[发明专利]一种面向自由组合化可快速插装的生物3D打印喷头及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向自由组合化可快速插装的生物3D打印喷头及其方法，用于细胞和生物材料打印，属于组织工程技术和生物3D打印领域。

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解决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制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就组织工程良好发展前景的有效例证。

传统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”这一组织工程固有技术环节中，无法将不同种类的细胞和生物材料精确定位到支架内部不同空间位置。实际上，随着组织工程研究的推进，研究工作逐步向大块软组织及内脏器官方面延生，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。而在一个典型的生物打印机中，关键结构之一就是成形喷头装置。

为了满足大块软组织和内脏器官的多种细胞和材料的构建要求，需要开发一种多材料可快速插装的成形喷头。多材料可快速插装的成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料或细胞。打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。为解决这种问题，韩国浦项大学Dong-Woo Cho教授团队开发的多喷头组织/器官制造系，其喷头部分集成6组喷头，其中4组为气动挤出成形喷头，4组位活塞挤出成形喷头。为了喷头工作和待命两种状态，每组喷头配备一个驱动电机，通过传动机构将即参与工作的整个喷头组件下放到适合高度，利用高度差与其他待命状态喷头区分开，可以有效避免待命喷头在打印过程中对成形面干扰的情况。但由于施加驱动装置过多，其系统相对复杂，成本较高，并且不具有可扩展性。

为了在保证对待命和工作两种喷头状态区分，避免干扰情况出现，同时简化其系统结构，提高可扩展性，本发明提供一种面向自由组合化可快速插装的生物3D打印喷头。

发明内容

本发明的目的是要解决多材料和多喷头并行打印机构复杂、体积较大、打印喷头相互干扰和控制不灵活的问题，提供一种面向自由组合化可快速插装的生物3D打印喷头。

本发明的技术方案如下：

一种面向自由组合化可快速插装的生物3D打印喷头由螺堵、燕尾连接块、主电磁阀块喷头单元和副电磁阀块喷头单元组成；所述主电磁阀块喷头单元由主电磁阀块和喷头体组成，主电磁阀块下部与喷头体上部连接，接触面嵌入密封材料进行密封；所述副电磁阀块喷头单元由副电磁阀块和喷头体组成，副电磁阀块下部与喷头体上部连接，接触面嵌入密封材料进行密封；所述的主电磁阀块喷头单元之间通过燕尾连接块连接，所述的螺堵安装在主电磁阀块喷头单元和副电磁阀块喷头单元上，用于防止打印喷头内气体泄漏；所述的主电磁阀块喷头单元和副电磁阀块喷头单元相互组合使得阀块内部的气路相互连通。

进一步，所述主电磁阀块由主阀块、电磁换向阀、长连接螺栓、气管接头、短连接螺栓、大螺塞、小螺塞组成；所述主阀块内部开有第一孔道、第二孔道、第三孔道和第四孔道，主阀块外部开设有两个燕尾槽，所述的两个燕尾槽分别开设在两个相对设置的面上，且所述的燕尾槽与第二孔道平行，所述的第一孔道和第二孔道互相垂直连通，用于阀块之间气路的连通，所述的第三孔道用于安装电磁换向阀，所述的第四孔道用于连接第二孔道和第三孔道，使得气体可以从第三孔道进入喷头体；长连接螺栓上部为内螺纹，中上部是内六角孔，中设有至少1个圆通孔，下部内部为通孔、下部外部为外螺纹；所述短连接螺栓安装在主阀块的第二孔道的内部，同轴安装；所述螺塞也安装在主阀块的第二孔道的孔口，拧紧密封；所述长连接螺栓安装在主阀块第一孔道内部，同轴安装；所述气管接头通过螺纹连接方式安装在长连接螺栓前部，拧紧密封；所述小螺塞安装在主阀块的第四孔道的孔口，拧紧密封。