一种3D打印装置、3D打印方法和同轴喷头

一种3d打印装置、3d打印方法和同轴喷头
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术领域，特别是涉及一种3d打印装置、3d打印方法和同轴喷头。


背景技术：

2.近年来，3d生物打印技术在组织工程领域取得了巨大进展，为重建组织和器官提供了更高的可行性和精确性，甚至有望彻底改变临床器官移植的现状。微挤出式生物打印技术是目前使用和研究中最为常用的，其具有实现简单，设备经济，通用性强等优点。
3.同轴挤压打印是一种很常见的微挤出式打印方法，其重点在于设计同轴打印喷头。同轴打印喷头一般由芯室和壳室组成，允许生物墨水和交联剂溶液以核壳方式同时挤出，在打印喷头口处实现快速凝胶化，能够实现中空管状、实心等多种形状的纤维打印，可用于构建复杂的管状结构和三维组织器官。
4.当前广泛使用的同轴喷头大多由不同内径的金属管或不同型号的点胶针头嵌套封装而成，在应用中存在诸多缺点，如同轴效果差，降低了打印精度。此外，现有的同轴喷头还存在易堵塞和使用后较难清洗等问题，进一步降低了同轴喷头在3d生物打印中的适用性。
5.因此，如何改变现有技术中，3d打印用同轴喷头同轴效果差影响打印精度的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种3d打印装置、3d打印方法和同轴喷头，以解决上述现有技术存在的问题，增强同轴喷头的同轴效果，提高3d打印精度。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种同轴喷头，包括：
8.内针单元，所述内针单元包括内针进料元件和内针管，所述内针管设置于所述内针进料元件上，所述内针管利用所述内针进料元件与外部打印材料相连通；
9.外针单元，所述外针单元包括外针进料元件和外针管，所述外针管设置于所述外针进料元件上，所述外针管利用所述外针进料元件与外部打印材料相连通；
10.所述内针进料元件与所述外针进料元件可拆卸连接，所述外针管套装于所述内针管的外部且二者之间设置定位管，所述定位管的横截面为正方形，沿垂直于所述内针管轴线的方向对所述内针管、所述外针管以及所述定位管进行剖切，所述内针管的轮廓外圆与所述定位管的内壁相切，所述外针管的轮廓内圆为所述定位管外壁的外接圆。
11.优选地，所述内针管的出口端由所述定位管内伸出，并伸入所述外针管内；所述外针管的出口端与所述定位管之间的距离大于所述内针管的出口端与所述定位管之间的距离。
12.优选地，所述内针管、所述外针管以及所述定位管均由透明材质制成。
13.优选地，所述内针进料元件包括第一连接头和能够容纳打印材料的第一储料杯，
所述第一连接头设置于所述第一储料杯的底部，所述内针管穿过所述第一连接头并与所述第一储料杯的内腔相连通。
14.优选地，所述的同轴喷头，还包括喷头连接单元，所述喷头连接单元包括第一进料管和第二连接头，所述第二连接头设置于所述第一进料管的底部，所述第二连接头与所述第一储料杯可拆卸连接，所述第一进料管穿过所述第二连接头并与所述第一储料杯的内腔相连通。
15.优选地，所述外针进料元件包括第二储料杯和第二进料管，所述外针管设置于所述第二储料杯的底部且二者相连通，所述第一连接头与所述第二储料杯可拆卸连接，所述内针管穿过所述第二储料杯伸入所述外针管内，所述第二进料管设置于所述第二储料杯的侧壁上且二者相连通。
16.优选地，所述第二进料管沿进料口至出料口的方向逐渐倾斜向下设置。
17.优选地，所述内针进料元件与所述外针进料元件螺纹连接。
18.与此同时，本发明还提供一种3d打印装置，包括上述的同轴喷头。
19.进一步地，本发明还提供一种3d打印方法，利用上述的同轴喷头，调节所述内针管和所述外针管内打印材料的流量，进而实现打印精度的动态调控，打印精度按照下式进行调控：
