本發(fā)明專利涉及組織工程領域中的噴頭制造技術，涉及到一種自動控制生物材料包裹的噴頭裝置。

背景技術：

近年來，3D生物打印技術在生物工程方面的應用，為器官疾病患者、皮膚燒傷患者、多器官藥物篩選、血管的構造等帶來了驚喜和希望，隨著3D生物打印技術的發(fā)展，接近上百萬的疾病患者將通過3D生物打印的方式獲得新生。然而，活細胞打印面臨一個很大的問題，即通過打印獲得的組織或器官的免疫排斥現(xiàn)象，這是全世界科研學者都面臨著的亟待解決的問題。據(jù)統(tǒng)計，中國的器官庫存量非常低，遠不夠器官移植的需求，中國每年因為尿毒癥須接受腎臟移植的大約有12萬例，而僅有二十分之一的患者有機會接受腎臟移植；而肝臟移植的疾病患者有一百萬左右，每年僅有三四千人有機會接受肝臟移植手術。對此，人們采用傳統(tǒng)的器官移植的方法以及動物器官移植的方法來解決，這都將可能導致人體免疫器官排斥現(xiàn)象，經(jīng)器官移植的病人需要長期服用抗免疫藥物，才能使疾病患者能繼續(xù)得到生存，這不僅加重了病人的經(jīng)濟負擔，而且使病人的健康得不到保證。然而，3D生物打印的出現(xiàn)可解決這一問題。

3D生物打印實質(zhì)是通過壓力反饋控制系統(tǒng)，控制墨盒中的活性的生物材料和包裹材料均勻地打印在生物支架上，形成器官的形狀，然后利用促生長因子在人體體液的環(huán)境下將打印成型器官原型進行誘導分化形成具有相應功能的器官。完成上述過程最主要的限制因素是噴頭控制裝置的設計。即如何實現(xiàn)細胞或活性生物材料的包裹、實現(xiàn)生物顆粒的均勻排布、精確控制生物顆粒排列個數(shù)等問題。

基于以上對器官、皮膚、藥物篩選等需求以及噴頭設計要求的問題，本發(fā)明專利公布了一種具有包裹功能的噴頭裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利的目的是針對現(xiàn)有的3D生物打印機噴頭制造存在的缺點以及專利（CN201520289726.1）在實際應用的缺陷，研發(fā)適用于活性生物材料打印的噴頭，該噴頭可實現(xiàn)細胞或活性生物材料的包裹，實現(xiàn)包裹微粒的均勻分布，通過該噴頭裝置可更好地保護細胞或活性生物材料活性。

為達到以上設計目的，本發(fā)明專利采取以下設計方案：

一種具有包裹功能的噴頭裝置，其特征在于噴頭機構包括噴頭主體、錐定位、針頭、緊定螺母、快速接頭、密封螺釘和毛細管。錐定位件和噴頭主體之間通過螺紋固定并通過錐度實現(xiàn)定位；毛細管與錐定位件之間通過間隙配合實現(xiàn)定位，通過粘結的方式實現(xiàn)固定；針頭通過緊定螺母與噴頭主體進行固定，通過噴頭主體的出口端錐度實現(xiàn)定位，從而達到錐定位件與針頭的同軸度要求；裝有生物材料的墨盒和裝有包裹材料的墨盒分別與快速接頭相連；該噴頭控制系統(tǒng)還包括氣壓自動控制回路，該氣壓回路由比例閥、減壓閥、控制器、過濾器、氣源等組成，該氣壓控制回路可通過比例閥的控制獲得連續(xù)壓力和非連續(xù)壓力，從而實現(xiàn)不同的包裹效果。

一種具有包裹功能的噴頭裝置的工作原理：首先，調(diào)節(jié)減壓閥的壓力為1MPa，保持比例閥之前的氣路壓力為1MPa，比例閥處于關閉狀態(tài)；其次，控制器控制比例閥的開口度，使后續(xù)壓力回路中壓力0-1MPa之間變化；最后，通過壓力控制墨盒中生物材料流量，進而控制噴頭中生物材料和包裹材料的流速，實現(xiàn)生物材料包裹和均勻的擠出。

