一种便携式3D生物打印设备的制作方法

本实用新型涉及生物打印技术领域，具体地说是涉及一种便携式3d生物打印设备。

背景技术：

3d打印技术是一种基于数字模型发展起来的新型制造技术,目前3d打印行业在各个领域都取得了长足的进步，在生物领域亦是如此。3d生物打印技术可通过调控支架结构、细胞分布和生物信号分子，将生物材料、细胞以及生长因子混合打印，其过程是首先读入由医学影像数据重建或设计的三维模型，将模型离散成多个片层，计算机控制打印喷头逐层"打印"打印由生物材料或细胞组成的"生物墨水"，不断重复这一过程，直至打印完成三维组织前体。随后，细胞开始重新组织、熔合，形成新的血管等组织结构。

目前，生物3d打印技术主要分为两大类：喷墨成型技术和挤压成型技术。其中气动式活塞挤出喷头利用压缩气体提供持续气压动力推动活塞挤出喷头内的生物打印材料使生物打印材料连续从微喷管中挤出成型。气动挤压成型具有成型材料范围广、柔性高、控制方便等优点。

但现有生物打印设备采用固定的成型平台还存在以下不足：受细胞打印工艺的限制,现有的细胞三维打印技术大多为操作单种成分的细胞和材料来构建较为简单的结构体,仅局限于某些简单的组织,例如骨组织、皮肤组织和肌键组织等；设备体积相对而言较大，不方便移动以及与生物领域专用设备如超洁净操作台、灭菌台等配合使用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提出一种便携式3d生物打印设备，具有可同时打印多种高分子材料、打印效率高、打印精度高、设备体积小便于携带等特点。

技术方案：本实用新型提出一种便携式3d生物打印设备，包括底座、第一z轴运动模组、第二z轴运动模组、x轴运动模组、双喷头装置、y轴运动模组和打印平台；所述第一z轴运动模组和第二z轴运动模组相互平行设置且固定于底座的相对的两侧；所述x轴运动模组的两端分别可滑动地固定于第一z轴运动模组和第二z轴运动模组上；所述双喷头装置包括分别固定于固定板上的高温喷头结构和常温喷头结构；所述双喷头装置通过固定板可滑动地固定于x轴运动模组上；所述打印平台位于所述双喷头装置的下方并且可滑动地固定于y轴运动模组上，所述y轴运动模组固定于底座上。

进一步，所述x轴运动模组包括x轴电机、x轴丝杆和螺纹套装在x轴丝杆上的x轴固定座，所述x轴电机和x轴丝杆通过x轴联轴器连接；所述x轴运动模组还包括平行于x轴丝杆的x轴滑轨；所述x轴固定座上固定有滑动嵌在x轴滑轨上的x轴滑块；所述双喷头装置通过固定板固定于x轴固定座上。

进一步，所述x轴运动模组还包括用于固定x轴电机的x轴电机连接件以及用于固定x轴丝杆的x轴固定端和x轴支撑端；所述x轴固定端通过x轴固定端连接件固定于x轴运动模组的外壳上；所述x轴固定端连接件上设有限制x轴滑块位移的x轴限位开关；所述x轴支撑端通过x轴支撑端连接件固定于x轴运动模组的外壳上。

进一步，所述高温喷头结构包括保温外壳和位于保温外壳内部的可拆卸的第一针筒；所述第一针筒的顶部接有第一转接器，所述第一转接器通过气管与气缸连接，所述第一针筒的底部设有第一喷嘴；所述保温外壳上设有第一螺纹孔，所述高温喷头结构通过第一螺纹孔固定于所述固定板上。

进一步，所述保温外壳内设有加热元件和热敏传感器。

进一步，所述加热元件为加热棒，所述热敏传感器为热电偶。

进一步，所述常温喷头结构包括第一固定件、第二固定件、位于第一固定件和第二固定件的开孔内的第二针筒；所述第二针筒的顶部接有第二转接器，所述第二转接器通过气管与气缸连接，所述第二针筒的底部设有第二喷嘴；所述第一固定件上设有第二螺纹孔，所述第二针筒通过第二螺纹孔固定于所述固定板上。

进一步，所述第一z轴运动模组包括第一z轴电机、第一z轴丝杆和螺纹套装在第一z轴丝杆上的第一z轴固定座，所述第一z轴电机和第一z轴丝杆通过第一z轴联轴器连接；所述第一z轴运动模组还包括平行于第一z轴丝杆的第一z轴滑轨；所述第一z轴固定座上固定有滑动嵌在第一z轴滑轨外的第一z轴滑块；所述x轴运动模组的外壳的一端可滑动地固定于第一z轴固定座上；所述第一z轴运动模组还包括用于固定第一z轴电机的第一z轴电机连接件以及用于固定第一z轴丝杆的第一z轴固定端和第一z轴支撑端；所述第一z轴固定端通过第一z轴固定端连接件固定于第一z轴运动模组的外壳上；所述第一z轴固定端连接件上设有限制第一z轴滑块位移的第一z轴限位开关；所述第一z轴支撑端通过第一z轴支撑端连接件固定于第一z轴运动模组的外壳上。