[0020][0021]
其中，d为打印纤维的直径，即可调控的打印精度，ro为所述外针管的内半径，qi为所述内针管内打印材料的流量，qo为所述外针管内打印材料的流量。
[0022]
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的同轴喷头，包括内针单元和外针单元，其中，内针单元包括内针进料元件和内针管，内针管设置于内针进料元件上，内针管利用内针进料元件与外部打印材料相连通；外针单元包括外针进料元件和外针管，外针管设置于外针进料元件上，外针管利用外针进料元件与外部打印材料相连通；内针进料元件与外针进料元件可拆卸连接，外针管套装于内针管的外部且二者之间设置定位管，定位管的横截面为正方形，沿垂直于内针管轴线的方向对内针管、外针管以及定位管进行剖切，内针管的轮廓外圆与定位管的内壁相切，外针管的轮廓内圆为定位管外壁的外接圆。
[0023]
本发明的同轴喷头，在内针管与外针管之间设置了定位管，定位管的横向截面为正方形，且沿径向方向对同轴喷头进行截切，内针管的轮廓外圆与定位管的内壁相切，外针管的轮廓内圆为定位管外壁的外接圆，即内针管以及外针管均与定位管相切，保证了内针管与外针管的同轴度，从而有效增强同轴喷头的同轴效果，提高3d打印精度；另外，本发明的内针进料元件与外针进料元件可拆卸连接，方便了喷头的清洁维护以及日常检修。
[0024]
本发明还提供一种3d打印装置，包括上述的同轴喷头，利用同轴喷头进行生物打印，提高生物打印精度。
[0025]
本发明还提供一种3d打印方法，利用上述的同轴喷头，通过调节内针管和外针管内的打印材料的流量，实现3d打印精度的动态调控。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明实施例所公开的同轴喷头的结构示意图；
[0028]
图2为本发明实施例所公开的同轴喷头的剖切结构示意图；
[0029]
图3为本发明实施例所公开的同轴喷头的部分结构示意图；
[0030]
图4为本发明实施例所公开的同轴喷头的内针单元的结构示意图；
[0031]
图5为本发明实施例所公开的同轴喷头的内针单元的剖切结构示意图；
[0032]
图6为本发明实施例所公开的同轴喷头的外针单元的结构示意图；
[0033]
图7为本发明实施例所公开的同轴喷头的外针单元的剖切结构示意图；
[0034]
图8为本发明实施例所公开的同轴喷头的喷头连接单元的结构示意图；
[0035]
图9为本发明实施例所公开的同轴喷头的喷头连接单元的剖切结构示意图；
[0036]
图10为本发明实施例一中打印样本与理论值的对比折线图；
[0037]
图11为本发明实施例二中打印的负载人脐静脉内皮细胞的水凝胶纤维结果图。
[0038]
其中，100为内针单元，200为外针单元，300为喷头连接单元；
[0039]
1为内针管，2为外针管，3为定位管，4为第一连接头，5为第一储料杯，6为第一进料管，7为第二连接头，8为第二储料杯，9为第二进料管。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
本发明的目的是提供一种3d打印装置、3d打印方法和同轴喷头，以解决上述现有技术存在的问题，增强同轴喷头的同轴效果，提高3d打印精度。
[0042]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0043]
