CN110253881B - 一种多喷头3d生物打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种多喷头3D生物打印装置及打印方法，属于医疗器械领域；所要解决的技术问题是提供了一种通过挤压的方式，一边培养细胞一边进行3D打印的生物打印机；解决该技术问题采用的技术方案为：一种多喷头3D生物打印装置，包括从上到下依次布置的材料仓、材料转轮、喷嘴转轮、打印平台，材料转轮与喷嘴转轮活动连接，材料转轮中活动设置材料仓，材料转轮与喷嘴转轮内部均分为6个腔室，材料转轮与喷嘴转轮相连处设置有电磁金属线圈，打印平台下方设置有升缩架，材料仓移动至喷嘴转轮中，然后通过挤压的方式进行打印；本发明可广泛应用于医疗器械领域。
Description
技术领域
本发明一种多喷头3D生物打印装置及打印方法，属于医疗器械技术领域。
背景技术
器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但是这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端，不过，随着3D生物打印机的出现，这些问题有了实质性的进步，3D生物打印机是一种能够在数字三维模式驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程直接和组织器官等制品的装备，同时3D生物打印机不是一层一层的塑料，而是利用一层一层的生物材料或细胞构造块，去制造真正的活体组织，然而，受到细胞打印工艺的限制，现有的细胞三维打印技术大多为操作单种成分的细胞或材料来构建简单的结构体，仅仅局限在某些简单的组织，比如软组织、皮肤组织和肌腱组织等，不能打印复杂的组织，目前细胞三维受控组装是在组织器官的解剖学数字模型直接驱动下，定位装配活细胞或材料单元，制造组织或器官前体的新技术，为体外构件复杂组织器官提供了全新的可能，但是器官是由不同细胞组成并具有复杂微观结构的三维结构体，因此多细胞组装技术成为发展细胞组装技术的关键。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种通过挤压的方式，一边培养细胞一边进行3D打印的生物打印机。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多喷头3D生物打印装置，包括从上到下依次布置的材料仓、材料转轮、喷嘴转轮、打印平台，材料转轮与喷嘴转轮活动连接，材料转轮中活动设置材料仓；
材料转轮包括材料转轴，材料外壳，材料转轴与材料外壳通过材料分隔板相连；
喷嘴转轮包括喷嘴转轴，喷嘴外壳，喷嘴转轴与喷嘴外壳通过喷嘴分隔板相连；
材料转轴与喷嘴转轴在同一轴线上下布置，材料外壳与喷嘴外壳结构相同；
材料仓包括材料存储管，材料存储管下部设置有锥形出料口，上部设置有活塞，侧面设置有升降板。
所述的材料外壳与喷嘴外壳均为柱状外壳。
所述的材料分隔板将材料外壳内腔均匀分隔为6个腔室，所述的喷嘴分隔板将喷嘴外壳均匀分隔为6个腔室。
所述的材料转轮与喷嘴转轮相连处设置有电磁金属线圈。
所述的打印平台下方设置有升缩架。
所述的材料仓为自带加热套的材料仓。
一种多喷头3D生物打印方法，包括如下步骤：
1）、通过数学建模建立所要打印的活体组织或器官的3D模型，同时同步进行细胞培养，将培养好的细胞装载在带加热套的温控材料仓内；
2）、建立活体组织或器官模型框架，均分为六部分，根据3D模型布置在打印平台的对应区域，以便于组织和器官的前期定型；
3）、将材料仓按照顺序，依次装载在材料转轮的六个腔体内，同时控制材料轴转动，确保材料转轮的六个材料仓与喷嘴转轮的六个空腔体一一对应，将材料转轮移动至喷嘴转轮正上方；
4）、缓缓放下材料转轮，将材料转轮与喷嘴转轮进行对接；
5）、材料转轮内的材料仓侧面的升降板将材料存储管移动至喷嘴转轮内，将材料存储管转运至喷嘴转轮内；
6）、材料转轮与喷嘴转轮分离，进行二次材料转运；
7）、在喷嘴转轮上的材料仓上方连接气压控制阀，下方喷嘴处连接输出控制器；
8）、将打印平台移动至喷嘴转轮正下方，通过打印平台的旋转、拉伸、升降、以及打印喷头的开启和关闭，实现打印材料的定点放置，实现打印目标的准确成型，完成打印任务；