进一步，所述第二z轴运动模组包括第二z轴电机、第二z轴丝杆和螺纹套装在第二z轴丝杆上的第二z轴固定座，所述第二z轴电机和第二z轴丝杆通过第二z轴联轴器连接；所述第二z轴运动模组还包括平行于第二z轴丝杆的第二z轴滑轨；所述第二z轴固定座上固定有滑动嵌在第二z轴滑轨外的第二z轴滑块；所述x轴运动模组的外壳的一端可滑动地固定于第二z轴固定座上；所述第二z轴运动模组还包括用于固定第二z轴电机的第二z轴电机连接件以及用于固定第二z轴丝杆的第二z轴固定端和第二z轴支撑端；所述第二z轴固定端通过第二z轴固定端连接件固定于第二z轴运动模组的外壳上；所述第二z轴固定端连接件上设有限制第二z轴滑块位移的第二z轴限位开关；所述第二z轴支撑端通过第二z轴支撑端连接件固定于第二z轴运动模组的外壳上。

进一步，所述y轴运动模组包括y轴电机、y轴丝杆和螺纹套装在y轴丝杆上的y轴固定座，所述y轴电机和y轴丝杆通过y轴联轴器连接；所述y轴运动模组还包括平行于y轴丝杆的y轴滑轨；所述y轴固定座上固定有滑动嵌在y轴滑轨外的y轴滑块；所述打印平台可滑动地固定于y轴固定座上；所述y轴运动模组还包括用于固定y轴电机的y轴电机连接件以及用于固定y轴丝杆的y轴固定端和y轴支撑端；所述y轴固定端通过y轴固定端连接件固定于y轴运动模组的外壳上；所述y轴固定端连接件上设有限制y轴滑块位移的y轴限位开关；所述y轴支撑端通过y轴支撑端连接件固定于y轴运动模组的外壳上。

有益效果：本实用新型通过设置高温喷头结构和常温喷头结构，支撑结构和具有活性的填充物分别同时打印，弥补了普通水凝胶材料三维打印成型性能较差的不足，提高了打印效率，细胞成活率高，适用范围广泛；设置第一z轴运动模组、第二z轴运动模组、x轴运动模组以及y轴运动模组互相配合，打印成型误差小；同时各运动模组采用轴结构套装成型，打印设备结构稳定，拆卸方便，便于携带，操作简单。

附图说明

图1为本实用新型3d生物打印设备结构示意图；

图2为本实用新型x轴运动模组内部结构示意图；

图3为本实用新型x轴运动模组内部立体结构图；

图4为本实用新型x轴运动模组内x轴限位开关、x轴限位开关连接件以及x轴固定座连接件结构示意图；

图5为本实用新型双喷头装置的正视图；

图6为本实用新型双喷头装置部分结构爆炸图；

图7为本实用新型保温外壳结构示意图。

图中，1-x轴运动模组，101-x轴电机，102-x轴电机连接件，103-x轴联轴器，104-x轴丝杆，105-x轴固定端，106-x轴限位开关，107-x轴限位开关连接件，109-x轴固定座，112-x轴支撑端，114-x轴固定端连接件，115-x轴导轨，116-x轴滑块，118-x轴支撑端连接件，2-y轴运动模组，3-第一z轴运动模组，4-高温喷头结构，401-第一针筒，402-第一转接器，403-保温外壳，404-第一螺纹孔，405-第三螺纹孔，406-第一喷嘴，407-第四螺纹孔，5-常温喷头结构，501-第二针筒，502-第二转接器，503-第一固定件，504-第二固定件，505-第二螺纹孔，506-第二喷嘴，6-固定板，7-打印平台，8-底座，901-加热元件，902-热敏传感器，10-第二z轴运动模组。

具体实施方式

本实用新型提出一种便携式3d生物打印设备，如图1所示，包括底座8、第一z轴运动模组3、第二z轴运动模组10、x轴运动模组1、双喷头装置、y轴运动模组2和打印平台7；第一z轴运动模组3和第二z轴运动模组10相互平行设置且固定于底座8的相对的两侧；x轴运动模组1的两端分别可滑动地固定于第一z轴运动模组3和第二z轴运动模组10上；双喷头装置包括分别固定于固定板6上的高温喷头结构4和常温喷头结构5；双喷头装置通过固定板6可滑动地固定于x轴运动模组1上；双喷头装置的下方设有打印平台7，打印平台7可滑动地固定于y轴运动模组2上，y轴运动模组2固定于底座8上。