本发明提供一种同轴喷头，包括内针单元100和外针单元200，其中，内针单元100包括内针进料元件和内针管1，内针管1设置于内针进料元件上，内针管1利用内针进料元件与外部打印材料相连通；外针单元200包括外针进料元件和外针管2，外针管2设置于外针进料元件上，外针管2利用外针进料元件与外部打印材料相连通；内针进料元件与外针进料元件可拆卸连接，外针管2套装于内针管1的外部且二者之间设置定位管3，定位管3的横截面为正方形，沿垂直于内针管1轴线的方向对内针管1、外针管2以及定位管3进行剖切，内针管1的轮廓外圆与定位管3的内壁相切，外针管2的轮廓内圆为定位管3外壁的外接圆。
[0044]
本发明的同轴喷头，在内针管1与外针管2之间设置了定位管3，定位管3的横向截面为正方形，且沿径向方向对同轴喷头进行截切，内针管1的轮廓外圆与定位管3的内壁相切，外针管2的轮廓内圆为定位管3外壁的外接圆，即内针管1以及外针管2均与定位管3相
切，保证了内针管1与外针管2的同轴度，从而有效增强同轴喷头的同轴效果，提高3d打印精度；另外，本发明的内针进料元件与外针进料元件可拆卸连接，方便了喷头的清洁维护以及日常检修。
[0045]
其中，内针管1的出口端由定位管3内伸出，并伸入外针管2内，确保由内针管1导出的打印材料能够顺利进入外针管2中，与外针管2中的打印材料汇聚，避免定位管3影响打印材料的输送；同时，外针管2的出口端与定位管3之间的距离大于内针管1的出口端与定位管3之间的距离，即外针管2的出口一端长度较长，保证打印的顺利进行。在本具体实施方式中，内针管1的出口端伸出定位管3的部分长度为1mm，外针管2的出口端与内针管1的出口端之间的距离为1cm，保证打印的顺利进行，在本发明的其他具体实施方式中，还可以根据实际工况进行调整，提高同轴喷头的灵活适应性。
[0046]
为了提高打印过程的可视化程度，内针管1、外针管2以及定位管3均由透明材质制成，在本具体实施方式中，内针管1、外针管2以及定位管3均由高硼硅玻璃材质制成，高硼硅玻璃强度高，耐热性好，在满足打印过程可视化的同时，提高同轴喷头的结构强度。在实际应用中，还可以根据实际工况选择其他材质，满足不同的生产需求。
[0047]
具体地，内针进料元件包括第一连接头4和能够容纳打印材料的第一储料杯5，第一连接头4设置于第一储料杯5的底部，内针管1穿过第一连接头4并与第一储料杯5的内腔相连通，外部打印材料流入第一储料杯5，然后进入内针管1中进行打印，设置第一连接头4方便了内针进料元件与外针进料元件连接。在本具体实施方式中，内针管1和定位管3均设置于第一储料杯5上，在保证内针管1与第一储料杯5的内腔相连通的同时，提高内针管1和定位管3的稳定性；在本发明的其他具体实施方式中，还可以将定位管3设置于外针单元200上，但需保证定位管3位于内针管1与外针管2的套装连接段内，确保定位管3能够起到同轴定位作用。
[0048]
为了实现打印材料的顺利输送，同轴喷头还包括喷头连接单元300，喷头连接单元300包括第一进料管6和第二连接头7，第二连接头7设置于第一进料管6的底部，第二连接头7与第一储料杯5可拆卸连接，第一进料管6穿过第二连接头7并与第一储料杯5的内腔相连通，第一进料管6为第一储料杯5以及内针管1输送打印物料，第二连接头7与第一储料杯5相连，提高同轴喷头的结构整体性，此处还需要解释说明的是，同轴喷头还利用喷头连接单元300与打印设备的其他结构相连。
[0049]
相应地，外针进料元件包括第二储料杯8和第二进料管9，外针管2设置于第二储料杯8的底部且二者相连通，第一连接头4与第二储料杯8可拆卸连接，内针管1穿过第二储料杯8伸入外针管2内，第二进料管9设置于第二储料杯8的侧壁上且二者相连通。由第二进料管9进入的打印材料，经由第二储料杯8进入外针管2中进行打印，第一连接头4与第二储料杯8相连，实现内针进料元件与外针进料元件的可拆卸连接，提高同轴喷头的拆装便捷性。
[0050]
在本具体实施方式中，第二进料管9沿进料口至出料口的方向逐渐倾斜向下设置，使进入第二进料管9的打印材料在重力作用下顺利进入第二储料杯8中，保证打印材料的顺利传输，提高同轴喷头的工作可靠性。
[0051]