9）、打印完成后，分离喷嘴转轮上部的气压控制阀和下部的输出控制器，然后将材料仓从喷嘴转轮中取出，将喷嘴转轮对应的空腔闲置出来，便于进行下一次打印；
10）、循环步骤3到步骤9，直至打印完成。
所述的步骤3材料转轮的移动可以使用机械臂，所述的步骤9中将材料仓取出也可以使用机械臂。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：材料转轮与喷嘴转轮内部有多个空腔，可以实现多喷头切换，实现挤压式3D生物打印对于复杂器官以及多类型细胞的打印，为未来真正打印出广泛应用的组织器官提供技术支撑，可以实现一边培养细胞一边进行3D打印的方式，保证打印的快速性与实时性，并且可以保证打印细胞的活性，提高打印材料的成功率，在组织缺损、及时更换、应急抢救方面有广阔前景。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种多喷头3D生物打印装置，包括从上到下依次布置的材料仓、材料转轮、喷嘴转轮、打印平台，材料转轮与喷嘴转轮活动连接，材料转轮中活动设置材料仓；材料转轮包括材料转轴，材料外壳，材料转轴与材料外壳通过材料分隔板相连；喷嘴转轮包括喷嘴转轴，喷嘴外壳，喷嘴转轴与喷嘴外壳通过喷嘴分隔板相连；材料转轴与喷嘴转轴在同一轴线上下布置，材料外壳与喷嘴外壳结构相同；材料仓包括材料存储管，材料存储管下部设置有锥形出料口，上部设置有活塞，侧面设置有升降板，所述的材料外壳与喷嘴外壳均为柱状外壳，所述的材料分隔板将材料外壳内腔均匀分隔为6个腔室，所述的喷嘴分隔板将喷嘴外壳均匀分隔为6个腔室，材料转轮与喷嘴转轮相连处设置有电磁金属线圈，打印平台下方设置有升缩架，材料仓为自带加热套的材料仓。
一种多喷头3D生物打印方法，包括如下步骤：
1）、通过数学建模建立所要打印的活体组织或器官的3D模型，同时同步进行细胞培养，将培养好的细胞装载在带加热套的温控材料仓内；
2）、建立活体组织或器官模型框架，均分为六部分，根据3D模型布置在打印平台的对应区域，以便于组织和器官的前期定型；
3）、将材料仓按照顺序，依次装载在材料转轮的六个腔体内，同时控制材料轴转动，确保材料转轮的六个材料仓与喷嘴转轮的六个空腔体一一对应，将材料转轮移动至喷嘴转轮正上方；
4）、缓缓放下材料转轮，将材料转轮与喷嘴转轮进行对接；
5）、材料转轮内的材料仓侧面的升降板将材料存储管移动至喷嘴转轮内，将材料存储管转运至喷嘴转轮内；
6）、材料转轮与喷嘴转轮分离，进行二次材料转运；
7）、在喷嘴转轮上的材料仓上方连接气压控制阀，下方喷嘴处连接输出控制器；
8）、将打印平台移动至喷嘴转轮正下方，通过打印平台的旋转、拉伸、升降、以及打印喷头的开启和关闭，实现打印材料的定点放置，实现打印目标的准确成型，完成打印任务；
9）、打印完成后，分离喷嘴转轮上部的气压控制阀和下部的输出控制器，然后将材料仓从喷嘴转轮中取出，将喷嘴转轮对应的空腔闲置出来，便于进行下一次打印；
10）、循环步骤3到步骤9，直至打印完成。
所述的步骤3材料转轮的移动可以使用机械臂，所述的步骤9中将材料仓取出也可以使用机械臂。
打印平台为一个圆盘，均为分隔为六块内角为60°的扇形区域，需打印的物体的模型也可分为六部分，每个喷嘴正对一个扇形区域，主要负责该区域的打印，每块区域打印过程中都是可独立操作的，当所有六块打印区域都成型以后，组合在一起，形成一个完整的组织或者器官，喷嘴转轮是由正六边体作为外部框架，均匀切割为六个正三棱柱，每个三棱柱内部可容纳一个携带打印喷嘴的材料仓，材料仓侧面有一块用于升降材料仓的升降槽，喷嘴转轮上表面的外棱用金属材料制作（材料转轮下表面的外棱也用同种方法制作），当材料转轮下表面与喷嘴转轮上表面间距小于给定值时（可在材料转轮下表面加一个测距仪），两种金属内部通同向电流，在电流产生的磁场作用下，使得喷嘴转轮与材料转轮紧紧吸附，从而实现升降材料仓的目的，当材料仓顺利放置在喷嘴转轮指定位置后，金属外棱通反向电流，产生排斥力，辅助喷嘴转轮和材料转轮分离。