一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，包括噴頭裝置、控制系統，所述的噴頭裝置采用直齒輪傳動機構，設置在3D生物打印機三維運動機構中Z軸運動機構上，隨著Z軸運動滑塊上下運動；所述的控制系統控制噴頭系統中步進電機的運動。本實用新型專利技術結合氣動擠出成形工藝原理,由噴頭裝置和控制系統控制扁狀注射器針頭的角度,實現打印路徑寬度的均勻性。本實用新型專利技術提供的針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統及方法，可實現三維支架打印過程中微通道路徑的均勻性。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，能實現使用扁狀注射器針頭三維支架打印過程中微通道路徑的均勻性，應用于機械制造和生物制造

技術介紹
組織工程是目前較為熱門的一門交叉學科。其三大要素有細胞、生物材料支架及生長因子。在多孔支架成形工藝方面，傳統方法的工藝方法包括纖維粘合法、溶劑澆鑄法/顆粒濾粒法、熔融法、氣體發泡法、相分離法、燒結微球法等。這些傳統方法雖然獲得了較成功的多孔支架，但它們所得到的多孔支架的性能并不理想。主要表現在缺乏力學強度、孔隙的相互貫通程度底、孔隙率與孔分布的可控性差，這將影響到細胞的長入和組織的血管化。3D打印技術（增量制造技術）是近年來發展的一種新型的機械制造技術，也是生物制造領域的一種新興的技術，為組織工程學提供了有利的方法。增量制造技術是基于離散/堆積成形的原理，把三維模型變成一系列二維層片，再根據每個層片的輪廓信息進行工藝規劃，選擇合適的加工參數，自動生成數控代碼，最后由成形機接受控制指令制造一系列層片并自動將它們聯接起來，可以精確的復制出與生物體同樣形狀的形體。氣動擠出復合成形工藝將支架材料制成液態，在氣動泵的壓力下，經由噴頭，將溶液以絲狀擠出，然后進行靜電紡絲噴射，在常溫下堆積成形。氣動擠出復合成形的具體工藝過程為：1）通過CT掃描后進行三維重建，補缺得到STL模型文件，然后通過前置處理系統處理后生成加工路徑文件，得到成形的坐標代碼。2）選擇實驗的材料，分別按照合適的比例配制溶液，制成備用。3）將材料加入到成形設備的各噴頭的無菌注射器中，計算機的控制軟件來控制各噴頭的掃描運動和擠壓/噴射運動。在常溫成形室中，從噴頭中出來的材料凝固且相互粘接在一起，堆積成形三維的支架，將含有細胞的材料進行電紡絲制備出具有生物活性的復合三維支架。在組織工程中，新的組織形成之前，建立血管網絡是至關重要的。目前針對組織工程中血管網絡的建立方式主要有以下幾種：1）利用生長因子促進新血管的形成；2）血管內皮細胞與種子細胞聯合培養與支架形成復合物后植入體內促進血管生成；3）顯微外科技術與組織工程聯合應用促進血管形成；4）聯合基因工程技術促進血管形成。結合3D打印系統的特點，通過制定合理的工藝，可以實現支架與血管網絡的同時打印。
技術實現思路
本技術的目的是針對已有技術存在的缺陷，提供一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，該系統由單片機控制，通過直齒輪傳動來實現扁狀針頭的旋轉，具有裝置簡單可靠、制作成本低、工藝可控性好，自動化程度高等優點，能實現帶有交叉血管網絡而且空間定點定量可控復合多種生物因子的組織工程支架的制備。