，图15和图16示出第二实施例的夹抱机构的结构示意图，下面根据图13至图16对第一实施例和第二实施例的夹抱机构的结构进行详细说明。

如图13和图14所示，第一实施例的夹抱机构22包括可相对移动的第一夹抱块221和第二夹抱块222。第一夹抱块221和第二夹抱块 222的相对移动可以优选地通过设置导轨来实现。更进一步地，如图 14所示，夹抱机构22还包括设置在第一夹抱块221和第二夹抱块222 底部的限位块225，用于对第一夹抱块221和第二夹抱块222的相对移动进行限位，以使第一夹抱块221和第二夹抱块222与管腔组织的外壁相切，能够在组装人工组织前体的过程中，对管腔组织起到一定的限制作用。

为了尽可能地保证将管腔组织从空心杆231取下，在一个进一步的实施例中，如图13和图14所示，夹抱机构22还包括止退件223，用于在空心杆231反方向位移时作用于管腔组织的尾端以使其从空心杆231脱离，阻止管腔组织跟随空心杆231。止退件223，可以设置在第一夹抱块221和/或第二夹抱块222的尾端，也可以独立于第一夹抱块和第二夹抱块直接设置在夹抱机构上。更进一步地，止退件223配合设有作用于管腔组织的尾端的止退圈，使得管腔组织更易于从空心杆231脱离。再进一步地，如图14所示，夹抱机构22还包括设置在第一夹抱块221和第二夹抱块222底部的支撑平台224，用于支撑管腔组织。在管腔组织与生物构建体进行对接的过程中，支撑平台224 正好与管腔组织底部外壁相切，为管腔组织提供向上的力，避免管腔组织下坠。

如图15和图16所示，与第一实施例的夹抱机构的结构相似，第二实施例的夹抱机构也包括可相对移动的第一夹抱块221′和第二夹抱块222′以及止退件223′。与第一实施例不同的是，第二实施例的夹抱机构的第一夹抱块221′和第二夹抱块222′的相对移动通过设置丝杠螺母机构来实现。

第二实施例的夹抱机构的其他未说明的各部件和各部件之间的连接关系、功能、效果等可参照第一实施例。

在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个改进的实施例中，管腔组织构建体打印装置还包括设置在旋转杆211下方的储液池，用于承接从夹抱机构22脱离并下落的生物打印构建体。在完成打印组装后，由夹抱机构22将生物打印构建体抱住，旋转杆211整体向反方向退出，生物打印构建体位于储液池的正上方，并由夹抱机构22提供支撑；此时夹抱机构22撤去夹抱力，生物打印构建体竖直下落至储液池中。这样设计能够避免完成打印后由人工、机械臂等实施转移操作过程中引入新的污染，或是在操作过程中由于操作不当对打印血管内壁造成损伤等，便于成品包装等。

下面以图1～图14所示的实施例为例来说明本实用新型管腔组织构建体打印装置的人工组织前体的构建过程如下：

通过生物砖喷头12将生物墨汁在弹性膜表面构建生物构建体，再通过医用胶喷头11在生物构建体表面均匀挤出一层用于粘连生物砖和管腔组织的医用胶层；

当制得生物构建体后，空心杆231朝向旋转杆211进行运动，直至空心杆231完全套设在旋转杆211外部，此时管腔组织完全位于生物构建体外部，空心杆231朝向远离旋转杆211的方向进行运动，此时夹抱机构22阻止管腔组织跟随空心杆231运动，最终，空心杆231 与旋转杆211完全分开，但管腔组织依然留在生物构建体外部。由于机械结构的限制，此时管腔组织与生物构建体之间必然具有间隙，此时通过支撑平台224对管腔组织提供一个向上的力，避免管腔组织由于重力的作用向下运动导致生物构建体与人工血管之间的贴合不均匀。继而向旋转杆211内通气，将弹性膜撑起，使得生物构建体完全贴合在管腔组织内壁上，加热件212加热，加快生物墨汁凝固，最终得到人工组织前体，将人工组织前体从旋转杆211上取下即可。

由于打印好后的人工组织前体需要检测其内壁的平整度，在本实用新型管腔组织构建体打印装置一个改进的实施例中，管腔组织构建体打印装置还包括可在旋转杆211内部移动的光学探头，用于检测生物构建体内壁的平整度，旋转杆211由透明材料制成。将光学探头设计成可在旋转杆211内部移动的形式，在将人工组织前体从旋转杆211 上取下之前，移动光学探头，通过图像采集软件对生物构建体内壁进行拍照，判断打印的生物砖涂层是否完整和光滑平整，充分利用旋转杆211内部中空的结构，提高结构利用率，具有较高的可实施性。

对于如何实现光学探头可在旋转杆211内部移动，在一些改进的实施例中，光学探头固定设置在空心杆231内，例如将空心杆231设计为双层嵌套结构，第一层用于套设人工血管，第二层前端设置光学探头；旋转杆211也为双层结构，双层结构中的夹层内通气，用于撑起弹性膜，弹性膜仅覆盖在旋转杆211表面而不覆盖前端，这样是为了能够让光学探头伸入旋转杆211内。在组装过程中，管腔组织套设在生物构建体表面，光学探头也随空心杆231移动到生物构建体的最远端，当褪下管腔组织时，光学探头也随空心杆231移动到人工前提组织的最前端，从而在组装的过程中完成平整度检测。当然，在其他一些改进的实施例中，光学探头可移动地设置在空心杆231内，即光学探头相对于空心杆231独立运动，同样能够完成平整度检测。在其他一些改进的实施例中，光学探头可移动地设置在旋转杆211内，光学探头从旋转杆211内的一端移动到另一端，完成平整度检测。

本实用新型还提供了一种3D生物打印机，其包括上述的管腔组织构建体打印装置。由于本实用新型管腔组织构建体打印装置能够提高管腔组织的生物可靠性，相应地，本实用新型3D生物打印机也具有上述的有益技术效果，在此不再赘述。

以上结合的实施例对于本实用新型的实施方式做出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本实用新型的保护范围之内。