当二者分离间距大于等于某一定值以后，电流输出停止，利用机械臂的作用，使得材料转轮与喷嘴转轮实现完美分离，材料仓正上方有一个连接可控气压的通气装置，这个通孔连接气体控制阀，通过调节气体控制阀，实现气压的可控调节，进一步控制打印速度，材料仓周围包覆一层保温材料，并且要求温度可调节，满足不同打印材料对温度要求的差异，材料转轮由一个正六边体为外部框架，大小与喷嘴转轮一致，中心轴控制六个材料仓的位置，六个材料仓可以绕中心轴旋转，以便实现材料仓可以到达任一喷嘴转轮，材料转轮与喷嘴转轮上下一一对应的关系，正六边体侧面为可开合的金属板，材料仓周围包覆一层温控材料，材料仓可通过打开侧面的金属板，用机械臂将准备好的材料仓放到指定的材料转轮的一个腔体内，完成材料仓的装载，材料仓为一次性产品，只进行一次打印流程，所以材质选用生物亲和性材料，打印喷头处通过输出控制器控制打印的时间与进度，这个输出控制器是脉冲发生器，在打印的时候，完全可以一边打印，一边培养细胞，把需要打印的生物材料在培养好后，装载在材料仓中，等待上一次装卸结束后，空出来的材料转轮进行装载已经培养好的材料仓，从而保证生物材料的活性。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：包括从上到下依次布置的材料转轮、喷嘴转轮、打印平台，材料转轮与喷嘴转轮活动连接，材料转轮中活动设置材料仓；
材料转轮包括材料转轴，材料外壳，材料转轴与材料外壳通过材料分隔板相连；
喷嘴转轮包括喷嘴转轴，喷嘴外壳，喷嘴转轴与喷嘴外壳通过喷嘴分隔板相连；
材料转轴与喷嘴转轴在同一轴线上下布置，材料外壳与喷嘴外壳结构相同；
材料仓包括材料存储管，材料存储管下部设置有锥形出料口，上部设置有活塞，侧面设置有升降板。
2.根据权利要求1所述的一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：所述的材料外壳与喷嘴外壳均为柱状外壳。
3.根据权利要求1所述的一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：所述的材料分隔板将材料外壳内腔均匀分隔为6个腔室，所述的喷嘴分隔板将喷嘴外壳均匀分隔为6个腔室。
4.根据权利要求1所述的一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：所述的材料转轮与喷嘴转轮相连处设置有电磁金属线圈。
5.根据权利要求1所述的一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：所述的打印平台下方设置有升缩架。
6.根据权利要求1所述的一种多喷头3D生物打印装置，其特征在于：所述的材料仓为自带加热套的材料仓。
7.一种多喷头3D生物打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、通过数学建模建立所要打印的活体组织或器官的3D模型，同时同步进行细胞培养，将培养好的细胞装载在带加热套的温控材料仓内；
2）、建立活体组织或器官模型框架，均分为六部分，根据3D模型布置在打印平台的对应区域，以便于组织和器官的前期定型；
3）、将材料仓按照顺序，依次装载在材料转轮的六个腔体内，同时控制材料轴转动，确保材料转轮的六个材料仓与喷嘴转轮的六个空腔体一一对应，将材料转轮移动至喷嘴转轮正上方；
4）、缓缓放下材料转轮，将材料转轮与喷嘴转轮进行对接；
5）、材料转轮内的材料仓侧面的升降板将材料存储管移动至喷嘴转轮内；
6）、材料转轮与喷嘴转轮分离，进行二次材料转运；
7）、在喷嘴转轮上的材料仓上方连接气压控制阀，下方喷嘴处连接输出控制器；
8）、将打印平台移动至喷嘴转轮正下方，通过打印平台的旋转、拉伸、升降、以及打印喷头的开启和关闭，实现打印材料的定点放置，实现打印目标的准确成型，完成打印任务；
9）、打印完成后，分离喷嘴转轮上部的气压控制阀和下部的输出控制器，然后将材料仓从喷嘴转轮中取出，将喷嘴转轮对应的空腔闲置出来，便于进行下一次打印；
10）、循环步骤3到步骤9，直至打印完成。
8.根据权利要求7所述的一种多喷头3D生物打印方法，其特征在于：所述的步骤3材料转轮的移动使用机械臂，所述的步骤9中将材料仓取出也使用机械臂。
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