[发明专利]内外双旋盖结构的气动双作用生物3D打印喷头的控制方法

说明书

本发明公开了一种内外双旋盖结构的气动双作用生物3D打印喷头的控制方法，采用压力分级输入方式：当输入第一级压力时，作用力推动活塞组件向下滑移运动，运动到最大滑移位移为∆h，完成对工作状态喷头选择；当进一步提高压力输入时，内旋盖阀口开启，气体进入料筒内部压力腔b，挤出料筒内细胞液从挤出针头通道向下流出。本发明的多个喷头可以在垂直方向上用一个电机和相应传动装置来控制沉积高度。而多个喷头单元利用挤出的气动压力本身来驱动喷头单元内部组件的向下运动∆h,将工作的喷头从其他喷头中选出。这样，既避免其他喷头对工作成形面的干扰，也大大简化系统结构，降低成本。

技术领域

本发明涉及一种用于生物组织制造的适用多材料打印的内外双旋盖结构的气动双作用生物3D打印喷头的控制方法，用于细胞和生物材料打印，属于组织工程技术和生物3D打印领域。

背景技术

对于受损大块软组织及内脏器官的治疗，人体组织器官移植是一种极为有效的治疗方法。但是由于器官供体来源短缺、免疫排斥等问题存在，器官移植治疗在实际运用中存在难以克服的困难。而组织工程的提出为解决上述问题开辟了新的途径。组织工程是将活细胞通过某种方法附合在生物材料基质或者制备的支架上，来构建功能组织替代物。然后将构建的组织替代物进行培养以后植入患者体内，替换原有病变组织器官来恢复原有的身体机能实现对疾病治疗。目前组织工程皮肤的研究和运用就组织工程良好发展前景的有效例证。

传统组织工程研究一直受限于细胞植入技术，即“将细胞植入到支架上”这一组织工程固有技术环节中，无法将不同种类的细胞和生物材料精确定位到支架内部不同空间位置。实际上，随着组织工程研究的推进，研究工作逐步向大块软组织及内脏器官方面延生，由于这些组织和器官往往含有多种细胞和生物材料，而不同细胞或材料又具有特定的空间排布，因此上述技术局限性更加凸显。

近几年来，3D打印技术的迅猛发展，为工业制造开辟了新的制造生产模式。在生物领域内，生物打印、细胞三维受控组织等技术也应用而生。这些技术具有操作单个细胞或单成分微小尺寸液滴的能力，可以精确控制操作对象的空间位置和分布，对于实现大块组织和器官构建过程中不同种细胞和生物材料的空间位置沉积有着巨大的意义。因此，开发生物打印技术是未来组织工程研究的必然趋势。而在一个典型的生物打印机中，关键部件之一就是成形喷头。

为了满足大块软组织和内脏器官的多种细胞和材料的构建要求，需要开发一种多材料成形喷头。多材料成形喷头一般采用多个喷头并行安装在同一高度，每个喷头可以处理一种材料或细胞。打印过程中一般只有一个喷头在工作，同一高度处在待命状的其他喷头就可能存在对构建组织成形面的干扰。为解决这种问题，韩国浦项大学Dong-Woo Cho教授团队开发的多喷头组织/器官制造系，其喷头部分集成6组喷头，其中4组为气动挤出成形喷头，4组位活塞挤出成形喷头。为了喷头工作和待命两种状态，每组喷头配备一个驱动电机，通过传动机构将即参与工作的整个喷头组件下放到适合高度，利用高度差与其他待命状态喷头区分开，可以有效避免待命喷头在打印过程中对成形面干扰的情况。但由于施加驱动装置过多，其系统相对复杂，成本较高，并且不具有可扩展性。

为了在保证对待命和工作两种喷头状态区分，避免干扰情况出现，同时简化其系统结构，提高可扩展性，本发明提供一种面向多材料打印的气动双作用生物3D打印喷头结构。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种内外双旋盖结构的气动双作用生物3D打印喷头的控制方法，其特征在于：

打印之前，将细胞及生物材料溶液装到料筒内，初始状态下，在压缩弹簧作用下，滑移活塞处于顶部，所有挤出成形单元处于同一状态，因此针头顶端位于同一高度；在微型压缩弹簧作用下，阀芯位于顶端，内旋盖的阀口也处于关闭状态；