為達到上述目的，本技術采用下述技術方案：一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，包括噴頭裝置和控制系統，所述噴頭裝置包括噴頭架、步進電機、螺旋彈性聯軸器、主動軸、氈圈、第一軸承端蓋、墊片、深溝球軸承、主動齒輪、鍵、注射器針頭、六角螺釘、第二軸承端蓋、套筒、從動齒輪、從動軸、注射器活塞筒體、注射器活塞筒體固定套、螺栓、螺母；所述步進電機安裝在噴頭架上；步進電機伸出軸向下通過螺旋彈性聯軸器與主動軸相連；主動軸安裝深溝球軸承，再在主動軸上安裝套筒；主動軸系中，通過深溝球軸承來實現軸系的轉動，第一軸承端蓋和第二軸承端蓋通過六角螺釘固定在噴頭架上，承端蓋與噴頭架之間設有墊片，第一軸承端蓋與主動軸之間有氈圈密封，主動齒輪通過鍵與主動軸固定；從動齒輪與主動齒輪嚙合，從動齒輪通過鍵與從動軸固定，從動軸上一次安裝套筒和深溝球軸承，從動軸系中，通過深溝球軸承來實現軸系的轉動，從動齒輪通過注射器針頭的錐度以及凹槽來分別實現軸向和周向定位；注射器活塞筒體通過注射器活塞筒體固定套的夾緊作用來實現軸向和周向的定位，注射器活塞筒體固定套通過螺栓和螺母來實現夾緊；所述控制系統通過單片機經由步進電機驅動板來驅動步進電機的旋轉角度。本裝置的操作原理如下：步進電機運行帶動主動軸旋轉，同時帶動主動齒輪旋轉，主動齒輪通過嚙合帶動從動齒輪旋轉，即帶動注射器針頭旋轉；通過氣泵提供氣體將注射器活塞筒體中的材料溶液從注射器針頭中擠出。所述的控制系統由單片機、步進電機驅動板等組成；步進電機驅動板將單片機發出的信號進行放大，傳送給步進電機，步進電機每接收一個脈沖，便轉過一個步距角。一種利用上述系統進行生物3D打印成形方法，包括如下操作步驟：a．在制備成形支架前，通過CT掃描重建得到三維模型，用數據處理軟件進行模型分層，得到成形的坐標G代碼，將文件輸入到計算機控制軟件中；b.將混合的3D打印材料溶液分別裝載于活塞式注射器的注射器活塞筒體中，消除注射器活塞筒體中的氣泡；c.將針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統安裝在打印機Z軸運動滑塊上，利用控制及數據處理系統驅動三維運動機構的步進電機，然后通過氣泵提供氣壓來控制注射器活塞筒體中液體擠出，從而控制注射器針頭的輸出液流的速度；d．先打印出支架部分，再在支架上打印出3層的類血管結構，再在類血管結構上繼續打印支架；e．打印3層類血管結構時，為了實現對中間層的更好的包覆，上下兩層采用扁平化的針頭打印，打印出的材料橫截面為類橢圓形，從而增加了與中間層材料的接觸面積。本技術與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：1.本技術采用齒輪轉動來控制扁平化的針頭的旋轉角度，從而實現了打印路徑寬度的均勻性。2.對于針頭旋轉角度控制來說，只須通過電機的轉動來控制注射器針頭的旋轉，不受噴頭位置參數的影響。3.本技術可用于帶有交叉血管網絡的組織工程支架的制備。綜上所述，本技術所述系統利用噴頭裝置、控制系統綜合實現了帶有交叉血管網絡的組織工程支架的制備。該系統具有結構簡單可靠、自動化程度高、易控制等優點，適用于組織工程中帶有交叉血管網絡的組織工程支架的成形。附圖說明圖1是本技術提供的針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統的結構示意圖。圖2是噴頭裝置的剖視圖。圖3是扁平化注射器針頭的示意圖。具體實施方式下面結附圖，對本技術的具體實施例做進一步的說明。