气动活塞式3D打印喷头的制作方法

本发明属于细胞和生物材料3d打印技术领域，特别是一种能够实现低温打印的气动活塞式3d打印喷头

背景技术：

对于受损大块软组织及内脏器官的治疗，人体组织器官的移植是一种极为有效的治疗方法。但是由于器官供体来源短缺，免疫排斥等问题存在，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难。而组织工程的提出为上述问题开辟了新的途径。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备制的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织体替代物进行培养以后植入患者体内，替代原有的病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病的治疗。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限于细胞植入技术，即“将细胞植入到支架上”这一组织过程中固有技术环节中，无法将不同种类的细胞和生物质材料精确定位到支架内部不同的空间位置。实际上，随着组织工程研究的推进，研究工作渐渐向大块软组织及内脏器官方面诞生，由于这些组织和器官往往含有多种细胞和生物材料，而不同细胞或者材料又具有特定的空间排布，因此上述技术局限性更加凸显。

近几年来，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。在生物领域内，生物打印，细胞三维受控组织等技术也应用而生。这些技术具有操作单个细胞或单成分微小尺寸液滴的能力，可以精确控制操作对象的空间位置和分布，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，开发生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势如果能克服材料的在不同温度环境下不破坏其生物特性。而在一个典型的生物打印机中，浙江大关键部件之一就是喷头另外还有材料的备置。

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，对于粘度较高的胶原等复合材料来说，对高粘度材料的非牛顿特性进行分析发现活塞挤压是最好的挤压方式。(参见文章：“高粘度材料三维打印机开发及食品药品打印研究”，朱伟杰.【d】.浙江大学.2015)。并且对于一些低温材料来实现3d打印比较困难。

总之，现有技术存在的问题是：生物3d打印喷头难以实现低温打印。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气动活塞式3d打印喷头，以实现生物3d低温打印，且结构简单。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种气动活塞式3d打印喷头，其包括上缸体、上缸盖、上活塞、下缸体、下缸盖、下活塞、活塞杆和活塞弹簧；所述上缸体顶部设有使上缸体与外界相通的进气接头，上缸体下端开口，所述上缸盖与上缸体的下端螺纹连接，所述下缸体底部设有与针头相通的出料口，下缸体上端开口，所述下缸盖与下缸体的上端螺纹连接；所述上缸盖与下缸盖可拆式固连；所述上活塞与上缸体密闭配合地置于上缸体内，下活塞与下缸体密闭配合地置于下缸体内，所述活塞杆密闭穿过上缸盖和下缸盖，一端与上活塞固连，另一端与下活塞固连，所述活塞弹簧套装在活塞杆上，位于上活塞与上缸盖之间；所述下缸体的侧壁下部设有注料口和单向阀，所述单向阀的进口与下缸体内相通，其出口与外界相通，所述注料口的出口与下缸体内相通，其进口用于注入生物材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能够实现低温打印。因为：

本发明通过气体压力控制材料挤出速率，控制简单；从活塞，气动，螺杆三种挤出方式的流量中看,气压挤出和螺杆挤出的流量大小都与被挤出材料的粘度度大小有关。实际生产实践中，各种高粘度材料都以混合物的形式出现，其粘度不仅会因为配比的变化而变化,还会受温度、湿度、存放时间、挤出速度等各种因素影响。因此,对材料粘度度变化不敏感的活塞挤出方式是最优选择。且本发明结构简单。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明气动活塞式3d打印喷头的结构示意图。

图2为本发明气动活塞式3d打印喷头的外形图。

图3为图2中针头的局部放大图。

图4为图2中单向阀的局部放大图。

图中，上缸体11、上缸盖12、上活塞13、

下缸体21、下缸盖22、下活塞23、活塞杆31和活塞弹簧32、

针头4、锥形针管41、钢球42，压缩弹簧43，轴向卡套44、进料管45、出料口46、

注料口5、

单向阀6、、阀体61、球体62、弹簧63、轴向定位卡套64。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明气动活塞式3d打印喷头，