在上述的具有包裹功能的噴頭裝置中，毛細管與針頭需滿足同軸度要求。

在上述的具有包裹功能的噴頭裝置中，錐定位件方便安裝且易拆卸，通過改變毛細管的直徑，控制細胞或活性生物材料的輸出速率和直徑，且細微孔不需要再加工。

在上述的具有包裹功能的噴頭裝置中，針頭方便安裝且易拆卸，并且可通過改變針頭的直徑，控制生物材料的擠出直徑。

在上述的具有包裹功能的噴頭裝置中，該裝置具有加工制造簡單的特點，針頭和毛細管通過外購的方式獲得，采用粘結的方式固定毛細管，針頭采用緊定螺母的方式固定，該裝置克服了專利（CN201520289726.1）中內(nèi)筒和外筒傳統(tǒng)微長孔加工的問題，并有效的減小了噴頭整體的尺寸和加工周期，提高了噴頭整體的安裝精度并大幅度節(jié)約成本，且能控制毛細管的直徑范圍在0.05mm~0.8mm之間。

在上述的具有包裹功能的噴頭裝置中，該噴頭系統(tǒng)包含控制器、比例閥、電磁閥、傳感器等共同構成氣壓反饋調(diào)節(jié)回路，使氣壓回路中的壓力保持穩(wěn)定。

與現(xiàn)有的噴頭技術相比，本自動控制生物材料包裹的噴頭裝置具有以下優(yōu)點：

1）該裝置可實現(xiàn)細胞和活性生物材料的包裹，實現(xiàn)包裹后的顆粒按等間隔均勻分布。

2）通過自動控制比例閥的開口度，保持墨盒中的壓力連續(xù)穩(wěn)定和非連續(xù)性變化，實現(xiàn)生物材料包裹和等間隔均勻分布。

3）通過該具有包裹功能噴頭結構的設計，可減少細胞和活性生物材料的死亡率，并提高生物材料的粘附率。

附圖說明

圖1噴頭裝置示意圖

圖2噴頭裝置的剖面示意圖

圖3自動氣壓調(diào)節(jié)回路示意圖

圖4壓力調(diào)節(jié)示意圖

圖中1、快速接頭；2、快速接頭；3、錐定位件；4、噴頭主體；5、緊定螺母；6、針頭，7、密封螺釘；8、毛細管；9、氣源；10、減壓閥；11、兩聯(lián)件； 12、比例閥；13、電磁閥；14、壓力傳感器；15、墨盒；16、噴頭裝置；17、控制器。

具體實施方式

為進一步闡述本發(fā)明專利的可行性、實用性以及操作簡便型，本發(fā)明將結合示意圖對發(fā)明專利進行詳細的描述。

一種具有包裹功能的噴頭裝置，如圖1和2所示，包括快速接頭1、快速接頭2、錐定位件3、噴頭主體4、緊定螺母5、針頭6、密封螺釘7、毛細管8。噴頭主體4與錐定位件3之間通過螺紋固定且通過錐定位保持同軸度要求，該結構可防止包裹材料外泄；針頭6通過緊定螺母5與噴頭主體4固定，通過噴頭主體4錐度設計實現(xiàn)針頭6定位從而達到同軸度要求；密封螺釘7起到密封的作用，防止包裹材料或活性生物材料外泄。

圖3為噴頭的氣壓自動反饋調(diào)節(jié)控制回路，氣源9通過減壓閥10、兩聯(lián)件11、比例閥12、電磁閥13、壓力傳感器14、墨盒15、噴頭裝置16、控制器17等，該氣壓控制回路可實現(xiàn)壓力連續(xù)和非連續(xù)調(diào)節(jié)，如圖4所示，且能維持回路中壓力的穩(wěn)定。