更具体地，内针进料元件与外针进料元件螺纹连接，螺纹连接紧固，拆装便捷，为同轴喷头的清洗维护提供了便利；在本具体实施方式中，第一连接头4与第二储料杯8、第二连接头7与第一储料杯5均采用圆锥螺纹连接的方式，还可以根据实际工况调整螺纹牙型。
[0052]
与此同时，本发明还提供一种3d打印装置，包括上述的同轴喷头，增强同轴喷头的同轴效果，提高打印装置的打印精度，同时方便装置的清理维护。
[0053]
进一步地，本发明还提供一种3d打印方法，利用上述的同轴喷头，调节内针管1和外针管2内打印材料的流量，进而实现打印精度的动态调控。
[0054]
首先，内针管1中注入相变打印材料，外针管2中注入交联溶液，两种流体在内针管1出口产生同轴流体，在同轴流体流过内针管1出口到外针管2出口的过程中，相变打印材料与交联溶液反应发生相变形成纤维，打印纤维直径d，即为打印精度。基于共轴流聚焦的原理，可以通过调节内针管1和外针管2内打印材料的流量调控打印精度，本发明建立了打印精度与内针管1、外针管2内流量的数学模型：
[0055][0056]
式中，d为打印精度，ro为外针管2的内半径，qi为内针管1内打印材料的流量，qo为外针管2内打印材料的流量。
[0057]
具体推导原理如下：
[0058]
假设在内针管1出口到外针管2出口中，同轴流体是可充分发展的牛顿流体，不可压缩且不考虑重力，流体在流道中的流动为定常层流。内针管1中流体横截面为圆形，ri为其横截面半径，外针管2中流体横截面为一圆环，ri为其横截面内半径(与内针管1的流体截面直径相一致)，ro为其横截面的外半径，即为外针管2的内半径，r的取值范围为0至ro之间，压力降为
△
p，长度为
△
l，剪切力τ，粘度系数μ，
[0059]
稳态流动满足如下关系式：δpπr2＝2π
·r·
δl
·
τ
[0060]
剪切力τ与流速u满足如下关系式：
[0061]
由此可得，内针管1、外针管2内流体满足如下公式：
[0062][0063][0064]
对上式积分可得到内针管1、外针管2内流体的速度表达式：
[0065][0066][0067]
uo为外针管2内流体的速度，ui为内针管1内流体的速度；
[0068]
公式中c1、c2均为常数，μi为内针管1内流体的粘度系数，μo为外针管2内流体的粘度系数；
[0069]
选择两个边界条件：uo(ro)＝0和ui(ri)＝uo(ri)代入上述公式求解可得到c1、c2：
[0070][0071][0072]
将c1、c2代入内针管1、外针管2内流体的速度表达式可得：
[0073][0074][0075]
将内针管1、外针管2内流体的速度表达式代入流量计算公式：
[0076][0077]
可得：
[0078][0079][0080]
qi为喷头内针管1内流体的流量，qo为喷头外针管2内流体的流量；
[0081]
令化简
[0082][0083]
进一步化简得到：
[0084][0085]
求解可得：
[0086][0087]
本发明的同轴喷头所适用的内针管1的流量一般为1μl/min～100μl/min；外针管2的流量一般为500μl/min～4000μl/min；
[0088]
本发明的3d打印方法，适用于使用海藻酸钠基生物墨水和离子交联剂(优选ca
2+
溶液如cacl2溶液)的同轴挤出打印，在实际同轴打印中，外层流体一般为cacl2溶液，内层流体为海藻酸钠基生物墨水(如海藻酸钠溶液、海藻酸钠、明胶、细胞混合溶液等)，内层生物墨水的粘度远远大于外层氯化钙溶液的浓度，因此γ＞＞1，内层生物墨水的流量一般是小于外层流体的流量，因此一般由此可化简上式：
[0089][0090]
即：
[0091][0092]
由d＝2ri代入上式整理可得到打印精度和内针管1、外针管2流量的关系式：
[0093][0094]
