生物材料三維成形設(shè)備及其擠出噴頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種生物材料三維成形設(shè)備及其擠出噴頭，其特征在于：包括材料擠出驅(qū)動(dòng)單元和擠出前溫控單元，所述擠出前溫控單元包括導(dǎo)熱套、發(fā)熱體和半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)包括半導(dǎo)體制冷片；所述導(dǎo)熱套用于固定裝有生物材料的注射器且固定后導(dǎo)熱套內(nèi)表面與注射器的容器壁相接觸，所述發(fā)熱體與所述導(dǎo)熱套導(dǎo)熱連接，所述半導(dǎo)體制冷片固定在所述導(dǎo)熱套的外表面切冷效應(yīng)面緊貼所述導(dǎo)熱套；所述材料擠出驅(qū)動(dòng)單元用于推動(dòng)固定于所述導(dǎo)熱套內(nèi)的注射器的活塞，以擠出所述注射器內(nèi)的生物材料。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)能夠獲得更好的成形效果。
【專利說明】生物材料三維成形設(shè)備及其擠出噴頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物制造技術(shù)及生物材料三維打印，尤其是涉及生物材料三維成形設(shè)備及其擠出嗔頭。
【背景技術(shù)】
[0002]生物三維打印或生物材料快速成形是將生物材料或細(xì)胞擠出或噴射至特殊的成形環(huán)境中，采用層層堆積制造的方法制造組織工程支架或細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)體。在該技術(shù)中，用于生物材料擠出或噴射的噴頭是關(guān)鍵的組成部分。生物材料一般可以配置成溶液或溶膠，液態(tài)的生物材料溶液在壓縮氣體、活塞推動(dòng)、螺桿擠出或壓電晶體等的作用下被擠出或噴射，在特殊的環(huán)境下(如冷卻降溫和含有交聯(lián)劑的介質(zhì)環(huán)境等)凝固或固化。
[0003]成形環(huán)境對(duì)于生物材料的成形性能具有重要的影響，為獲得優(yōu)良的成形效果，現(xiàn)有技術(shù)采用加熱、添加交聯(lián)劑等方式優(yōu)化材料擠出后的成形環(huán)境。然而，現(xiàn)有的生物材料三維成形技術(shù)仍然存在材料溫度控制范圍小，僅能加熱至高于室溫的溫度，限制了材料的粘度調(diào)節(jié)范圍，導(dǎo)致成形效果不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]生物材料可以被配置成溶液，如合成聚合物PLLA、PLGA, PCL等可溶于1，4 二氧六環(huán)等有機(jī)溶劑，水凝膠材料明膠、海藻酸鈉、膠原等可溶于水和稀酸溶液等制備成液態(tài)溶膠。本發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這些溶液或溶膠除卻對(duì)擠出后的成形環(huán)境溫度具有特定的要求夕卜，影響其成形效果的因素更包括擠出前和擠出過程中的黏度/溫度以及擠出前后的黏度/溫差變化。通過改變生物材料擠出前的溫度以改變其在擠出時(shí)的粘度以及擠出前后的溫差，能夠影響甚至完全改變生物材料的可成型行(可成形性)，而且可優(yōu)化擠出材料微絲單元寬度、控制流延性能、降低擠出力等，從而提高成型成功率。更有些生物材料，需要在低于室溫的環(huán)境下才能夠獲得優(yōu)良的擠出成形性能。
[0005]基于上述研究，本發(fā)明提出一種生物材料三維成型設(shè)備的擠出噴頭以及采用該噴頭的設(shè)備，以提高生物材料擠出成型性能及擠出過程的可控性。
[0006]本發(fā)明通過下述手段解決前述技術(shù)問題:
[0007]—種生物材料三維成形設(shè)備的擠出噴頭，包括材料擠出驅(qū)動(dòng)單元和擠出前溫控單元，所述擠出前溫控單元包括導(dǎo)熱套、發(fā)熱體和半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)包括半導(dǎo)體制冷片；
[0008]所述導(dǎo)熱套用于固定裝有生物材料的注射器且固定后導(dǎo)熱套內(nèi)表面與注射器的容器壁相接觸，所述發(fā)熱體與所述導(dǎo)熱套導(dǎo)熱連接，所述半導(dǎo)體制冷片固定在所述導(dǎo)熱套的外表面且冷效應(yīng)面緊貼所述導(dǎo)熱套；
[0009]所述材料擠出驅(qū)動(dòng)單元用于推動(dòng)固定于所述導(dǎo)熱套內(nèi)的注射器的活塞，以擠出所述注射器內(nèi)的生物材料。
[0010]優(yōu)選地:[0011]所述材料擠出驅(qū)動(dòng)單元包括:驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直線導(dǎo)軌和注射器推進(jìn)桿，所述直線導(dǎo)軌與所述導(dǎo)熱套的軸心同軸，所述注射器推進(jìn)桿安裝在所述直線導(dǎo)軌的滑塊上，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于推動(dòng)所述注射器推進(jìn)桿沿所述直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，所述注射器推進(jìn)桿進(jìn)而推動(dòng)固定于所述導(dǎo)熱套內(nèi)的注射器的活塞以擠出所述注射器內(nèi)的生物材料。
