一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3D打印机

一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机
技术领域
1.本发明涉及骨/软骨修复技术领域，尤其是涉及一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机。


背景技术：

2.生物打印具备精确复制组织结构的能力，现代生物学认为组织结构和组织功能是相互影响和支持的关系。组织工程使用种子细胞构建组织，就是希望通过复制组织结构达到形成功能组织的目的，最终解决修复组织缺损和恢复机体功能的医学难题。然而既往很少有组织工程研究重视复制组织结构中细胞分布特点，或传统技术无法实现支架内细胞的有序分布。传统组织工程将支架制造与接种细胞分步进行，无法控制进入支架的细胞总量，无法精确的实现细胞的空间分布定位，最终无法实现对组织结构的完全复制。生物打印技术直接以组织结构为蓝本，以细胞和生物材料作为生物墨水，在逐层构建组织工程支架过程中实现了细胞与生物材料的精确定位，因而理论上生物打印技术构建出仿生结构的组织块更容易获得仿生的生理功能。近年来，组织工程技术及生物3d打印技术正逐渐成为新一代的软骨修复技术。3d打印技术可精确控制支架的内部结构，构建类似于软骨形态结构、同时控制内在孔径大小根据软骨缺损实现定制化。生物3d打印技术还可实验含细胞打印或者活性细胞因子打印，为构建体内移植物等提供了新的方向。而水凝胶作为沉积式打印运用最多的材料拥有诸多优点如与人体软组织相似的结构和含水量多、生物相容性好等，近年来基于水凝胶的生物3d打印方面也有诸多进展。
3.现有的挤压式水凝胶3d打印是依靠水凝胶的流动性而完成组织结构的三维构建，因而水凝胶材料的流变学属性是水凝胶细胞生物3d打印的重要参数，打印过程中对水凝胶流量的控制，喷嘴挤出凝胶条带的直径，打印凝胶支架的结构设计和打印精度，挤压水凝胶流动产生的剪切力对细胞活性的影响等都与水凝胶流变学属性有关。在借助水凝胶进行打印技术时，第一，选择合适的水凝胶材料是生物打印首先需要考虑的问题。生物打印中水凝胶材料作为细胞的载体，在提供细胞适宜的生存环境的同时，还必需保护细胞活性不受打印过程的影响，并具备一定的机械强度维持打印结构几何轮廓的完整。生物打印突破了传统组织工程技术的技术瓶颈，直接将细胞作为生物打印墨水的一部分，通过自下而上逐层累积的打印方式，实现了支架各层连续构建、均匀过渡和无缝连接，实现了细胞与生物材料精确的空间定位。第二，生物打印能够实现复杂多层结构的无缝构建。在生物打印技术岀现以前，电纺、混合构建和分层拼接等技术用来尝试够构建具有细胞不均匀分布特点的组织工程结构，然而这些技术仍是细胞通过支架表面微孔随机从进入支架内部，无法定量控制支架内细胞总量，细胞在支架中空间位置受到多种因素影响，细胞可在不同孔隙间发生迁移。实验表明梯度孔径支架不同大小的微孔会产生不同的细胞生物学影响，而多层拼接支架则会形成明显的层间界面，同时并不适合构建复杂多层结构的薄层组织。生物打印技术釆用独特的自下而上、逐层累积的构建方式，打印支架过程中即实现了各层连续构建、均匀过渡和无缝连接。第三，生物打印技术不需要制备特殊加工模具和工具，支架制作过程时间
短，更适合个体化支架构建，从而更加适合临床修复需要。关节软骨具备生理曲面弧度，临床中需要修复的软骨缺损形状千差万别，生物打印技术根据医学影像学资料建立缺损部位三维模型，在具备生物材料和细胞的条件下，短时间内即可实现个体化支架的生产。很难想象使用模具浇铸等传统方法能够实现具备特殊解剖形态个体化支架的构建。
4.现有技术中也有不少方案解决了或多或少的技术缺陷，如专利cn202020296147.0提供了一种用于改良amic技术软骨修复的生物3d打印机，包括机身框架，机身框架顶端靠近后侧位置固定连接有背板，背板固定连接有固定支架，固定支架表面开设有滑槽，固定支架表面设有成型平台，且成型平台与固定支架表面滑槽滑动连接，机身框架顶端中心位置固定连接有剥离装置，剥离装置顶端设有盛料装置，且盛料装置与剥离装置相抵，剥离装置顶端固定连接有补料装置，通过成型平台使用三个精密调节装置利用三点定面原理实现对成型平面的初始高度及水平度的调节，从而提高打印精度，dlp投影光机的高精度投影将生物墨水固化，使得成型精度可达数十微米，并且可用于打印极复杂的造型。还有专利cn201510143867.7公开了一种基于3d打印技术的软骨修复系统，包括3d打印系统和供料系统，所述3d打印系统包括具有多自由度的打印喷头和喷头移动杆，所述打印喷头与喷头移动杆之间设置有可使打印喷头绕移动杆轴径向360