其中，d为打印纤维的直径，即可调控的打印精度(在三维增材制造中，微挤出式的打印精度多指打印纤维的粗细，因此，打印纤维的直径同时为按照式一调控的打印精度)，ro为外针管2的内半径，qi为内针管1内打印材料的流量，qo为外针管2内打印材料的流量。
[0095]
下面通过具体的实施例，对本发明的3d打印方法，进行进一步的解释说明。
[0096]
实施例一
[0097]
在本实施例中，内针管1流体使用海藻酸钠-gelma混合生物墨水(3％(w/v)海藻酸钠，7％(w/v)glema)，外针管2内流体0.2mol/l的cacl2溶液，将同轴喷头的外针管2内流体流量分别设置为500μl/min、1000μl/min、1500μl/min、2000μl/min、2500μl/min、3000μl/min，改变同轴喷头的内针管1内的流体流量分别为5μl/min、10μl/min、15μl/min、20μl/min，每个流量条件打印三个样本，每个样本至少获取两组打印纤维直径(即打印精度)尺寸数据，整理所有打印条件下的尺寸数据，并与相应的理论数据(由打印精度和内针管1、外针管2流量的关系式计算得到)对比，绘制折线图，如图10所示，所得打印纤维直径的实验值(6个实验数据的平均值)与计算得到的理论值间的误差值，详见表1。
[0098]
表1
[0099] 500100015002000250030005-4.262.5-2.16-0.45-1.413.1410-7.97-4.08-4.252.765.495.4515-4.51-9.25-9.22-4.83-1.56-1.8120-5.05-7.59-6.81-6.55-6.11-6.19
[0100]
上述表1中，横、纵坐标分别代表喷头外针管2的流量和喷头内针管1的流量，单位为μl/min。表1中的数据为此条件下，所得打印纤维直径(即d)的实验值与计算得到的理论
值间的误差值，正值表示实验值大于理论值，负值表示实验值小于理论值。
[0101]
统计结果显示，在内针管1内流体流量固定的情况下，随着外针管2内流体流量的增大，打印纤维的直径在不断变小。将外针管2内流体的流量固定，随着内针管1内流体流量的不断减小，纤维直径的变化呈现出了相同的变化趋势。如图10的折线图显示，打印精度的实验值和理论值的误差值均在
±
10μm以内，如表1所示，且最小误差仅为0.45μm，实验证明了打印精度和内针管1、外针管2流量的关系式的准确性，同时也验证了采用本发明的3d打印方法可实现对打印精度的动态调节。
[0102]
实施例二
[0103]
本实施例的3d打印方法，具体包括如下步骤：
[0104]
1)使用一定体积的去离子水溶解相应质量的海藻酸钠粉末，制备6％(w/v)的海藻酸钠溶液，将海藻酸钠溶液与人脐静脉内皮细胞的悬液按体积1：1进行混合，即为材料a，混合后细胞密度在5
×
106个/ml；在一定质量的去离子水中溶解相应质量的cacl2，制备浓度为0.2mol/l的cacl2溶液，即为材料b。
[0105]
2)使用1号1ml量程注射器吸取材料a，并排净气泡，并通过连接管将同轴喷头与1号注射器相连，使用2号20ml量程注射器吸取材料b，并排净气泡，并通过连接管将同轴喷头与2号注射器相连，将1号、2号注射器分别固定到两台注射泵上(雷弗tyd01)并将同轴喷头固定在打印机喷头座上。
[0106]
3)设定两台注射泵的注入速度，如1号注射泵注入速度为5ul/min，1号注射泵注入速度为1000ul/min，并启动，cacl2溶液和含内皮细胞的海藻酸钠溶液，以核壳方式同时挤出，在内针出口处实现快速凝胶化，交联形成负载人脐静脉内皮细胞的水凝胶纤维，如图11所示，打印过程中可使用本发明提供的打印方法动态调节打印精度,即打印过程中，打印精度可变可调，例：将内针管1的流量调为1μl/min，外针管2的流量设置为1000μl/min，可得到精度d为10μm～20μm的载细胞纤维结构。
