一种具有包裹功能的喷头装置的制作方法

本发明专利涉及组织工程领域中的喷头制造技术，涉及到一种自动控制生物材料包裹的喷头装置。

背景技术：

近年来，3D生物打印技术在生物工程方面的应用，为器官疾病患者、皮肤烧伤患者、多器官药物筛选、血管的构造等带来了惊喜和希望，随着3D生物打印技术的发展，接近上百万的疾病患者将通过3D生物打印的方式获得新生。然而，活细胞打印面临一个很大的问题，即通过打印获得的组织或器官的免疫排斥现象，这是全世界科研学者都面临着的亟待解决的问题。据统计，中国的器官库存量非常低，远不够器官移植的需求，中国每年因为尿毒症须接受肾脏移植的大约有12万例，而仅有二十分之一的患者有机会接受肾脏移植；而肝脏移植的疾病患者有一百万左右，每年仅有三四千人有机会接受肝脏移植手术。对此，人们采用传统的器官移植的方法以及动物器官移植的方法来解决，这都将可能导致人体免疫器官排斥现象，经器官移植的病人需要长期服用抗免疫药物，才能使疾病患者能继续得到生存，这不仅加重了病人的经济负担，而且使病人的健康得不到保证。然而，3D生物打印的出现可解决这一问题。

3D生物打印实质是通过压力反馈控制系统，控制墨盒中的活性的生物材料和包裹材料均匀地打印在生物支架上，形成器官的形状，然后利用促生长因子在人体体液的环境下将打印成型器官原型进行诱导分化形成具有相应功能的器官。完成上述过程最主要的限制因素是喷头控制装置的设计。即如何实现细胞或活性生物材料的包裹、实现生物颗粒的均匀排布、精确控制生物颗粒排列个数等问题。

基于以上对器官、皮肤、药物筛选等需求以及喷头设计要求的问题，本发明专利公布了一种具有包裹功能的喷头装置。

技术实现要素：

本发明专利的目的是针对现有的3D生物打印机喷头制造存在的缺点以及专利（CN201520289726.1）在实际应用的缺陷，研发适用于活性生物材料打印的喷头，该喷头可实现细胞或活性生物材料的包裹，实现包裹微粒的均匀分布，通过该喷头装置可更好地保护细胞或活性生物材料活性。

为达到以上设计目的，本发明专利采取以下设计方案：

一种具有包裹功能的喷头装置，其特征在于喷头机构包括喷头主体、锥定位、针头、紧定螺母、快速接头、密封螺钉和毛细管。锥定位件和喷头主体之间通过螺纹固定并通过锥度实现定位；毛细管与锥定位件之间通过间隙配合实现定位，通过粘结的方式实现固定；针头通过紧定螺母与喷头主体进行固定，通过喷头主体的出口端锥度实现定位，从而达到锥定位件与针头的同轴度要求；装有生物材料的墨盒和装有包裹材料的墨盒分别与快速接头相连；该喷头控制系统还包括气压自动控制回路，该气压回路由比例阀、减压阀、控制器、过滤器、气源等组成，该气压控制回路可通过比例阀的控制获得连续压力和非连续压力，从而实现不同的包裹效果。

一种具有包裹功能的喷头装置的工作原理：首先，调节减压阀的压力为1MPa，保持比例阀之前的气路压力为1MPa，比例阀处于关闭状态；其次，控制器控制比例阀的开口度，使后续压力回路中压力0-1MPa之间变化；最后，通过压力控制墨盒中生物材料流量，进而控制喷头中生物材料和包裹材料的流速，实现生物材料包裹和均匀的挤出。

在上述的具有包裹功能的喷头装置中，毛细管与针头需满足同轴度要求。

在上述的具有包裹功能的喷头装置中，锥定位件方便安装且易拆卸，通过改变毛细管的直径，控制细胞或活性生物材料的输出速率和直径，且细微孔不需要再加工。

在上述的具有包裹功能的喷头装置中，针头方便安装且易拆卸，并且可通过改变针头的直径，控制生物材料的挤出直径。

在上述的具有包裹功能的喷头装置中，该装置具有加工制造简单的特点，针头和毛细管通过外购的方式获得，采用粘结的方式固定毛细管，针头采用紧定螺母的方式固定，该装置克服了专利（CN201520289726.1）中内筒和外筒传统微长孔加工的问题，并有效的减小了喷头整体的尺寸和加工周期，提高了喷头整体的安装精度并大幅度节约成本，且能控制毛细管的直径范围在0.05mm~0.8mm之间。