包括上缸体11、上缸盖12、上活塞13、下缸体21、下缸盖22、下活塞23、活塞杆31和活塞弹簧32；

所述上缸体11顶部设有使上缸体11与外界相通的进气接头14，上缸体11下端开口，所述上缸盖12与上缸体11的下端螺纹连接，

所述下缸体21底部设有与针头4相通的出料口24，下缸体21上端开口，所述下缸盖22与下缸体21的上端螺纹连接；

所述上缸盖12与下缸盖22可拆式固连；

所述上活塞13与上缸体11密闭配合地置于上缸体11内，下活塞23与下缸体21密闭配合地置于下缸体21内，所述活塞杆31密闭穿过上缸盖12和下缸盖22，一端与上活塞13固连，另一端与下活塞23固连，所述活塞弹簧32套装在活塞杆31上，位于上活塞13与上缸盖12之间；

所述下缸体21的侧壁下部设有注料口5和单向阀6，所述单向阀6的进口与下缸体21内相通，其出口与外界相通，所述注料口5的出口与下缸体21内相通，其进口用于注入生物材料。

气缸与汽缸盖通过螺纹连接便于拆卸且方便清洗。

进气接头14所安装的规格不同可以连接各种外径软管。

注料口5可以将不同比列的复合材料通过注射器注射进去，可以根据注射口径的大小选择对应的注射器。

针头4可能采用普通注射针头，也可以采用如图3所示的针头。

如图3所示，所述针头4包括锥形针管41、钢球42，压缩弹簧43，轴向卡套44，所述锥形针管41的大头固设有与下缸体21底部相通进料管45，锥形针管41的小头开有出料口46，所述钢球42顶住进料管45出口，轴向卡套44外沿卡在锥形针管41内壁，压缩弹簧43下端套装在轴向卡套44上，上端顶在钢球42下部。

优选地，所述针头4的出料口46的内径为0.06～0.51mm。

如图4所示，

所述单向阀6包括阀体61、球体62、弹簧63，轴向定位卡套64，所述球体62顶住阀体61与下缸体21的连通口，轴向定位卡套64外沿卡在阀体61内壁，弹簧63套装在轴向定位卡套64上，另一端顶在球体62上。

卡套安装在阀体的内部起到一个限位作用气体可以通过其排出，可以通过旋转安装进去。弹簧安装在球体和轴向定位卡套之间，正常状态下钢球在弹簧的作用下将阀体的阀口遮蔽密封。

可以通过注射器直接注射到进料口，从而简化操作流程。

本发明的工作过程详述如下：

在挤压前，先将胶原/纳米纤维复合材料冷冻保存至-4℃，用注射器将预先配好的复合材料通过注料口5注射到下缸体21内部。进气接头14通过输气软管连接气压阀和气泵，气泵提供气体压力，通过压力表来控制压力的大小并决定材料挤出速率。输气管上设置供气阀，如电磁阀。通过电磁阀控制复合材料的工作状态。

当输气管上的供气阀打开，高压气体通过进气接头14进入上上缸体11，推动上活塞13向下运动。在活塞杆31作用下，下活塞23也向下运动，将下缸体21内的生物质复合材料通过针头4挤出。

下缸体内的局部高压气体通过单向阀6排出，从而可以保证活塞杆能够正常的推动下活塞23，使生物质复合材料堆积在成型盘上面。

供气阀关闭或气泵停止工作，活塞杆31在活塞弹簧32的复位作用下向上运动，从而进行第二次的气动打印。

如此反复进行上述过程，就实现了气动挤压的作用。最后将3d打印的材料放置低温箱中冷冻再干燥，从而避免复杂的低温控制系统。

由于压缩气体构成的压力系统具有微动，高柔性，容易控制等特点，本发明可以提供近似静压的压力，以满足气动式喷出技术要求，从而可以提高支架组织的力学性能和结构特征，满足人体的某些特定要求。

本发明气动活塞式3d打印喷头通过装夹套安装在三维的移动平台上，气缸与汽缸盖通过螺纹连接便于拆卸且方便清洗。