基于低温胶状生物材料3D打印的快换式多工位喷头的制作方法

本发明专利涉及一种生物组织制造适用的生物材料(用于制备皮肤支架的胶原/纳米纤维素复合材料，胶状物，制备过程中需要避免接触高温)冷凝挤压成型的气动控制的快换式多工位3D打印喷头结构，用于细胞和生物材料的打印，属于组织工程技术和生物3D打印领域。

背景技术：

人体组织器官的移植，对于受损大块软组织及内脏器官的患者是一种极为有效的治疗手段。但由于存在器官供体来源短缺，免疫排斥等诸多问题，器官移植在实际的运用中存在难以克服的困难。组织工程的提出为解决上述问题提供了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者人工制备的生物支架上，构建功能组织替代物。通过将构建的组织体替代物进行培养后植入患者体内，替代原有的病变组织器官的方法来恢复原有的身体机能，实现对患者的治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就是组织工程良好发展前景的有效例证。

传统的组织工程研究一直受到细胞植入技术的限制，即在“将细胞植入到支架上”这一技术环节中，无法将不同种类的生物质材料和细胞准确地定位到支架内部的不同位置上。实际上，随着组织工程研究的发展，研究工作逐渐向大块软组织及内脏器官方面延生，这些组织和器官往往需要由多种细胞和生物材料组成，不同的细胞或者材料又具有各自的空间排布，因此上述技术局限性引发的问题更加凸显。

近年来，3D打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。3D打印技术的推广，也在生物领域内得到了很多新的应用，生物材料打印，细胞三维受控组织等技术也应运而生。这些技术可以针对单个细胞或单成分微小尺寸液滴进行操作，精确地控制操作对象的空间位置，这对于实现大块组织和器官构建过程中不同种细胞和生物材料的空间位置沉积有着巨大的意义。因此，生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势，如能克服不同材料的在不同温度环境下符合打印的问题，就可以实现大块组织和器官的快速成型。在一个典型的生物打印机中，喷头和供料、储料装置是打印机性能的核心体现。

浙江大学研究的面向多种材料打印的旋转切换方式生物3D打印喷头实现了单喷头对多种材料的打印，对于一些高温材料是可行的，但是对于一些低温材料或胶状材料而言，实现多种材料的复合打印仍然存在困难。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对需要冷凝挤压的生物材料, 特别是胶原蛋白/纳米纤维等在温度30℃以下才能更好保证材料性能的复合材料,提供一种即基于低温胶状生物材料3D打印的快换式多工位喷头。通过气动挤压下保证挤出冷凝材料具有良好的力学性能和结构特征，同时通过气动控制快速调整喷头，使在空闲、挤压、注料等三个工位间实现快速切换，实现多种材料的复合打印，提高了生产效率，为以后此类设备的设计提供了借鉴作用。

本发明的技术方案是：基于低温胶状生物材料3D打印的快换式多工位喷头，其特征是，包括上下封口的空心储料桶、供/出料桶、连接于供/出料桶下端的针头，所述储料桶中心位置纵向设有安装供/出料桶的空腔，供/出料桶插入该空腔内，并可上下移动，且空腔的腔壁与供/出料桶的侧壁贴合，所述针头与供/出料桶内部相通；

所述储料桶空腔的腔壁上部、腔壁下部分别设有小孔，所述供/出料桶侧壁的上部、下部也分别设有小孔，供/出料桶的上、下孔孔距小于储料桶的上、下孔孔距；

所述储料桶顶部连接有挤压装置或注料装置，所述挤压装置包括挤压上盖、挤压下盖、挤压活塞，挤压上盖压盖于环形挤压下盖顶部，挤压活塞置于挤压下盖内，所述挤压活塞和供/出料桶顶端连接固定，挤压下盖和储料桶顶端连接固定；所述挤压上盖处设有连接于不同空气压缩机的气压阀口1和气压阀口2，挤压上盖、挤压下盖、挤压活塞围构成密闭腔体，气压阀口1与该密闭腔体联通，气压阀口2与储料桶内部联通；