°
旋转的径向旋转结构。通过具有多自由度的扫瞄仪和打印喷头可在缺损软骨病灶腔内进行全方位扫瞄和打印，可实现对局灶性软骨缺损进行快速精准修复，可大幅度减小创伤、缩短治疗时间。但是上述专利还不能完全实现对于打印过程的平稳、可控、快速成型等问题。而随着生物打印技术的不断发展，打印平台的优化设计，生物打印技术终将从实验室进入手术室，现场再生组织器官，在体原位修复将成为现代医学治疗又一有力手段。
5.因此，本技术提出一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机，实现打印过程的平稳运行和可操控性，而且是实现生物打印过程全程的可控，以更好地满足生物打印的需求。


技术实现要素：

6.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机，包括三轴打印平台，所述三轴打印平台具有电控系统；所述三轴打印平台上安装有装载板，所述装载板的正面安装有多类料存储机构和挤出头；
8.所述多类料存储机构连接放料动力组，且至少有两个出料口；
9.所述挤出头连通于双储料机构的出料口，且为单挤出口。
10.优选的，所述多类料存储机构包括固定盒和多个活塞存储单元，所述固定盒固定于装载板，所述活塞存储单元安装于固定盒中，所述活塞存储单元至少有一个出料口，且其活塞部受控放料动力组。
11.优选的，所述活塞存储单元为螺口注射器。
12.优选的，所述放料动力组包括气泵、集成安装气压阀的控制盒以及通气管道，所述放料动力组包括气泵、集成安装气压阀的控制盒以及通气管道，气泵通过通气管道与控制盒的气压阀连通。
13.优选的，所述控制盒的气阀为两个，分别通过通气管道与两个活塞存储单元的尾
端连通，且每个气阀可单独控制；
14.优选的，所述控制盒电连接于三轴打印平台的电控系统。
15.优选的，所述挤出头包括多通管、喉管、加热块、散热块、热感应单元及喷嘴，所述多通管的入口端连通于活塞存储单元的出口端，所述多通管的出口端连通于喉管的一端；所述喉管的外壁设置加热块和散热块，且另一端固定喷嘴；所述热感应单元接触喉管，且和加热块分别电连接于三轴打印平台的电控系统。
16.优选的，所述喷嘴为平头针头。
17.优选的，所述散热块包括套管以及套管外壁的多个翅片，多个所述翅片沿套管长度分布，所述套管套接于喉管。
18.优选的，所述热感应单元插接于加热块上的一个预开孔，且喉管暴露于预开孔。
19.优选的，所述三轴打印平台的电控系统被配置为有两路数据传输途径，且一路数据传输途径配置为：用于通过usb接口连接上位机；其另一路数据传输途径配置为：用于通过sp1接口读取sd卡。
20.本技术具有以下有益技术效果：
21.1)该打印机通过多进一出的出料方式，适用于充分混合生物水凝胶打印材料，且以气动挤压机制的气泵产生高压空气推动水凝胶，以阀门控制气体开关，整体结构简单，运行平稳和可操控性优秀，使得生物打印过程全程可控，更好地满足生物打印的需求。
22.2)该打印机具有散热模块和恒温加热模块，可以对打印的物料加热，维持特殊材料3d打印所需的恒温工艺条件，保证打印效果。
23.3)该打印机采用双喷头设计，除了能适用普通单组分材料的3d打印，还能适用于多组分复合生物材料的快速打印。
24.4)双喷头左右分别为两个进料口，可通过气压调节装置进行分别控制进料速度，用于均匀混合两种不同类型和比例的材料，且在打印后快速凝结成型。
25.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
26.根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
28.图1是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机的整体结构示意图；
29.图2是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机中多类料存储机构的结构示意图；
30.图3是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机中挤出头的结构示意