[0107]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种同轴喷头，其特征在于，包括：内针单元，所述内针单元包括内针进料元件和内针管，所述内针管设置于所述内针进料元件上，所述内针管利用所述内针进料元件与外部打印材料相连通；外针单元，所述外针单元包括外针进料元件和外针管，所述外针管设置于所述外针进料元件上，所述外针管利用所述外针进料元件与外部打印材料相连通；所述内针进料元件与所述外针进料元件可拆卸连接，所述外针管套装于所述内针管的外部且二者之间设置定位管，所述定位管的横截面为正方形，沿垂直于所述内针管轴线的方向对所述内针管、所述外针管以及所述定位管进行剖切，所述内针管的轮廓外圆与所述定位管的内壁相切，所述外针管的轮廓内圆为所述定位管外壁的外接圆。2.根据权利要求1所述的同轴喷头，其特征在于：所述内针管的出口端由所述定位管内伸出，并伸入所述外针管内；所述外针管的出口端与所述定位管之间的距离大于所述内针管的出口端与所述定位管之间的距离。3.根据权利要求1所述的同轴喷头，其特征在于：所述内针管、所述外针管以及所述定位管均由透明材质制成。4.根据权利要求1所述的同轴喷头，其特征在于：所述内针进料元件包括第一连接头和能够容纳打印材料的第一储料杯，所述第一连接头设置于所述第一储料杯的底部，所述内针管穿过所述第一连接头并与所述第一储料杯的内腔相连通。5.根据权利要求4所述的同轴喷头，其特征在于：还包括喷头连接单元，所述喷头连接单元包括第一进料管和第二连接头，所述第二连接头设置于所述第一进料管的底部，所述第二连接头与所述第一储料杯可拆卸连接，所述第一进料管穿过所述第二连接头并与所述第一储料杯的内腔相连通。6.根据权利要求4所述的同轴喷头，其特征在于：所述外针进料元件包括第二储料杯和第二进料管，所述外针管设置于所述第二储料杯的底部且二者相连通，所述第一连接头与所述第二储料杯可拆卸连接，所述内针管穿过所述第二储料杯伸入所述外针管内，所述第二进料管设置于所述第二储料杯的侧壁上且二者相连通。7.根据权利要求6所述的同轴喷头，其特征在于：所述第二进料管沿进料口至出料口的方向逐渐倾斜向下设置。8.根据权利要求1-7任一项所述的同轴喷头，其特征在于：所述内针进料元件与所述外针进料元件螺纹连接。9.一种3d打印装置，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的同轴喷头。10.一种3d打印方法，利用权利要求1-8任一项所述的同轴喷头，其特征在于：调节所述内针管和所述外针管内打印材料的流量，进而实现打印精度的动态调控，打印精度按照下式进行调控：其中，d为打印纤维的直径，r
o
为所述外针管的内半径，q
i
为所述内针管内打印材料的流量，q
o
为所述外针管内打印材料的流量。

技术总结
本发明公开一种同轴喷头，包括内针管和外针管，外针管套装于内针管的外部且二者之间设置定位管，定位管的横截面为正方形，沿垂直于内针管轴线的方向对内针管、外针管以及定位管进行剖切，内针管的轮廓外圆与定位管的内壁相切，外针管的轮廓内圆为定位管外壁的外接圆。本发明的同轴喷头，利用定位管保证了内针管与外针管的同轴度，从而有效增强同轴喷头的同轴效果，提高3D打印精度。本发明还提供一种3D打印装置，包括上述的同轴喷头，利用同轴喷头进行生物打印，提高生物打印精度。本发明还提供一种3D打印方法，利用上述的同轴喷头，通过调节内针管和外针管内的打印材料的流量，实现3D打印精度的动态调控。打印精度的动态调控。打印精度的动态调控。


技术研发人员：樊瑜波 张冬蕊 刘肖
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28