本發(fā)明涉及一種3D生物打印噴頭組件及打印裝置，特別涉及一種可應用于多種生物打印材料混合固化的3D生物打印噴頭組件、打印裝置與應用，屬于生物醫(yī)學工程領域。

背景技術：

3D生物打印技術是基于3D打印技術上發(fā)展的，應用于生物體損傷修復以及功能治療的治療手段。3D生物打印技術利用3D生物打印機將生物材料按照事先根據(jù)損傷部位特點編輯的程序通過打印機噴嘴打印出來，這樣就能得到根據(jù)目標設計的損傷修復材料。這種利用3D生物打印進行精準、個性化的治療方法具有重要的應用。

目前的3D生物打印技術主要還是停留在傳統(tǒng)3D材料打印技術方法上，即將材料通過一個噴嘴噴出來固化成型。而且傳統(tǒng)的3D打印技術也是將細胞和生物材料均勻混合后通過一個噴嘴噴出。這種打印方法不能適合實際生物打印的要求，因為根據(jù)生物打印材料的不同特性，固化時間會有長有短。如若打印墨水材料固化速度太慢、固化時間太長，則材料不能在擠出打印頭后及時固化，從而無法保證打印精度；如若打印墨水材料固化速度太快、固化時間太短，則又會在噴頭內(nèi)部快速凝固導致噴頭堵塞，使打印無法正常進行。因此，傳統(tǒng)的3D打印方法對生物打印材料的固化時間不敏感，不易控制打印精度或不能解決噴頭堵塞問題。因而急需一種新的針對多種生物材料不同速率的打印噴頭及打印裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件及打印裝置，以克服現(xiàn)有技術中的不足。

本發(fā)明的另一目的在于提供所述用于多材料的3D生物打印噴頭組件及打印裝置的應用。

為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案包括：

本發(fā)明實施擬提供了一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件，其包括：

至少兩個獨立腔室，所述獨立腔室具有生物打印墨水輸入口和生物打印墨水輸出口，生物打印墨水經(jīng)所述生物打印墨水輸入口連續(xù)進入獨立腔室，并從所述生物打印墨水輸出口輸出；

混合腔室，具有混合墨水輸出口和至少兩個生物打印墨水接收口，用于接收每個所述獨立腔室輸出的生物打印墨水并使之混合均勻，再經(jīng)混合墨水輸出口輸出；

以及打印噴嘴，與所述混合墨水輸出口連通，所述打印噴嘴包括沿所述生物打印墨水的流動方向設置的管徑可調(diào)的墨水管道。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述打印噴嘴包括相互嵌合的復數(shù)根不同直徑的墨水管道，每根所述墨水管道的管徑沿所述生物打印墨水的流動方向依次遞減，每根所述墨水管道的上部均具有向管道內(nèi)壁方向凹陷的環(huán)形結構，相鄰兩根墨水管道的所述環(huán)形結構相互卡接，至少用以通過拉伸或收縮墨水管道的方式調(diào)節(jié)打印噴嘴的整體長度。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述獨立腔室內(nèi)還設置有壓力活塞，將所述獨立腔室內(nèi)形成密閉空間，至少用以控制生物打印墨水的輸入速率和輸出速率。

更優(yōu)選的，所述壓力活塞與一外部驅動機構連接。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述打印噴頭組件還包括：

至少兩個進樣管，分別與所述獨立腔室的生物打印墨水輸入口連通；

至少兩個導流管，一端與所述獨立腔室的生物打印墨水輸出口連通，另一端與所述混合腔室的生物打印墨水接收口連通。

優(yōu)選的，所述混合腔室包括Y型混合通道。

進一步的，所述壓力活塞設置于所述獨立腔室的頂部，所述生物打印墨水輸入口和生物打印墨水輸出口分別設置于-所述獨立腔室的底部。

進一步的，所述進樣管與所述生物打印墨水輸入口通過單向閥連接，所述導流管與所述生物打印墨水輸出口通過單向閥連接。

本發(fā)明實施例還提供了一種3D生物打印裝置，其包括前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件。

本發(fā)明實施例還提供了前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件或3D生物打印裝置于多種生物材料混合打印、生物材料和生物分子溶液的混合打印中的用途。

本發(fā)明實施例還提供了一種生物材料混合打印方法，其包括：

提供前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件或3D生物打印裝置；

將待打印的多種生物材料或者生物材料和生物分子溶液分別獨立從進樣管中進入獨立腔室，通過控制壓力活塞的運動速度使其經(jīng)導流管流出，并進入混合腔室內(nèi)混合形成混合材料，再經(jīng)打印噴嘴將所述混合材料打印，實現(xiàn)多種生物材料的混合打印或者生物材料和生物分子溶液的混合打印。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果包括：

