本發(fā)明屬于細(xì)胞和生物材料3d打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低溫打印的氣動活塞式3d打印噴頭

背景技術(shù)：

對于受損大塊軟組織及內(nèi)臟器官的治療，人體組織器官的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上述問題開辟了新的途徑。組織工程是將活細(xì)胞通過某種方法附合在生物材料基質(zhì)或者備制的支架上，來構(gòu)建功能組織替代物。然后將構(gòu)建的組織體替代物進(jìn)行培養(yǎng)以后植入患者體內(nèi)，替代原有的病變組織器官來恢復(fù)原有的身體機(jī)能實現(xiàn)對疾病的治療。目前組織工程皮膚的研究和運用就是組織工程良好發(fā)展前景的有效例證。

傳統(tǒng)的組織工程研究一直受限于細(xì)胞植入技術(shù)，即“將細(xì)胞植入到支架上”這一組織過程中固有技術(shù)環(huán)節(jié)中，無法將不同種類的細(xì)胞和生物質(zhì)材料精確定位到支架內(nèi)部不同的空間位置。實際上，隨著組織工程研究的推進(jìn)，研究工作漸漸向大塊軟組織及內(nèi)臟器官方面誕生，由于這些組織和器官往往含有多種細(xì)胞和生物材料，而不同細(xì)胞或者材料又具有特定的空間排布，因此上述技術(shù)局限性更加凸顯。

近幾年來，3d打印技術(shù)的迅猛發(fā)展，為工業(yè)制造開辟了新的制造生產(chǎn)模式。在生物領(lǐng)域內(nèi)，生物打印，細(xì)胞三維受控組織等技術(shù)也應(yīng)用而生。這些技術(shù)具有操作單個細(xì)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(xiàn)大塊組織和器官構(gòu)建過程中不同種細(xì)胞和生物材料的空間位置沉積有著巨大的意義。因此，開發(fā)生物打印技術(shù)是未來組織工程研究的必然趨勢如果能克服材料的在不同溫度環(huán)境下不破壞其生物特性。而在一個典型的生物打印機(jī)中，浙江大關(guān)鍵部件之一就是噴頭另外還有材料的備置。

學(xué)研究的面向多種材料打印的旋轉(zhuǎn)切換方式生物3d打印噴頭實現(xiàn)了單噴頭對多種材料的打印，對于粘度較高的膠原等復(fù)合材料來說，對高粘度材料的非牛頓特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)活塞擠壓是最好的擠壓方式。(參見文章：“高粘度材料三維打印機(jī)開發(fā)及食品藥品打印研究”，朱偉杰.【d】.浙江大學(xué).2015)。并且對于一些低溫材料來實現(xiàn)3d打印比較困難。

總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：生物3d打印噴頭難以實現(xiàn)低溫打印。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氣動活塞式3d打印噴頭，以實現(xiàn)生物3d低溫打印，且結(jié)構(gòu)簡單。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種氣動活塞式3d打印噴頭，其包括上缸體、上缸蓋、上活塞、下缸體、下缸蓋、下活塞、活塞桿和活塞彈簧；所述上缸體頂部設(shè)有使上缸體與外界相通的進(jìn)氣接頭，上缸體下端開口，所述上缸蓋與上缸體的下端螺紋連接，所述下缸體底部設(shè)有與針頭相通的出料口，下缸體上端開口，所述下缸蓋與下缸體的上端螺紋連接；所述上缸蓋與下缸蓋可拆式固連；所述上活塞與上缸體密閉配合地置于上缸體內(nèi)，下活塞與下缸體密閉配合地置于下缸體內(nèi)，所述活塞桿密閉穿過上缸蓋和下缸蓋，一端與上活塞固連，另一端與下活塞固連，所述活塞彈簧套裝在活塞桿上，位于上活塞與上缸蓋之間；所述下缸體的側(cè)壁下部設(shè)有注料口和單向閥，所述單向閥的進(jìn)口與下缸體內(nèi)相通，其出口與外界相通，所述注料口的出口與下缸體內(nèi)相通，其進(jìn)口用于注入生物材料。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

能夠?qū)崿F(xiàn)低溫打印。因為：

本發(fā)明通過氣體壓力控制材料擠出速率，控制簡單；從活塞，氣動，螺桿三種擠出方式的流量中看,氣壓擠出和螺桿擠出的流量大小都與被擠出材料的粘度度大小有關(guān)。實際生產(chǎn)實踐中，各種高粘度材料都以混合物的形式出現(xiàn)，其粘度不僅會因為配比的變化而變化,還會受溫度、濕度、存放時間、擠出速度等各種因素影響。因此,對材料粘度度變化不敏感的活塞擠出方式是最優(yōu)選擇。且本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明氣動活塞式3d打印噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明氣動活塞式3d打印噴頭的外形圖。