[0012]所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)還包括水冷子系統(tǒng)，該水冷子系統(tǒng)包括水冷板、水箱、水泵和水冷散熱排，所述水冷板緊貼所述半導(dǎo)體制冷片的熱效應(yīng)面，水冷板的入水口與水泵的出水口相連，所述水泵的入水口位于所述水箱中，所述水冷板的出水口通過輸水管道連接至所述水箱中，所述水冷散熱排設(shè)置在所述輸水管道上用于對(duì)輸水管道中的水進(jìn)行散熱。
[0013]所述導(dǎo)熱套為導(dǎo)熱金屬套。
[0014]所述導(dǎo)熱金屬套為導(dǎo)熱銅套或?qū)徜X套。
[0015]所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
[0016]一種生物材料三維成形設(shè)備，包括前述任意一項(xiàng)所述的擠出噴頭。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的噴頭利用導(dǎo)熱套同時(shí)作為注射器的固定裝置和向注射器導(dǎo)熱的導(dǎo)熱裝置，然后利用發(fā)熱體對(duì)導(dǎo)熱套進(jìn)行加熱，利用半導(dǎo)體制冷片對(duì)導(dǎo)熱套進(jìn)行制冷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出前和擠出過程中的生物體材料的溫度/黏度進(jìn)行準(zhǔn)確控制。而本發(fā)明采用的半導(dǎo)體制冷片而且相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液氮、干冰等制冷方式，不僅能夠精確地進(jìn)行溫控，而且不會(huì)引起擠出頭的震動(dòng)，對(duì)成形精度無負(fù)面影響。對(duì)噴頭制冷也可采用其他制冷方式，如風(fēng)冷、液氮、干冰、壓縮制冷等，然而風(fēng)冷無法將噴頭降至所要求的溫度，液氮、干冰等制冷方式需要引入制冷劑，而且難以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，壓縮機(jī)制冷的方式則要占用較大的體積，不適合用所要求的在較小的空間范圍實(shí)現(xiàn)制冷，而本發(fā)明所提出的制冷型噴頭則有效解決上了上述問題，能夠在較小的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴頭的冷卻，實(shí)現(xiàn)精確控溫。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】提供的制冷型生物材料擠出噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是圖1的側(cè)視圖；
[0020]圖3是水冷子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]本實(shí)施例提供的一種生物材料三維成型設(shè)備，其包括注射器形式的擠出噴頭，該噴頭設(shè)有擠出驅(qū)動(dòng)單元以及擠出前溫控單元.[0023]如圖1、2所示，本實(shí)施例的擠出驅(qū)動(dòng)單元包括并排設(shè)置的多個(gè)，每個(gè)擠出驅(qū)動(dòng)單元對(duì)應(yīng)可安裝一個(gè)裝有生物材料的醫(yī)用無菌注射器，擠出驅(qū)動(dòng)單元通過推動(dòng)注射器的活塞以擠出注射器所裝的生物材料進(jìn)行打印。本實(shí)施例的擠出驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、注射器推進(jìn)桿2、直線導(dǎo)軌3和滑塊4 ;注射器推進(jìn)桿2通過滑塊4安裝在直線導(dǎo)軌3上，從而能夠與滑塊4 一同在直線導(dǎo)軌3的導(dǎo)向下移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)I用于推動(dòng)注射器推進(jìn)桿2。參見圖1，圖1中左側(cè)的注射器推進(jìn)桿為處于其尚未被推進(jìn)而處于最上端的工作位，而右側(cè)的注射器推進(jìn)桿則處于已經(jīng)將注射器的活塞推至生物材料全部擠出的最下端的工作位。本實(shí)施例的直線導(dǎo)軌3采用絲桿，而滑塊4則為與絲桿相匹配的絲桿螺母，但本發(fā)明并不限于前述方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用其所熟知的現(xiàn)有各種形式的導(dǎo)軌；所屬驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)選為步進(jìn)電機(jī)。
[0024]如圖1 一 3所示,本實(shí)施例的擠出前溫控單元包括導(dǎo)熱套6、發(fā)熱體(圖中未示出)和包括半導(dǎo)體制冷片7的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，該半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)還包括包括由水冷板8、水箱