如图2和图3所示，x轴运动模组1包括x轴电机101、x轴丝杆104和螺纹套装在x轴丝杆104上的x轴固定座109，x轴电机101和x轴丝杆104通过x轴联轴器103连接。x轴运动模组1还包括平行于x轴丝杆104的x轴滑轨115；x轴固定座109上固定有滑动嵌在x轴滑轨115外的x轴滑块116。x轴电机101驱动x轴丝杆104转动，x轴丝杆104带动x轴固定座109运动，由于x轴滑轨115和x轴滑块116的限制作用，x轴固定座109只能在沿x轴滑轨115方向上往复运动。双喷头装置通过固定板6固定于x轴固定座109上，双喷头装置可由x轴运动模组1的驱动下沿x轴方向做往复运动。

x轴运动模组1还包括用于固定x轴电机101的x轴电机连接件102以及用于固定x轴丝杆104的x轴固定端105和x轴支撑端112；x轴固定端105通过x轴固定端连接件114固定于x轴运动模组1的外壳上；x轴支撑端112通过x轴支撑端连接件118固定于x轴运动模组1的外壳上。如图4所示，x轴固定端连接件114上设有限制x轴滑块116位移的x轴限位开关106，x轴限位开关106固定于x轴限位开关连接件107上，x轴限位开关连接件107固定于x轴固定座连接件114上。

如图5和图6所示，双喷头装置包括高温喷头结构4和常温喷头结构5。其中，高温喷头结构4包括保温外壳403和位于保温外壳403内部的可拆卸的第一针筒401，第一针筒401内部盛放生物打印材料。第一针筒401的顶部接有第一转接器402，第一转接器402通过气管与气缸连接，第一针筒401的底部设有第一喷嘴406，通过气缸向第一针筒401内部传送压力，气动挤压，将生物打印材料从第一喷嘴406喷出。保温外壳403上设有第一螺纹孔404，高温喷头结构4通过第一螺纹孔404固定于固定板6上。旋紧第一螺纹孔404中螺栓,可将高温喷头结构4固定于固定板6上；旋开螺栓时,高温喷头结构4便可拆卸取下。

如图7所示，保温外壳403上设有通孔，用于安装加热元件901和热敏传感器902。加热元件901为加热棒，热敏传感器902为热电偶，热电偶与保温外壳403相连，能对保温外壳403内的温度进行实时监控。当温度达到设定值时，加热棒停止加热，当温度偏离设定值时，加热棒重新开始加热。保温外壳403上设置有第三螺纹孔405和第四螺纹孔407，第三螺纹孔405和第四螺纹孔407内旋进螺栓，两个螺栓的帽檐分别固定加热棒和热变偶，防止脱落。

常温喷头结构5包括第一固定件503、第二固定件504以及第二针筒501，第一固定件503和第二固定件504中心具有开孔，第二针筒501置于第一固定件503和第二固定件504的开孔内；第二针筒501的顶部接有第二转接器502，第二转接器502通过气管与气缸连接，第二针筒501的底部设有第二喷嘴506，通过气缸向第二针筒501内部传送压力，气动挤压，将生物打印材料从第二喷嘴506喷出。第一固定件503上设有第二螺纹孔505，第二针筒501通过第二螺纹孔505固定于所述固定板6上。旋紧第二螺纹孔505中螺栓,可将第二针筒501固定于固定板6上；旋开螺栓时,第二针筒501便可拆卸拿出。

本发明的双喷头结构，高温喷头结构4具备加热保温功能，能够打印支撑性能较好的熔融挤出生物材料，如pcl，pla等，其作为组织工程支架的支撑结构的材料构成；常温喷头结构5用于打印常温水凝胶，如海藻酸钠，透明质酸等，其作为组织工程支架的活性填充物的材料构成，同时，该结构设计可减轻机构负载。

该装置可用于打印两种材料构成的组织工程支架，支撑结构和具有活性的填充物分别同时打印，弥补了普通水凝胶材料三维打印成型性能较差的不足，提高了打印效率。

第一z轴运动模组3、第二z轴运动模组10以及y轴运动模组2内部结构与x轴运动模组1内部的结构相同。

第一z轴运动模组3包括第一z轴电机、第一z轴丝杆和螺纹套装在第一z轴丝杆上的第一z轴固定座，所述第一z轴电机和第一z轴丝杆通过第一z轴联轴器连接；所述第一z轴运动模组还包括平行于第一z轴丝杆的第一z轴滑轨；所述第一z轴固定座上固定有滑动嵌在第一z轴滑轨外的第一z轴滑块；x轴运动模组1的外壳的一端可滑动地固定于第一z轴固定座上；所述第一z轴运动模组还包括用于固定第一z轴电机的第一z轴电机连接件以及用于固定第一z轴丝杆的第一z轴固定端和第一z轴支撑端；所述第一z轴固定端通过第一z轴固定端连接件固定于第一z轴运动模组的外壳上；所述第一z轴固定端连接件上设有限制第一z轴滑块位移的第一z轴限位开关；所述第一z轴支撑端通过第一z轴支撑端连接件固定于第一z轴运动模组的外壳上。