(1)本發(fā)明提供的用于多材料的3D生物打印噴頭組件及3D生物打印裝置，通過設計多個獨立腔室，將不同的打印墨水材料分別注入，可以保證固化前的樣品間相互隔絕，而經(jīng)過混合通道后，樣品間相互接觸后即發(fā)生固化，避免兩種材料長時間直接接觸導致的固化堵塞噴嘴，保證多種材料快速3D生物打印的正常進行；

(2)本發(fā)明提供的用于多材料的3D生物打印噴頭組件及3D生物打印裝置，通過在獨立腔室內(nèi)設置壓力活塞及驅動機構，可分別調(diào)控壓力活塞的運動速度，進而控制進樣速率和擠壓速率，并能動態(tài)、獨立的控制不同打印材料的進樣量，最終實現(xiàn)更精準、更智能的3D生物打印，避免打印粗糙；

(3)本發(fā)明提供的用于多材料的3D生物打印噴頭組件及3D生物打印裝置的打印噴嘴的長度可以根據(jù)多種不同生物材料混合后的固化速率來任意調(diào)節(jié)，用于適應不同打印墨水材料的反應固化時間，使固化時間與打印噴嘴的長度相一致，保證打印噴嘴打印出的打印墨水恰好能在操作臺上固化，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、精確、快速的3D生物打?。?/p>

(4)本發(fā)明提供的用于多材料的3D生物打印噴頭組件及3D生物打印裝置應用在3D生物打印中具有重要作用，可以解決生物打印過程中，固化時間較長導致的打印不精確問題和固化時間太快導致的噴頭堵塞問題，還能應用在混合材料與生物分子溶液的同步3D生物打印上，在3D生物打印的臨床應用及損傷修復治療中具有重要應用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一典型實施方案之中一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件的整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明一典型實施方案之中一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件的打印噴嘴的拉伸狀態(tài)剖視圖；

圖3是本發(fā)明一典型實施方案之中一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件的打印噴嘴的伸縮狀態(tài)剖視圖。

附圖標記說明：1-獨立腔室，10-生物打印墨水輸入口，11-生物打印墨水輸出口，12-壓力活塞，2-導流管，3-混合腔室，30-生物打印墨水接收口，31-混合墨水輸出口，4-打印噴嘴，40-墨水管道。

具體實施方式

鑒于現(xiàn)有技術中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，得以提出本發(fā)明的技術方案，本發(fā)明的總體思路在于將3D生物打印過程中需要隔離開的多種生物打印墨水材料通過獨立進樣管分別加入，通過導流管獨立控制打印生物打印墨水的流量大小，經(jīng)過混合通道混合后，進入打印噴嘴，并通過調(diào)節(jié)打印噴嘴的長度將混合后的打印墨水材料混合后打印。這樣能保證快速固化的兩種打印材料在短時間內(nèi)快速固化的需要，并避免直接接觸后快速固化堵塞打印機噴頭導致的打印失敗，同時也能提高打印精度，避免打印粗糙。

如下將對該技術方案、其實施過程及原理等作進一步的解釋說明。

本發(fā)明實施例的一個方面提供了一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件，其包括：

至少兩個獨立腔室，所述獨立腔室具有生物打印墨水輸入口和生物打印墨水輸出口，生物打印墨水經(jīng)所述生物打印墨水輸入口連續(xù)進入獨立腔室，并從所述生物打印墨水輸出口輸出；

混合腔室，具有混合墨水輸出口和至少兩個生物打印墨水接收口，用于接收每個所述獨立腔室輸出的生物打印墨水并使之混合均勻，再經(jīng)混合墨水輸出口輸出；

以及打印噴嘴，與所述混合墨水輸出口連通，所述打印噴嘴包括沿所述生物打印墨水的流動方向設置的管徑可調(diào)的墨水管道。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述打印噴嘴包括相互嵌合的復數(shù)根不同直徑的墨水管道，每根所述墨水管道的管徑沿所述生物打印墨水的流動方向依次遞減，每根所述墨水管道的上部均具有向管道內(nèi)壁方向凹陷的環(huán)形結構，相鄰兩根墨水管道的所述環(huán)形結構相互卡接，至少用以通過拉伸或收縮墨水管道的方式調(diào)節(jié)打印噴嘴的整體長度。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述獨立腔室內(nèi)還設置有壓力活塞，將所述獨立腔室內(nèi)形成密閉空間，至少用以控制生物打印墨水的輸入速率和輸出速率。

更優(yōu)選的，所述壓力活塞與一外部驅動機構連接，所述外部驅動機構可以采用外部電機，通過控制不同的活塞速度來控制不同打印墨水的進樣量，實現(xiàn)不同打印墨水的混合配比。