如圖1至圖3所示，一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，包括噴頭裝置和控制系統，所述噴頭裝置包括噴頭架11、步進電機12、螺旋彈性聯軸器13、主動軸14、氈圈15、第一軸承端蓋16、墊片17、深溝球軸承18、主動齒輪19、鍵31、注射器針頭32、六角螺釘33、第二軸承端蓋34、套筒35、從動齒輪36、從動軸37、注射器活塞筒體38、注射器活塞筒體固定套39、螺栓40、螺母41；所述步進電機12安裝在噴頭架11上；步進電機伸出軸向下通過螺旋彈性聯軸器13與主動軸14相連；主動軸14安裝深溝球軸承18，再在主動軸14上安裝套筒35；主動軸系中，通過深溝球軸承18來實現軸系的轉動，第一軸承端蓋16和第二軸承端蓋34通過六角螺釘33固定在噴頭架11上，承端蓋與噴頭架11之間設有墊片17，第一軸承端蓋16與主動軸14之間有氈圈15密封，主動齒輪19通過鍵31與主動軸14固定；從動齒輪36與主動齒輪19嚙合，從動齒輪36通過鍵31與從動軸37固定，從動軸37上一次安裝套筒35和深溝球軸承18，從動軸系中，通過深溝球軸承18來實現軸系的轉動，從動齒輪36通過注射器針頭32的錐度以及凹槽來分別實現軸向和周向定位；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，包括噴頭裝置和控制系統，其特征在于，所述噴頭裝置包括噴頭架（11）、步進電機（12）、螺旋彈性聯軸器（13）、主動軸（14）、氈圈（15）、第一軸承端蓋（16）、墊片（17）、深溝球軸承（18）、主動齒輪（19）、鍵（31）、注射器針頭（32）、六角螺釘（33）、第二軸承端蓋（34）、套筒（35）、從動齒輪（36）、從動軸（37）、注射器活塞筒體（38）、注射器活塞筒體固定套（39）、螺栓（40）、螺母（41）；所述步進電機（12）安裝在噴頭架（11）上；步進電機伸出軸向下通過螺旋彈性聯軸器（13）與主動軸（14）相連；主動軸（14）安裝深溝球軸承（18），再在主動軸（14）上安裝套筒（35）；主動軸系中，通過深溝球軸承（18）來實現軸系的轉動，第一軸承端蓋（16）和第二軸承端蓋（34）通過六角螺釘（33）固定在噴頭架（11）上，承端蓋與噴頭架（11）之間設有墊片（17），第一軸承端蓋（16）與主動軸（14）之間有氈圈（15）密封，主動齒輪（19）通過鍵（31）與主動軸（14）固定；從動齒輪（36）與主動齒輪（19）嚙合，從動齒輪（36）通過鍵（31）與從動軸（37）固定，從動軸（37）上一次安裝套筒（35）和深溝球軸承（18），從動軸系中，通過深溝球軸承（18）來實現軸系的轉動，從動齒輪（36）通過注射器針頭（32）的錐度以及凹槽來分別實現軸向和周向定位；注射器活塞筒體（38）通過注射器活塞筒體固定套（39）的夾緊作用來實現軸向和周向的定位，注射器活塞筒體固定套（39）通過螺栓（40）和螺母（41）來實現夾緊；所述控制系統通過單片機（21）經由步進電機驅動板（22）來驅動步進電機（12）的旋轉角度。...

【技術特征摘要】
1.一種針頭可旋轉生物3D打印機噴頭系統，包括噴頭裝置和控制系統，其特征在于，所述噴頭裝置包括噴頭架（11）、步進電機（12）、螺旋彈性聯軸器（13）、主動軸（14）、氈圈（15）、第一軸承端蓋（16）、墊片（17）、深溝球軸承（18）、主動齒輪（19）、鍵（31）、注射器針頭（32）、六角螺釘（33）、第二軸承端蓋（34）、套筒（35）、從動齒輪（36）、從動軸（37）、注射器活塞筒體（38）、注射器活塞筒體固定套（39）、螺栓（40）、螺母（41）；所述步進電機（12）安裝在噴頭架（11）上；步進電機伸出軸向下通過螺旋彈性聯軸器（13）與主動軸（14）相連；主動軸（14）安裝深溝球軸承（18），再在主動軸（14）上安裝套筒（35）；主動軸系中，通過深溝球軸承（18）來實現軸系的轉動，第一軸承端蓋（16）和第二軸承端蓋（...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉媛媛，蔣維健，謝明亮，胡慶夕，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：新型
國別省市：上海;31