一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3d打印噴頭結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于生物組織制造的適用多材料打印的氣動雙作用的生物3D打印噴頭結構，用于細胞和生物材料打印，屬于組織工程技術和生物3D打印領域。
【背景技術】
[0002]對于受損大塊軟組織及內臟器官的治療，人體組織器官移植是一種極為有效的治療方法。但是由于器官供體來源短缺、免疫排斥等問題存在，器官移植治療在實際運用中存在難以克服的困難。而組織工程的提出為解決上述問題開辟了新的途徑。組織工程是將活細胞通過某種方法附合在生物材料基質或者制備的支架上，來構建功能組織替代物。然后將構建的組織替代物進行培養以后植入患者體內，替換原有病變組織器官來恢復原有的身體機能實現對疾病治療。目前組織工程皮膚的研宄和運用就組織工程良好發展前景的有效例證。
[0003]傳統組織工程研宄一直受限于細胞植入技術，S卩“將細胞植入到支架上”這一組織工程固有技術環節中，無法將不同種類的細胞和生物材料精確定位到支架內部不同空間位置。實際上，隨著組織工程研宄的推進，研宄工作逐步向大塊軟組織及內臟器官方面延生，由于這些組織和器官往往含有多種細胞和生物材料，而不同細胞或材料又具有特定的空間排布，因此上述技術局限性更加凸顯。
[0004]近幾年來，3D打印技術的迅猛發展，為工業制造開辟了新的制造生產模式。在生物領域內，生物打印、細胞三維受控組織等技術也應用而生。這些技術具有操作單個細胞或單成分微小尺寸液滴的能力，可以精確控制操作對象的空間位置和分布，對于實現大塊組織和器官構建過程中不同種細胞和生物材料的空間位置沉積有著巨大的意義。因此，開發生物打印技術是未來組織工程研宄的必然趨勢。而在一個典型的生物打印機中，關鍵部件之一就是成形噴頭。
[0005]為了滿足大塊軟組織和內臟器官的多種細胞和材料的構建要求，需要開發一種多材料成形噴頭。多材料成形噴頭一般采用多個噴頭并行安裝在同一高度，每個噴頭可以處理一種材料或細胞。打印過程中一般只有一個噴頭在工作，同一高度處在待命狀的其他噴頭就可能存在對構建組織成形面的干擾。為解決這種問題，韓國浦項大學Dong-Woo Cho教授團隊開發的多噴頭組織/器官制造系，其噴頭部分集成6組噴頭，其中4組為氣動擠出成形噴頭，4組位活塞擠出成形噴頭。為了噴頭工作和待命兩種狀態，每組噴頭配備一個驅動電機，通過傳動機構將即參與工作的整個噴頭組件下放到適合高度，利用高度差與其他待命狀態噴頭區分開，可以有效避免待命噴頭在打印過程中對成形面干擾的情況。但由于施加驅動裝置過多，其系統相對復雜，成本較高，并且不具有可擴展性。
[0006]為了在保證對待命和工作兩種噴頭狀態區分，避免干擾情況出現，同時簡化其系統結構，提高可擴展性，本發明提供一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構。
【發明內容】
[0007]本發明的技術方案如下:
一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構包括至少兩組擠出成形單元，所述的擠出成形單元包括下殼體、上殼體、外旋蓋、活塞、內芯、壓縮彈簧、料筒、內旋蓋、快插接頭和擠出針頭；所述上殼體與下殼體連接，所述外旋蓋通過螺紋與上殼體連接，所述快插接頭與外旋蓋連接，所述活塞安裝與下殼體內部，所述壓縮彈簧安裝在活塞和下殼體之間，所述內芯與活塞連接，所述料筒安裝在內芯中，料筒開口處通過螺紋連接一個內旋蓋，所述的擠出針頭安裝在料筒的底部。
[0008]優選的，所述上殼體與下殼體通過螺釘緊密連接，接觸面嵌入密封材料進行密封；所述快插接頭與外旋蓋通過螺紋連接，根據所安裝接頭規格不同可連接各種外徑軟管。
[0009]優選的，所述活塞可以在下殼體內部進行滑移運動，向下最大位移Ah，活塞與下殼體之間安裝密封圈實現密封；所述壓縮彈簧安裝在活塞和下殼體之間，彈簧處于壓縮狀態；所述上殼體的下表面可以限制滑移活塞被壓縮彈簧彈出。
[0010]優選的，所述內芯可以隨活塞一起滑移運動。
[0011]優選的，所述內旋蓋包括內旋蓋殼體、閥套、微型壓縮彈簧、閥芯；所述閥套與內旋蓋殼體之間通過螺釘連接在一起，閥套上均布兩個徑向通氣孔；所述閥芯安裝在閥套內部，可沿閥套內孔滑移運動，閥芯與閥套之間密封良好；所述微型壓縮彈簧安裝在閥芯與閥套之間，處于壓縮狀態；正常狀態下閥芯在彈簧作用下將內旋蓋殼體中心孔遮蓋密封，內旋蓋殼體頂部中心設有閥口。
[0012]優選的，所述旋蓋、上殼體、下殼體、活塞、內芯和內旋蓋組成一個腔體A ;所述料筒、內旋蓋和擠出針頭組成一個腔體B ;腔體A和腔B之間通過內旋蓋結構隔開。
[0013]本發明的多個噴頭可以在垂直方向上用一個電機和相應傳動裝置來控制沉積高度。而多個噴頭單元利用擠出的氣動壓力本身來驅動噴頭單元內部組件的向下運動Ah，將工作的噴頭從其他噴頭中選出。這樣，既避免其他噴頭對工作成形面的干擾，也大大簡化系統結構，降低成本；
本發明的每個噴頭單元結構緊湊，傳動要求低，適合大規模自由擴展、組合作業，大大提升設備的工作能力。
[0014]當打印完畢時，通過比例閥降低或斷開壓力輸入，腔體a和c內的氣壓恢復常壓，在微型壓縮彈簧作用下閥芯向上運動使閥口和徑向通氣孔斷開，同時在壓縮彈簧作用下，活塞向上運動到最大位移處，帶動針頭回縮到初始高度，整個噴頭組件恢復到初始狀態。
【附圖說明】
[0015]圖1是2X2形式的一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構；
圖2是2X2形式的一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構正視圖； 圖3是2X2形式的一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構俯視圖； 圖4是一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構的擠出成形單元示意圖；
圖5是內旋蓋結構的示意圖；
圖6是噴頭單元的兩種狀態:左側圖為待命狀態，右側為工作狀態。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖1~6及實施例進一步說明本發明的具體結構、工作原理和工作過程內容。
[0017]本發明設計一種面向多材料打印的氣動雙作用生物3D打印噴頭結構，包含至少兩組噴頭單元。本發明以圖1形式為例，包含第一噴頭單元1、第二噴頭單元2、第三噴頭單元3和第四噴頭單元4在內的四組噴頭單元，實際噴頭數量及排布形式可以做自定義。
[0018]四組噴頭單元單元結構相同，由同一個下殼體5連接在一起。每個噴頭單元包含固定部件和可活動部件兩部分組成。固定部件包括上殼體6、下殼體5、外旋蓋7和快插接頭12，上殼體5與下殼體6通過螺塞連接在一起，接觸面用密封材料做密封處理；外旋蓋7通過螺紋方式與上殼體7連接，接觸面有良好的密封，添加打印液或清洗噴頭時可自行取下旋蓋7 ;快插接頭12通過螺紋連接方式安裝在上殼體7上，通過更換不同規格的快插接頭7可以將噴頭連接到不同外徑的動力輸入軟管上。