作為較佳優(yōu)選實施方案之一，所述打印噴頭組件還包括：

至少兩個進樣管，分別與所述獨立腔室的生物打印墨水輸入口連通；

至少兩個導流管，一端與所述獨立腔室的生物打印墨水輸出口連通，另一端與所述混合腔室的生物打印墨水接收口連通。

優(yōu)選的，所述混合腔室包括Y型混合通道，多根導流管下部通過連接接頭在混合通道內(nèi)實現(xiàn)打印墨水材料的混合。

進一步的，所述壓力活塞設置于所述獨立腔室的頂部，所述生物打印墨水輸入口和生物打印墨水輸出口分別設置于所述獨立腔室的底部。

進一步的，所述進樣管與所述生物打印墨水輸入口通過單向閥連接，所述導流管與所述生物打印墨水輸出口通過單向閥連接。

本發(fā)明實施例還提供了一種3D生物打印裝置，其包括前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件。

本發(fā)明實施例還提供了前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件或3D生物打印裝置于多種生物材料混合打印、生物材料和生物分子溶液的混合打印中的用途。

本發(fā)明實施例還提供了一種生物材料混合打印方法，其包括：

提供前述的用于多材料的3D生物打印噴頭組件或3D生物打印裝置；

將待打印的多種生物材料或者生物材料和生物分子溶液分別獨立從進樣管中進入獨立腔室，通過控制壓力活塞的運動速度使其經(jīng)導流管流出，并進入混合腔室內(nèi)混合形成混合材料，再經(jīng)打印噴嘴將所述混合材料打印，實現(xiàn)多種生物材料的混合打印或者生物材料和生物分子溶液的混合打印。

下面將結合附圖及典型案例對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整的描述。

請參閱圖1所示為本實施例中的一種用于多材料的3D生物打印噴頭組件，其包括兩個獨立腔室1、進樣管(圖中未標識)、兩個導流管2、混合腔室3以及打印噴嘴4等幾個主要部分，以及相應的連接接頭部件。

所述獨立腔室1上開設有生物打印墨水輸入口10、生物打印墨水輸出口11，所述生物打印墨水輸入口10與進樣管通過單向閥連接，所述生物打印墨水輸出口11與導流管2的一端通過單向閥連接，所述導流管2的另一端與混合腔室3的生物打印墨水接收口30連通，使得兩個導流管下部通過連接接頭在混合腔室3內(nèi)實現(xiàn)打印墨水材料的混合。

所述獨立腔室1的頂部設置有壓力活塞12，將所述獨立腔室1內(nèi)形成密閉空間，至少用以控制打印墨水材料的輸入速率和輸出速率。其中，所述壓力活塞還與一外部驅動機構(圖中未標識)連接，所述外部驅動機構可以采用外部電機，打印墨水材料加入到獨立腔室1中后，由于進樣管、獨立腔室1與導流管2三者之間是通過單向閥相連，因此可通過控制活塞運動實現(xiàn)進樣與擠壓出樣的目的，并通過控制不同的活塞速度來控制不同打印墨水的進樣量，實現(xiàn)不同打印墨水材料的混合配比。

所述混合腔室3優(yōu)選包括Y型混合通道，所述混合腔室3底部的混合墨水輸出口與打印噴嘴4連通，待打印的墨水材料在混合通道混合后從打印噴嘴處打印到操作臺上，從而實現(xiàn)精準、智能的3D生物打印。

參見圖2-圖3所示，所述打印噴嘴4由復數(shù)根不同直徑的墨水管道40相互嵌合而成，每根所述墨水管道40的管徑沿所述生物打印墨水的流動方向依次遞減，且每根所述墨水管道的上部六分之一處為向管道內(nèi)壁方向凹陷的環(huán)形結構，相鄰兩根墨水管道的所述環(huán)形結構相互卡接，當打印噴嘴需要收縮時，相鄰兩根墨水管道的向內(nèi)凹陷的環(huán)形結構正好能相互卡住，從而可實現(xiàn)通過拉伸或收縮墨水管道的方式調(diào)節(jié)打印噴嘴的整體長度。

實際使用中，可根據(jù)不同性質打印墨水材料的混合固化時間決定打印噴嘴的長度，用于適應不同打印墨水材料的反應固化時間，若固化時間長則調(diào)長噴嘴長度，若固化時間短則減小噴嘴長度，保證打印噴嘴打印出的打印墨水材料恰好能在操作臺上固化，實現(xiàn)個性化的打印控制。

在進行3D生物打印時，由于生物打印墨水材料的不同，其材料特性也不同，因此需要根據(jù)實際材料確定壓力活塞的注射速率以及噴嘴長度，并且每次使用完需要徹底清洗后干燥后才能用于下次使用。

藉由上述技術方案，本發(fā)明可解決生物打印過程中，固化時間較長導致的打印不精確問題和固化時間太快導致的噴頭堵塞問題，還能應用在混合材料與生物分子溶液的同步3D生物打印上，在3D生物打印的臨床應用及損傷修復治療中具有重要應用價值。

本發(fā)明的技術內(nèi)容及技術特征已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾，因此，本發(fā)明保護范圍應不限于實施例所揭示的內(nèi)容，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利申請權利要求所涵蓋。