所述注料装置包括注料活塞、注料盖，注料活塞置于注料盖内，注料活塞与供/出料桶顶部连接固定，注料盖和储料桶顶端连接固定；注料盖处设有连接于空气压缩机的气压阀口3以及与注料液压机连接的液压阀口，注料活塞、注料盖形成密闭腔体，气压阀口3与该密闭腔体联通，液压阀口与供/出料桶内部联通；

当喷头处于空闲工位：储料桶的上下孔和供/出料桶的上下孔相互错开，此时储料桶和供/出料桶为两个相互隔开的空间，物料无法流通；

当喷头处于挤压工位：将挤压装置与储料桶连接，气压阀口1进气推动挤压活塞向下运动，使供/出料桶下部小孔与储料桶下部小孔重合，气压阀口2进气向储料桶内输入压力，推动储料桶内的物料经下部小孔流入供/出料桶内，进入针头完成打印；

当喷头处于注料工位：将注料装置与储料桶连接，通过气压阀口3抽气，注料活塞与供/出料桶一起上升，使供/出料桶上部小孔与储料桶上部小孔重合，物料通过液压阀口进入供/出料桶，并经由供/出料桶上部小孔进入储料桶，完成物料的快速补充。

所述储料桶为聚乙烯塑料材质，下部为密闭锥型。

所述供/出料桶为金属材料制成。

所述储料桶空腔腔壁的上、下孔孔径为3mm，孔距30mm。

所述供/出料桶侧壁的上、下孔孔径为3mm，孔距20mm。

所述储料桶与挤压装置或注料装置通过电磁继电器连接。

所述储料桶顶部外壁设有凸缘，该凸缘处贴有铁片，便于电磁继电器进行抓取。

所述针头采用螺纹连接到供/出料桶下端。

所述针头为注射针头或自制针头。

本发明利用储料桶和供/出料桶之间的相互移动实现喷头在三个工位之间的快速转换，空闲工位下物料储存在储料桶内，挤压成型过程中通过供/出料桶下方的小孔进入供/出料桶，通过针头完成打印成型，注料工位下物料通过供/出料桶上方的小孔进入储料桶，完成物料的快速补充。通过供/出料桶储料桶与挤压装置、注料装置之间通过电磁继电器连接，可以实现不同储料桶的快速切换，通过气动阀门控制挤压活塞或注料活塞，可以快速切换供/出料桶在储料桶中的位置，完成不同工位的快速切换。只有当供/出料桶处于挤压工位，并且气动阀口打开有高压通过挤压装置进入储料桶，推动料筒中的液体材料通过喷头喷出，当空气阀门闭合，喷头内的气体被放出实现气压平衡喷头停止喷出气体。

本发明专利的有益效果：这一类型的3D打印的喷头可以备至水溶液，胶体，浆料等液体物质。可以让打印机在多个储料桶，多个工位间快速切换，为多种生物材料的复合打印提供了可能。

附图说明

图1（a）、（b）、（c）为本发明分别在空闲工位、挤压工位、注料工位下的结构图；

图2（a）、（b）、（c）为本发明分别在空闲工位、挤压工位、注料工位下的主视图；

图3（a）、（b）、（c）为本发明分别在空闲工位、挤压工位、注料工位下的俯视图；

图4（a）、（b）、（c）为本发明分别在空闲工位、挤压工位、注料工位下挤出成型单元示意图；

图中：1储料桶、2供/出料桶、3针头、4挤压上盖、5挤压下盖、6挤压活塞、7电磁继电器、8注料活塞、9注料盖、10气压阀口1、11气压阀口2、12气压阀口3、13液压阀口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步说明:

如图4所示，基于低温胶状生物材料3D打印的快换式多工位喷头，空闲工位下，储料桶1和供/出料桶2上的小孔相互错开，此时储料桶1和供/出料桶2为两个相互隔开的空间，物流无法流通，在开始打印工作前，可以制备多个储料桶，桶内制备多种生物材料，并根据生物材料的物理、化学性能配备不同的针头。挤压工位下挤压活塞6和供/出料桶2固定，挤压下盖5和储料桶1固定，气压阀口1和气压阀口2分别接一根气压输入管，物流可经储料桶1流入供/出料桶2。注料工位下注料活塞8与供/出料桶2固定，注料盖9和储料桶1固定，气压阀口3连接到气压输入管，液压阀口连接到注料管进行物料的注入。

针头3采用的螺纹连接到供/出料桶2，采用的是注射针头，也可以自制针头。储料桶1为聚乙烯塑料材质，下部为密闭锥型，内壁（空腔腔壁）上下部各开有小孔，上下孔孔径3mm，孔距30mm，储料桶外壁凸缘处贴有铁片，便于电磁继电器7进行抓取。供/出料桶2为金属材料，下端可通过螺纹连接针头3，供/出料桶2侧壁上下部各开有小孔，上下孔孔径3mm，孔距20mm。

供/出料桶2安装于储料桶1的中空处，供/出料桶2可在储料桶1内部中空处移动，挤压上盖4、挤压下盖5、挤压活塞6构成密闭腔体，通过气压阀口1连接空气压缩机，挤压上盖、挤压下盖5、储料桶1形成密闭腔体，通过气压阀口2连接空气压缩机。挤压工作开始时通过气压阀口1进气推动挤压活塞6，喷头调整至挤压工位，通过气压阀口2进气压缩储料桶1内的空气完成挤压。

注料活塞8、注料盖9形成密闭腔体，通过气压阀口3连接气压机，注料活塞8、供/出料桶2、储料桶1形成注料通道，通过液压阀口连接注料液压机。注料工作开始时通过气压阀口3抽气，喷头调整至注料工位，通过液压阀口向储料桶1内注入物料。

挤压时工作原理为:在挤压前，气压阀口1和气压阀口2通过输气管分别连接不同空气压缩装置，空气压缩机提供气体压力，通过压力表来控制压力的大小并决定材料挤出速率。在挤压下盖5和储料桶1通过电磁继电器连接后，气体通过气压阀口1进入挤压上盖4、挤压下盖5和挤压活塞6之间的腔体，推动挤压活塞6向下运动，推动供/出料桶2向下运动至挤压工位（即供/出料桶下部小孔与储料桶下部小孔重合）。空气压缩机开始通过气压阀口2向储料桶输入压力，推动桶内的物料经下方小孔流入供/出料桶2，进入针头完成打印。

注料时工作原理为：注料前，气压阀口3连接空气压缩机，液压阀口用于注入注料，注料活塞8通过电磁继电器抓取供/出料桶2，空气压缩机通过气压阀口3抽取空气，使注料活塞8与供/出料桶2一起上升至注料工位（即供/出料桶上部小孔与储料桶上部小孔重合）。物料通过液压阀口进入供/出料桶2，并经由供/出料桶2上方的小孔进入储料桶1，完成物料的快速补充。

本发明专利公开了一种适用于工作温度较低，原材料为胶状的生物材料挤压成型的快换式多工位3D打印喷头结构，所述的挤压/控制单元包括所示储料桶，供/出料桶，针头，挤压上盖，挤压下盖，挤压活塞，注料盖，注料活塞，供/出料桶安装在储料桶中空处，针头固定在供/出料桶下方。挤压工作时，挤压上盖，挤压下盖，挤压活塞组成挤压装置，通过电磁继电器抓取储料桶，以挤压活塞调整供/出料桶工位，阀体控制挤出材料的喷射速度。注料时，注料盖连接储料桶，注料活塞通过电磁继电器抓取供/出料桶并调整其工位，液压阀控制补充原材料。