12、水泵11和水冷散熱排13組成的水冷子系統(tǒng)。導(dǎo)熱套6優(yōu)選為環(huán)形的金屬筒結(jié)構(gòu)，其用于固定裝有生物材料的注射器5且固定后導(dǎo)熱套6內(nèi)表面與注射器5的容器壁相接觸；發(fā)熱體與導(dǎo)熱套6導(dǎo)熱連接，用于在生物材料需要加熱時(shí)加熱導(dǎo)熱套6 ;半導(dǎo)體制冷片7固定在所述導(dǎo)熱套的外表面切冷效應(yīng)面緊貼所述導(dǎo)熱套，用于在生物材料需要降溫時(shí)制冷導(dǎo)熱套6。所述水冷子系統(tǒng)利用循環(huán)水對(duì)半導(dǎo)體制冷片的熱效應(yīng)面進(jìn)行散熱，水冷板8包括入水口 9和出水口 10，水冷板的入水口 9與水泵的出水口 14連接、出水口 10通過輸水管道15連接至水箱12，水冷散熱排13設(shè)置在輸水管道15上，用于對(duì)輸水管道中的水進(jìn)行散熱。
[0025]作為一種優(yōu)選的方式，所屬半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)還可包括測(cè)溫探頭和溫控器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控導(dǎo)熱套的溫度及控制半導(dǎo)體制冷片和發(fā)熱體的工作。
[0026]本發(fā)明的導(dǎo)熱套優(yōu)選導(dǎo)熱性能優(yōu)良的銅套或鋁套。
[0027]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種生物材料三維成形設(shè)備的擠出噴頭，其特征在于:包括材料擠出驅(qū)動(dòng)單元和擠出前溫控單元，所述擠出前溫控單元包括導(dǎo)熱套、發(fā)熱體和半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)包括半導(dǎo)體制冷片； 所述導(dǎo)熱套用于固定裝有生物材料的注射器且固定后導(dǎo)熱套內(nèi)表面與注射器的容器壁相接觸，所述發(fā)熱體與所述導(dǎo)熱套導(dǎo)熱連接，所述半導(dǎo)體制冷片固定在所述導(dǎo)熱套的外表面且冷效應(yīng)面緊貼所述導(dǎo)熱套； 所述材料擠出驅(qū)動(dòng)單元用于推動(dòng)固定于所述導(dǎo)熱套內(nèi)的注射器的活塞，以擠出所述注射器內(nèi)的生物材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠出噴頭，其特征在于:所述材料擠出驅(qū)動(dòng)單元包括:驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直線導(dǎo)軌和注射器推進(jìn)桿，所述直線導(dǎo)軌與所述導(dǎo)熱套的軸心同軸，所述注射器推進(jìn)桿安裝在所述直線導(dǎo)軌的滑塊上，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于推動(dòng)所述注射器推進(jìn)桿沿所述直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，所述注射器推進(jìn)桿進(jìn)而推動(dòng)固定于所述導(dǎo)熱套內(nèi)的注射器的活塞以擠出所述注射器內(nèi)的生物材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠出噴頭，其特征在于:所述半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)還包括水冷子系統(tǒng)，該水冷子系統(tǒng)包括水冷板、水箱、水泵和水冷散熱排，所述水冷板緊貼所述半導(dǎo)體制冷片的熱效應(yīng)面，水冷板的入水口與水泵的出水口相連，所述水泵的入水口位于所述水箱中，所述水冷板的出水口通過輸水管道連接至所述水箱中，所述水冷散熱排設(shè)置在所述輸水管道上用于對(duì)輸水管道中的水進(jìn)行散熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠出噴頭，其特征在于:所述導(dǎo)熱套為導(dǎo)熱金屬套。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擠出噴頭，其特征在于:所述導(dǎo)熱金屬套為導(dǎo)熱銅套或?qū)徜X套。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擠出噴頭，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
7.—種生物材料三維成形設(shè)備，其特征在于:包括權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的擠出嗔頭。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK103587119SQ201310566068
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】劉長勇, 彌勝利, 劉多靜, 孫偉, 林峰, 蘇鑫, 徐圓圓 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院