圖3為圖2中針頭的局部放大圖。

圖4為圖2中單向閥的局部放大圖。

圖中，上缸體11、上缸蓋12、上活塞13、

下缸體21、下缸蓋22、下活塞23、活塞桿31和活塞彈簧32、

針頭4、錐形針管41、鋼球42，壓縮彈簧43，軸向卡套44、進(jìn)料管45、出料口46、

注料口5、

單向閥6、、閥體61、球體62、彈簧63、軸向定位卡套64。

具體實施方式

如圖1、2所示，本發(fā)明氣動活塞式3d打印噴頭，

包括上缸體11、上缸蓋12、上活塞13、下缸體21、下缸蓋22、下活塞23、活塞桿31和活塞彈簧32；

所述上缸體11頂部設(shè)有使上缸體11與外界相通的進(jìn)氣接頭14，上缸體11下端開口，所述上缸蓋12與上缸體11的下端螺紋連接，

所述下缸體21底部設(shè)有與針頭4相通的出料口24，下缸體21上端開口，所述下缸蓋22與下缸體21的上端螺紋連接；

所述上缸蓋12與下缸蓋22可拆式固連；

所述上活塞13與上缸體11密閉配合地置于上缸體11內(nèi)，下活塞23與下缸體21密閉配合地置于下缸體21內(nèi)，所述活塞桿31密閉穿過上缸蓋12和下缸蓋22，一端與上活塞13固連，另一端與下活塞23固連，所述活塞彈簧32套裝在活塞桿31上，位于上活塞13與上缸蓋12之間；

所述下缸體21的側(cè)壁下部設(shè)有注料口5和單向閥6，所述單向閥6的進(jìn)口與下缸體21內(nèi)相通，其出口與外界相通，所述注料口5的出口與下缸體21內(nèi)相通，其進(jìn)口用于注入生物材料。

氣缸與汽缸蓋通過螺紋連接便于拆卸且方便清洗。

進(jìn)氣接頭14所安裝的規(guī)格不同可以連接各種外徑軟管。

注料口5可以將不同比列的復(fù)合材料通過注射器注射進(jìn)去，可以根據(jù)注射口徑的大小選擇對應(yīng)的注射器。

針頭4可能采用普通注射針頭，也可以采用如圖3所示的針頭。

如圖3所示，所述針頭4包括錐形針管41、鋼球42，壓縮彈簧43，軸向卡套44，所述錐形針管41的大頭固設(shè)有與下缸體21底部相通進(jìn)料管45，錐形針管41的小頭開有出料口46，所述鋼球42頂住進(jìn)料管45出口，軸向卡套44外沿卡在錐形針管41內(nèi)壁，壓縮彈簧43下端套裝在軸向卡套44上，上端頂在鋼球42下部。

優(yōu)選地，所述針頭4的出料口46的內(nèi)徑為0.06～0.51mm。

如圖4所示，

所述單向閥6包括閥體61、球體62、彈簧63，軸向定位卡套64，所述球體62頂住閥體61與下缸體21的連通口，軸向定位卡套64外沿卡在閥體61內(nèi)壁，彈簧63套裝在軸向定位卡套64上，另一端頂在球體62上。

卡套安裝在閥體的內(nèi)部起到一個限位作用氣體可以通過其排出，可以通過旋轉(zhuǎn)安裝進(jìn)去。彈簧安裝在球體和軸向定位卡套之間，正常狀態(tài)下鋼球在彈簧的作用下將閥體的閥口遮蔽密封。

可以通過注射器直接注射到進(jìn)料口，從而簡化操作流程。

本發(fā)明的工作過程詳述如下：

在擠壓前，先將膠原/納米纖維復(fù)合材料冷凍保存至-4℃，用注射器將預(yù)先配好的復(fù)合材料通過注料口5注射到下缸體21內(nèi)部。進(jìn)氣接頭14通過輸氣軟管連接氣壓閥和氣泵，氣泵提供氣體壓力，通過壓力表來控制壓力的大小并決定材料擠出速率。輸氣管上設(shè)置供氣閥，如電磁閥。通過電磁閥控制復(fù)合材料的工作狀態(tài)。

當(dāng)輸氣管上的供氣閥打開，高壓氣體通過進(jìn)氣接頭14進(jìn)入上上缸體11，推動上活塞13向下運動。在活塞桿31作用下，下活塞23也向下運動，將下缸體21內(nèi)的生物質(zhì)復(fù)合材料通過針頭4擠出。

下缸體內(nèi)的局部高壓氣體通過單向閥6排出，從而可以保證活塞桿能夠正常的推動下活塞23，使生物質(zhì)復(fù)合材料堆積在成型盤上面。

供氣閥關(guān)閉或氣泵停止工作，活塞桿31在活塞彈簧32的復(fù)位作用下向上運動，從而進(jìn)行第二次的氣動打印。

如此反復(fù)進(jìn)行上述過程，就實現(xiàn)了氣動擠壓的作用。最后將3d打印的材料放置低溫箱中冷凍再干燥，從而避免復(fù)雜的低溫控制系統(tǒng)。

由于壓縮氣體構(gòu)成的壓力系統(tǒng)具有微動，高柔性，容易控制等特點，本發(fā)明可以提供近似靜壓的壓力，以滿足氣動式噴出技術(shù)要求，從而可以提高支架組織的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征，滿足人體的某些特定要求。

本發(fā)明氣動活塞式3d打印噴頭通過裝夾套安裝在三維的移動平臺上，氣缸與汽缸蓋通過螺紋連接便于拆卸且方便清洗。