图；
31.图4是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机打印数据处理流程图一；
32.图5是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机打印数据的处理流程图二；
33.附图标记说明：1、三轴打印平台；2、装载板；3、多类料存储机构；31、固定盒；32、活塞存储单元；4、挤出头；41、多通管；42、喉管；43、加热块；44、散热块；45、热感应单元；46、喷嘴；51、气泵；52、控制盒。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
35.应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
36.此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
37.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
38.本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
39.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
40.实施例1
41.本技术实施例公开一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机的结构方案。
42.参照图1，图1是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机的整体结构示意图。一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机包括：三轴打印平台1，所述三轴打印平台1即以直线导轨滑台模组实现x、y、z轴运动的三轴平台。所述三轴打印平台1的x轴的直
线导轨滑台模组上安装有装载板2，所述装载板2的正面安装有多类料存储机构3和挤出头4。
43.可以理解的是，上述三轴打印平台1至少配置有对滑台模组的步进电机/伺服电机控制的电控系统，以实现自动化的三轴运动。
44.所述装载板2以螺栓固定于三轴打印平台1的x轴的直线导轨滑台模组上，具体如长滑块的正面。在一个实施例中，在长滑块的面积足够时，也可用长滑块代替装载板2。
45.所述多类料存储机构3连接放料动力组，该放料动力组用于驱使内部物料送出，所述多类料存储机构3至少有两个出料口。所述挤出头4连通于双储料机构的出料口，该挤出头4为单挤出口。
46.所述放料动力组包括气泵51、集成安装气压阀的控制盒52以及通气管道；其中，气泵51作为气源，以通气管道与控制盒52的气压阀连通，气压阀为两个，分别通过通气管道与两个活塞存储单元32的尾端连通，以用于对螺口注射器的活塞推动，使其中的物料被送出。优选地，每个气压阀可单独控制流速；所述气泵的工作压力为0.1-0.6mpa。
47.可以理解的是，上述控制盒52电连接于三轴打印平台1的电控系统。
48.以气动挤压机制的气泵产生高压空气推动水凝胶，以阀门控制气体开关，整体结构简单，运行平稳和可操控性优秀，使得生物打印过程全程可控，更好地满足生物打印的需求。
49.实施例2
50.本实施例基于上述实施例的方案进一步说明本发明所述一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机中多类料存储机构的结构。
51.本实施例中，多类料存储机构3以两种物料为例，因此其下述关联结构相同。
52.参照图2，图2是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机中多类料存储机构的结构示意图。所述多类料存储机构3包括：固定盒31和两个活塞存储单元32。其中，固定盒31以螺栓固定于装载板2的正面；活塞存储单元32以竖向插接的方式置于固定盒31上，在本实施例中所述活塞存储单元32为螺口注射器。可以理解的是，上述螺口注射器的活塞杆截断，以避免干扰放料动力组的连接。
53.本实施例之所以选择螺口注射器，是因为在本技术的应用环境中，为保证卫生安全等，螺口注射器直接被作为耗材，而非重复利用的结构。
54.实施例3
