一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头的制作方法

本发明涉及一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头，属于机械学科，生物制造领域。

背景技术：

传统方法（如静电纺丝技术，倒模技术灌注或传统3D打印技术堆积而成）制备的人工血管，内壁表面无真实血管的褶皱特征，移植作用后易形成血栓。与普通制备人工血管的方法与设备相比，通过超声螺旋振动喷头，利用同轴直写方式制备小口径人工血管，且人工血管表面可形成螺旋褶皱，使之更接近真实血管表面生理结构，当血液流经血管形成螺旋流对血管内壁进行冲刷，从而起到抑制血栓形成的作用。

目前，随着生物3D打印的兴起，利用海藻酸钠、壳聚糖等可快速反应交联固化的水凝胶作为药物与细胞的载体材料，以同轴直写的方式直接成形中空纤维，作为人工血管或以其为基本单元沉积成一定几何形状的生物支架，在组织工程、制药及临床医学等领域具有很好的应用前景。利用此方法制备人工血管已经成为生物制造领域一大研究热点。通过在直写挤出装置上合理地施加超声螺旋振动，使得水凝胶挤出时，与振动芯部接触的人工血管材料受到沿挤出方向上的纵扭复合振动应力，形成一定层厚的微尺度的螺旋流，并最终在交联固化管状纤维内壁上复映出螺旋褶皱的表面形貌。

国际专利文献（申请号PCT/CN2014/078238）涉及一种医用生物组织结构及其制备方法和专用设备的制作方法和专用设备,基于粘附交联固化原理，利用同轴喷头挤出中空管，再将生物材料喷涂粘附到中空管上形成功能层，然后逐层堆积形成复合形成体，最后将合成高分子溶液喷在复合成形体外表面，最终形成三维结构体,该装置工艺过程较复杂。而在此专利的基础上，中国专利文献（申请号CN201410589938.1）涉及一种血管化生命结构体一站式制备方法，其定位于生命结构体的集成制造，实现细胞、结构材料、生长因子等多尺度对象的同时加工，从而大大降低传统生物制造的复杂程度。制备系统由注射泵、两个医用活塞式注射器、同轴喷头组成，通过生物材料原液与交联剂原液在注射泵的推动下分别通入同轴喷头，随着两流体的接触，由同轴喷头挤出交联固化的中空纤维，此种设计方法具备多目标、多尺度、工艺简单等优点。但以上两专利均不能挤出具有螺旋褶皱的交联固化的中空纤维，与上述两专利装置不同，本设计芯部采用超声变幅杆与不锈钢针头或相连接，且变幅杆上有螺旋槽分布，通过安装超声螺旋振动喷头，使水凝胶挤出时沿挤出方向有一个纵扭复合的振动从而挤出内壁具有螺旋褶皱的交联固化的中空纤维使水凝胶挤出时沿挤出方向有一个纵扭复合的振动从而挤出内壁具有螺旋褶皱的交联固化的中空纤维。

技术实现要素：

本专利为了解决现有设备和方法制备的人工血管不能形成血管内表面螺旋褶皱的缺点，采用超声螺旋振动喷头，使交联固化的水凝胶挤出时会有一个沿挤出方向上的纵扭复合振动，与之接触的人工血管材料则会在其作用下复映出螺旋褶皱的表面形貌，使之更加接近血管生理特征。

为了实现上述目的，本专利采用如下方案：一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头，包括超声换能器（101），中空的螺旋沟槽式超声变幅杆（102），固定支架（103），内针头或实心针头（104），外针头（105），换能器外壳（106），固定螺栓（107），法兰盘（108），特制三通（109），塔型防倒吸橡胶垫（110），加热棒（111）如图1。其特征在于：换能器外壳（106），超声换能器（101），变幅杆和内针头或实心针头（104），外针头（105）同轴安装，外针头（105）与内针头或实心针头（104）的同轴度通过各自与特制三通（109）的内外圆柱面的配合来保障，外针头（105）与特制三通（109）采用过盈配合。换能器外壳（106）下端通过固定螺栓（107）连接到法兰盘（108），特制三通（109）的上端也通过固定螺栓（107）连接到法兰盘（108），内针头或实心针头（104）与螺旋沟槽式超声变幅杆（102）下端螺旋连接, 中空的螺旋沟槽式超声变幅杆（102）表面有均匀分布的螺旋沟槽,加热棒(111)嵌在特制三通（109）里。

所需特制三通（109），其材料选用铝合金，其与变幅杆的同轴度，通过上部圆形面与法兰盘（108）圆形面相互接触，用多个螺栓紧密连接保证，在特制三通（109）壁厚中装入小型圆柱形的加热棒(111)，用于挤出过程中的加热。

所需加热棒(111)，选用加热棒大要与特制三通（109）壁厚相适应，所以选用体积较小型的，便于安装；所选加热棒通过耐热导线与电子显示器连接，且工作过程中必须与热电偶配合使用，直至达到所需温度。