第二z轴运动模组10包括第二z轴电机、第二z轴丝杆和螺纹套装在第二z轴丝杆上的第二z轴固定座，第二z轴电机和第二z轴丝杆通过第二z轴联轴器连接；第二z轴运动模组还包括平行于第二z轴丝杆的第二z轴滑轨；第二z轴固定座上固定有滑动嵌在第二z轴滑轨外的第二z轴滑块；x轴运动模组1的外壳的一端可滑动地固定于第二z轴固定座上；第二z轴运动模组还包括用于固定第二z轴电机的第二z轴电机连接件以及用于固定第二z轴丝杆的第二z轴固定端和第二z轴支撑端；第二z轴固定端通过第二z轴固定端连接件固定于第二z轴运动模组的外壳上；第二z轴固定端连接件上设有限制第二z轴滑块位移的第二z轴限位开关；第二z轴支撑端通过第二z轴支撑端连接件固定于第二z轴运动模组的外壳上。

第一z轴电机驱动第一z轴丝杆转动，第一z轴丝杆带动第一z轴固定座运动，由于第一z轴滑轨和第一z轴滑块的限制作用，第一z轴固定座只能在沿第一z轴滑轨方向上往复运动。同理，第二z轴电机驱动第二z轴丝杆转动，第二z轴丝杆带动第二z轴固定座运动，由于第二z轴滑轨和第二z轴滑块的限制作用，第二z轴固定座只能在沿第二z轴滑轨方向上往复运动。x轴运动模组1的外壳的一端可滑动地固定于第一z轴固定座上，x轴运动模组1的外壳的另一端可滑动地固定于第二z轴固定座上，x轴运动模组1可沿z轴方向往复运动，进而调整双喷头装置在z轴方向的位置。

y轴运动模组2包括y轴电机、y轴丝杆和螺纹套装在y轴丝杆上的y轴固定座，y轴电机和y轴丝杆通过y轴联轴器连接；y轴运动模组还包括平行于y轴丝杆的y轴滑轨；y轴固定座上固定有滑动嵌在y轴滑轨外的y轴滑块；y轴运动模组还包括用于固定y轴电机的y轴电机连接件以及用于固定y轴丝杆的y轴固定端和y轴支撑端；y轴固定端通过y轴固定端连接件固定于y轴运动模组的外壳上；y轴固定端连接件上设有限制y轴滑块位移的y轴限位开关；y轴支撑端通过y轴支撑端连接件固定于y轴运动模组的外壳上。

y轴电机驱动y轴丝杆转动，y轴丝杆带动y轴固定座运动，由于y轴滑轨和y轴滑块的限制作用，y轴固定座只能在沿y轴滑轨方向上往复运动。打印平台7可滑动地固定于y轴固定座上，打印平台7可由y轴运动模组2的驱动下沿y轴方向做往复运动。

本实用新型的3d生物打印设备适用于多种生物材料，适用范围广泛，如：磷酸三钙、钛合金、珍珠质、羟基磷灰石等用于骨组织修复和再生材料；明胶、藻朊酸盐、纤维蛋白、骨胶原等用于软组织支架材料；胚胎干细胞、脂肪干细胞、肝细胞、骨髓间充质干细胞等用于生物结构和器官打印的活细胞材料；聚乳酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚羟基烷酸酯等用于可控释放药物的材料；聚氨酯、硅酮等用于医疗辅具的材料。在打印活细胞材料时，可盛装培养液的敞口容器中盛装适量培养液，通过y轴运动模组调节打印平台的位置，保证打印好的生物材料浸没于适当的培养液中，以保持细胞的生物活性。

本实用新型的3d生物打印设备的工作原理和工作过程如下：

（1）通过扫描和设计出三维实体模型,利用上位机处理软件对模型进行切片处理；

（2）选择实验材料,按照合适的比例,配置所需的高分子生物材料溶液并置于双喷头装置内；

（3）将切片得到的数据信息输入第一z轴运动模组、第二z轴运动模组、x轴运动模组以及y轴运动模组,进而控制双喷头装置在x轴、z轴方向运动,打印平台在y轴方向上运动，喷嘴在气压作用下喷射生物材料液滴,高温喷头结构4打印支撑结构，同时常温喷头结构5打印具有活性的填充物；一层加工完毕后,喷嘴上升一个层厚,进行第二层打印,如此逐层叠加成形；

（4）喷嘴喷出的高分子溶液与打印区域内的基底溶液在化学交联作用下完成固化过程。