55.本实施例基于实施例1的方案进一步说明本发明所述一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机中挤出头的结构。
56.参照图3，图3是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机中挤出头的结构示意图。所述活塞存储单元32送出的物料进入挤出头4，从喷嘴46被挤出进行3d打印。
57.所述挤出头4包括：多通管41、喉管42、加热块43(如内置ptc元件的金属块在)、散热块44、热感应单元45及喷嘴46。
58.在一个实施例中，挤出头还包括挤出盒，所述挤出盒固定于装载板2的正面，且位于多类料存储机构3的下方，用作收纳集成挤出头4的其他结构。优选地，所述喷嘴长度为0.5-2cm。优选地，所述喷嘴46的出口直径为0.1-0.6mm。
59.所述多通管41为三通管，与挤出盒连接安装，所述多通管41的左右端口为入口，以
管道连通于活塞存储单元32的出口端；多通管41的下端口为出口，并以法兰结构与喉管42的一端固定。所述喉管42竖向设置，在喉管42外部从上到下依次固定散热块44和加热块43，散热块44和加热块43相互脱离喉管42的下端成型适配喷嘴46的接口端。
60.优选的，所述喷嘴46在本实施例中选择平头针头，且可拆卸地连接于喉管42下端。
61.所述散热块44包括套管以及套管外壁的多个翅片，多个翅片沿套管长度分布，套管套接于喉管42且焊接固定。所述加热块43的上下部均有一螺母，螺母螺纹连接于喉管42，以实现对其固定。在加热块43上开设有一横向的预开孔，喉管42暴露于预开孔。
62.热感应单元45插接于预开孔内，且通过前后螺母锁定。
63.值得注意的是，加热块43设计成了可拆结构设计，因为在使用中，发热单元存在一定损坏几率，设计成可拆结构便于更换部件。
64.可以理解的是，加热块43和热感应单元45分别电连接于三轴打印平台的电控系统，以进行控制。
65.根据上述内容，物料从喷嘴46送出前通过喉管42。在一个实施例中，喉管42外套设的加热模块可以对喉管42的物料加热，维持3d打印所需的恒温环境，保证打印效果。
66.本实施中该打印机所具有的散热模块和恒温加热模块，可以对打印的物料加热，维持特殊材料3d打印所需的恒温工艺条件，保证打印效果。
67.实施例4
68.基于上述实施例，本实施例对本发明所述一种用于骨/软骨修复的双喷头生物3d打印机的打印数据处理进行说明。
69.本技术中的电控系统至少包括控制主板、电机驱动模块、继电器输出模块和电源模块。
70.对于本技术而言，上述电控系统被配置为有两路数据传输途径，且一路数据传输途径配置为：用于通过usb接口连接上位机；其另一路数据传输途径配置为：用于通过sp1接口读取sd卡。
71.同时，电控系统还被配置为：用于断是否有上位机发送的数据通过usb接口，如果是，则读取数据并保存在串口接收的缓存区；如果否，则读取sd卡中打印数据并保存到sd卡接收缓存区。
72.即当有上位机发送打印数据，则基于上位机的数据执行打印程式；而当无上位机发送的打印数据，则以sd卡中的数据执行打印程式。
73.参照图4，图4是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机打印数据处理流程图一。本技术的使用，可以通过上位机安装三维打印机移动系统，和三轴打印平台安装数控微量凝胶挤压系统构成压式水凝胶生物打印验证平台，使用solidworks软件设计三维实体模型，在切片软件slic3r中设置打印层厚、打印条带走形方向及打印速度等参数，分割三维实体模型生成连续的二维轮廓，生物打印机在生成的geode代码文件控制下，控制气泵、气压阀和三轴打印平台移动参数，从而完成水凝胶打印。
74.参照图5，图5是本发明所述一种用于骨/软骨的双喷头生物3d打印机打印数据的处理流程图二。本技术的3d打印机借助开源切片软件slic3r的优点，调用slic3r提供的api实现三维切片的功能，点击文件的加载模型按钮可加载stl文件，在切片中完成3d模型的切片并适当调整模型位置，点击文件中“生成stl格式文件”，即可生成gcode文件，通过直接将
sd卡将数据导入3d打印机，控制气泵、气压阀和三轴打印平台移动参数，开始打印实物，同时可以在打印系统中查看实时打印进度及工作参数。
75.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。