在上述的具有包裹功能的喷头装置中，该喷头系统包含控制器、比例阀、电磁阀、传感器等共同构成气压反馈调节回路，使气压回路中的压力保持稳定。

与现有的喷头技术相比，本自动控制生物材料包裹的喷头装置具有以下优点：

1）该装置可实现细胞和活性生物材料的包裹，实现包裹后的颗粒按等间隔均匀分布。

2）通过自动控制比例阀的开口度，保持墨盒中的压力连续稳定和非连续性变化，实现生物材料包裹和等间隔均匀分布。

3）通过该具有包裹功能喷头结构的设计，可减少细胞和活性生物材料的死亡率，并提高生物材料的粘附率。

附图说明

图1喷头装置示意图

图2喷头装置的剖面示意图

图3自动气压调节回路示意图

图4压力调节示意图

图中1、快速接头；2、快速接头；3、锥定位件；4、喷头主体；5、紧定螺母；6、针头，7、密封螺钉；8、毛细管；9、气源；10、减压阀；11、两联件； 12、比例阀；13、电磁阀；14、压力传感器；15、墨盒；16、喷头装置；17、控制器。

具体实施方式

为进一步阐述本发明专利的可行性、实用性以及操作简便型，本发明将结合示意图对发明专利进行详细的描述。

一种具有包裹功能的喷头装置，如图1和2所示，包括快速接头1、快速接头2、锥定位件3、喷头主体4、紧定螺母5、针头6、密封螺钉7、毛细管8。喷头主体4与锥定位件3之间通过螺纹固定且通过锥定位保持同轴度要求，该结构可防止包裹材料外泄；针头6通过紧定螺母5与喷头主体4固定，通过喷头主体4锥度设计实现针头6定位从而达到同轴度要求；密封螺钉7起到密封的作用，防止包裹材料或活性生物材料外泄。

图3为喷头的气压自动反馈调节控制回路，气源9通过减压阀10、两联件11、比例阀12、电磁阀13、压力传感器14、墨盒15、喷头装置16、控制器17等，该气压控制回路可实现压力连续和非连续调节，如图4所示，且能维持回路中压力的稳定。

快速接头1和快速接头2分别为生物材料和包裹材料入口，生物材料和包裹材料在不同的压力下通过入口进入喷头主体4，通过控制比例阀12实现包裹材料和生物材料均匀排出。当外接电磁阀13采用非连续性控制时，压力变化如图4中（2）所示，当输出的压力为p1时，细胞或活性生物材料颗粒受力较小，颗粒将不会被挤出；当输出的压力为p2（p2>p1），细胞或活性生物材料颗粒所受的挤出力将克服阻力实现颗粒的挤出，从而实现生物材料等间隔均匀排布。

当电磁阀13采用连续性控制时，压力变化如图4中（1）所示。若内腔流体的压力大于外腔流体的压力，即p1>p2,细胞或活性生物材料将被外层包裹材料包裹后连续不断的流出；若内腔流体的压力小于外腔流体的压力，即p1<p2，外腔的压力较大，则在内腔产生负压，随着外腔包裹材料的不断流动，生物材料将被吸出，按照一定尺寸均匀排布。

本发明专利所设计的喷头装置进行细胞或生物材料包裹的具体步骤：

1）搭建气压反馈控制回路系统，该气路控制系统主要包括气源、减压阀、比例阀、电磁阀、控制器等，通过该气路为墨盒提供持续稳定的压力；

2）将气压反馈调节装置与比例阀联接，从而控制比例阀开口度，实现气压回路中的压力的调节；

3）将1）中提到的气路回路反馈系统与墨盒联接，墨盒与喷头装置进行联接，检查回路避免漏气；

4）通过2）中反馈调节装置，控制1）中电磁阀的为连续控制，分别保持不同的腔体内压力的稳定，实现生物材料连续挤出；

5）通过2）中气压反馈调节装置，控制1）中电磁阀的为非连续控制，从而控制细胞或活性生物材料以颗粒形式按照一定间距均匀排列。

本发明通过喷头装置和气压反馈控制回路实现细胞或活性生物材料包裹和等间距均匀排列，气路反馈控制系统与墨盒连接，墨盒与喷头装置连接，喷头装置与压力传感器连接，压力传感器与信号处理器连接，信号处理器与分析器连接，分析器与控制器连接，控制器与比例阀连接。

分析器接受来自压力传感器的信息并做出反馈，控制器控制比例阀开口度，压力传感器获取压力值将模拟信号转变成数字信号，然后传送到分析器，分析器即计算机，对压力数据进行分析，形成反馈控制指令。

本发明专利并不局限于上诉实施方式，如果对本发明专利的各种改动和变型不脱离本发明专利的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明专利的权利要求和等同技术范围之内，则本发明专利也意图包含这些改动和变型。

尽管本文较多地使用了1、快速接头，2、快速接头，3、锥定位件，4、喷头主体，5、紧定螺母，6、针头，7、密封螺钉，8、毛细管，9、气源，10、减压阀，11、两联件，12、比例阀，13、电磁阀，14、压力传感器，15、墨盒，16、喷头装置，17、控制器等术语，但并不排除其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更好地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。