快速接頭1和快速接頭2分別為生物材料和包裹材料入口，生物材料和包裹材料在不同的壓力下通過入口進入噴頭主體4，通過控制比例閥12實現(xiàn)包裹材料和生物材料均勻排出。當外接電磁閥13采用非連續(xù)性控制時，壓力變化如圖4中（2）所示，當輸出的壓力為p1時，細胞或活性生物材料顆粒受力較小，顆粒將不會被擠出；當輸出的壓力為p2（p2>p1），細胞或活性生物材料顆粒所受的擠出力將克服阻力實現(xiàn)顆粒的擠出，從而實現(xiàn)生物材料等間隔均勻排布。

當電磁閥13采用連續(xù)性控制時，壓力變化如圖4中（1）所示。若內(nèi)腔流體的壓力大于外腔流體的壓力，即p1>p2,細胞或活性生物材料將被外層包裹材料包裹后連續(xù)不斷的流出；若內(nèi)腔流體的壓力小于外腔流體的壓力，即p1<p2，外腔的壓力較大，則在內(nèi)腔產(chǎn)生負壓，隨著外腔包裹材料的不斷流動，生物材料將被吸出，按照一定尺寸均勻排布。

本發(fā)明專利所設計的噴頭裝置進行細胞或生物材料包裹的具體步驟：

1）搭建氣壓反饋控制回路系統(tǒng)，該氣路控制系統(tǒng)主要包括氣源、減壓閥、比例閥、電磁閥、控制器等，通過該氣路為墨盒提供持續(xù)穩(wěn)定的壓力；

2）將氣壓反饋調(diào)節(jié)裝置與比例閥聯(lián)接，從而控制比例閥開口度，實現(xiàn)氣壓回路中的壓力的調(diào)節(jié)；

3）將1）中提到的氣路回路反饋系統(tǒng)與墨盒聯(lián)接，墨盒與噴頭裝置進行聯(lián)接，檢查回路避免漏氣；

4）通過2）中反饋調(diào)節(jié)裝置，控制1）中電磁閥的為連續(xù)控制，分別保持不同的腔體內(nèi)壓力的穩(wěn)定，實現(xiàn)生物材料連續(xù)擠出；

5）通過2）中氣壓反饋調(diào)節(jié)裝置，控制1）中電磁閥的為非連續(xù)控制，從而控制細胞或活性生物材料以顆粒形式按照一定間距均勻排列。

本發(fā)明通過噴頭裝置和氣壓反饋控制回路實現(xiàn)細胞或活性生物材料包裹和等間距均勻排列，氣路反饋控制系統(tǒng)與墨盒連接，墨盒與噴頭裝置連接，噴頭裝置與壓力傳感器連接，壓力傳感器與信號處理器連接，信號處理器與分析器連接，分析器與控制器連接，控制器與比例閥連接。

分析器接受來自壓力傳感器的信息并做出反饋，控制器控制比例閥開口度，壓力傳感器獲取壓力值將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后傳送到分析器，分析器即計算機，對壓力數(shù)據(jù)進行分析，形成反饋控制指令。

本發(fā)明專利并不局限于上訴實施方式，如果對本發(fā)明專利的各種改動和變型不脫離本發(fā)明專利的精神和范圍，倘若這些改動和變型屬于本發(fā)明專利的權利要求和等同技術范圍之內(nèi)，則本發(fā)明專利也意圖包含這些改動和變型。

盡管本文較多地使用了1、快速接頭，2、快速接頭，3、錐定位件，4、噴頭主體，5、緊定螺母，6、針頭，7、密封螺釘，8、毛細管，9、氣源，10、減壓閥，11、兩聯(lián)件，12、比例閥，13、電磁閥，14、壓力傳感器，15、墨盒，16、噴頭裝置，17、控制器等術語，但并不排除其它術語的可能性，使用這些術語僅僅是為了更好地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。