一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头，其特征在于：如图2，制备中空纤维操作如下，将材料原液通过三通凸台（201）流入内腔，交联剂通过内针头内腔（202）或实心针头在底部与材料原液接触，并立即交联固化，由于存在纵扭复合的振动，最终复映出内壁上有螺旋褶皱表面形貌的交联固化管状纤维（203）。

一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头，其具体制备操作步骤如下：

1.原液制备：将生物材料及其交联剂以相应的溶剂按设定比例分别配制成生物材料原液和交联剂原液，本专利中生物材料原液和交联剂原液分别采用交联剂选用4%的海藻酸钠溶胶和3%氯化钙溶液；

2.设备连接：将超声波发生器与超声换能器连接，不锈刚内针头或实心针头与变幅杆螺旋连接，外针头与特制三通连接，最后三通与法兰盘连接，以上皆是同轴安装；

3.交联剂与生物材料原液的释放：4%的海藻酸钠溶胶从三通凸台处流入，并沿内针头下流，3%氯化钙溶液从内针头流出，出口处与生物材料原液交联，此过程由注射泵提供挤压动力，同时通过超声换能器的转换将机械波传递给螺旋沟槽式超声变幅杆，从而给不锈刚内针头或实心针头一个纵扭复合的振动；

4.中空纤维制备：4%的海藻酸钠溶胶和3%氯化钙溶液交联在外针头内形成同轴流体，所形成的环形生物材料原液被芯部的交联剂原液交联固化，出离外针头后即形成带有螺旋褶皱的管状的中空纤维；

5.试验结束关闭注射泵，断开与超声发生器的连接。

本发明与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步

1.本专利中，中空的螺旋式变幅杆配合特制三通既可满足单一材料的挤出也可满足两种材料的交联挤出；

2.现有制备的人工血管多为无表面螺旋褶皱形态，本专利利用螺旋沟槽式超声振子，纵向分量和扭转分量得以增大，制备的带有螺旋褶皱的人工血管更接近生理环境下的血管结构；

3.本专利中在特制三通中嵌入发热棒，可以在单一材料挤出过程中对其加热使其保持熔融状态；

4.本专利中换能器外壳起保护作用，其结构上又开出多个孔，在其工作时起到散热的作用；

5.塔型防倒吸橡胶垫可以阻挡实验材料涌入三通上半段，防止对变幅杆产生影响。

附图说明

图1是一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头剖视结构示意图；

图2是超声同轴喷头下部挤出部分剖视结构示意图；

图3是一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头结构俯视图；

图1中，超声振动换能器（101），螺旋沟槽式超声变幅杆（102），固定支架（103），内针头或细实心针棒（104），外针头（105），换能器外壳（106），固定螺栓（107），法兰盘（108），特制三通（109），塔型防倒吸橡胶垫（110），加热棒(111)；

图2中三通凸台（201），内针头内腔（202），有螺旋褶皱表面形貌的交联固化管状纤维（203）。

具体实施方式

参见图1，图2，图3，图中， 一种制备内壁具有螺旋褶皱的人工血管的超声同轴喷头，包括超声换能器（101），螺旋沟槽式超声变幅杆（102），固定支架（103），内针头或实心针头（104），外针头（105），换能器外壳（106），固定螺栓（107），法兰盘（108），特制三通（109），塔型防倒吸橡胶垫（110），加热棒（111），三通凸台（201），内针头内腔（202）。

特制三通（109）的上端通过固定螺栓（107）连接到法兰盘（108），换能器外壳（106）下端通过固定螺栓（107）连接到法兰盘（108），换能器外壳（106）与特制三通（109）同轴向连接，固定支架（103）也与变幅杆上的法兰盘（108）相连接，并用固定螺栓（107）连接紧固，超声换能器（101）连同整个变幅杆开有通孔，可以实现材料的进入。

特制三通（109）下端同轴向连接有外针头（105），外针头（105）与特制三通（109）下端连接处采用过盈配合，内针头或实心针头（104）与螺旋沟槽式超声变幅杆（102）下端螺旋连接,螺旋沟槽式超声变幅杆（102）表面有均匀分布的螺旋沟槽,加热棒(111)嵌在特制三通（109）的壁厚中，塔型防倒吸橡胶垫（110）大端朝上固定于特制三通（109）内腔中，防止底部液体倒吸进入特制三通（109）腔中，同时内针头或实心针头（104）贯穿塔型防倒吸橡胶垫（110）。

换能器外壳（106），超声换能器（101），螺旋沟槽式超声变幅杆（102）和内针头或实心针头（104），特制三通（109）以及外针头（105）应保持同一同轴度。

本实用新型结构可以满足，通过施加超声，对单一可塑材料利用加热棒(111)进行加热，从内针头或实心针头（104）挤出，使其表面具有螺旋纹理，也可以利用三通凸台（201）配合内针头或实心针头（104）进行两种材料的混合挤出。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。