一种具有自动包裹功能的喷头装置及包裹系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及组织工程领域中的喷头制造技术，涉及到一种能实现活性生物材料包裹的喷头装置。
【背景技术】
[0002]在20世纪，全世界近百万的器官疾病患者通过器官移植获得了新生，但器官的获取是以器官的失去为前提的。据统计，中国每年患尿毒症进行透析治疗的患者有120万人，患肝病需要肝脏移植的患者有100万人，但能够有机会接受肾脏和肝脏移植的患者却寥寥无几。由于器官的供应量远远小于器官的需求量，器官移植面临的最大问题是如何获取足够数量可移植的器官。通过3D生物打印构建人体器官，是解决器官移植领域中器官供应的一种新的技术途径。
[0003]3D活体生物打印是利用3D生物打印机将活性生物材料(例如细胞以及细胞的集合)按一定规律打印在生物支架或者平台上，形成器官的空间立体结构；然后，通过生物培养方法将打印成型的活性生物材料培养成特定的器官。如何使活性生物材料在打印过程中得到保护并保持生物活性，并构成特定结构器官形状，打印喷头是关键装置之一。
【发明内容】
[0004]本发明公布了一种能够实现活性生物材料自动包裹的喷头装置、包裹系统及包裹方法。利用本发明可在器官的打印过程中，使用其它生物或生物兼容性材料对活性生物材料进行自动包裹，保持生物材料的生物活性和器官结构的稳定性。
[0005]实现本发明目的技术方案是:一种活性生物材料自动包裹的喷头装置，以及利用该喷头装置对活性生物材料进行包裹的自动包裹系统和自动包裹方法。
[0006]一种活性生物材料自动包裹的喷头装置，包括内筒，外筒，固定板，密封圈，其特征在于:外筒顶端有一个阶梯状内腔体，底部有一个包裹腔，外侧面有一个与内腔体贯通的外筒通孔；内筒上部有一个台阶，一个中心内腔，底部有一个中心喷孔；安装后内筒和外筒顶部在一个平面上；固定板在厚度方向上有通孔、螺钉孔A(5)和螺钉孔B(6);先在外筒阶梯状内腔体上放置密封圈，再放入内筒，内筒上部的台阶和外筒内部的阶梯孔及密封圈形成密封；将固定板扣在内筒和外筒的上端面，通过螺钉A(5)和螺钉孔B(6)使固定板、内筒和外筒连为一体；内筒中心内腔的上部可加工出内螺纹以和管接头相连；内筒与外筒之间为间隙配合，且内筒与外筒之间形成一定厚度的环形通道，且与外筒侧面的外筒通孔连通；在喷头装置的底部为包裹腔；内筒与外筒之间为配合关系，保证中心喷孔与包裹腔之间的同轴度，密封圈防止环形通道中的流体外泄。
[0007]喷头装置的内筒与外筒之间为配合关系，确保内筒与外筒同心；内筒与外筒之间形成的环形通道可为圆形；能够通过轴向位移的微调，调整环形通道的厚度。
[0008]喷头装置的外形呈长方体、圆柱体或椭球体的一种或多种组合；喷头装置内筒的内腔、环形通道和包裹腔的形状为圆柱形或锥形。
[0009]喷头装置由若干个独立的部件通过装配组成或者一体成型。
[0010]喷头装置的环形通道的数量为I个或多个；所有环形通道均环绕中心喷孔布置，环形通道之间的间距相等或不相等，每个环形通道的形状相同或不相同。
[0011]外筒外侧与环形通道的贯通孔数量为I个或多个；贯通孔沿圆周呈对称分布，或非对称分布。
[0012]喷头装置的任意部分或全部用金属材料、非金属材料、复合材料的一种或多种制造，采用常规的成形方法成型，或者采用3D打印、或者粉末烧结成型。
[0013]一种使用喷头装置的自动包裹系统，包括气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀、压力传感器、三通接头、伺服阀A、伺服阀B，压力传感器A、压力传感器B、墨盒A、墨盒B、开关阀A、开关阀B、喷头装置；气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀以及压力传感器依次连接，通过三通接头分别与伺服阀A、伺服阀B连接；伺服阀A与开关阀A连接，再与装有活性生物材料的墨盒A连接，最后与喷头装置上的中心内腔连接；伺服阀B与开关阀B连接，再与装有包裹材料的墨盒B连接，最后与喷头装置上的外筒通孔连接；由控制器分别对墨盒A、墨盒B中的压力进行调节与控制，分别对开关阀A、开关阀B的开启与关闭进行控制，实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹。
[0014]通过伺服阀调节墨盒中的压力以及控制开关阀的开启与关闭时间，可实现活性生物材料的连续自动包裹和间歇自动包裹，在打印平台上分别形成连续的包裹条带和按一定间距分布的包裹颗粒带。
[0015]在包裹过程中，活性生物材料和包裹材料的挤出压力相同或者不同，二者的压力随时间恒定或者按函数变化。
[0016]当喷头装置的环形通道的数量为2个或者2个以上时，可实现对活性生物材料2层或2层以上自动包裹；每层包裹材料的挤出压力相同或者不同。
[0017]气体回路中的介质为氮气、氩气、水等，它与活性生物材料以及包裹材料无化学反应。
[0018]在自动包裹过程中，对开关阀门的开启和关闭采用脉冲宽度调制技术(PffM)进行控制。
[0019]活性生物材料不受其他装置的影响，直接通过喷头装置完成包裹和挤出。
[0020]被包裹的材料为活性生物材料或非活性生物材料；包裹材料是水凝胶或高分子材料。
[0021]利用该喷头装置对活性生物材料进行自动包裹的方法是:
[0022]喷头装置固定板上的通孔与装有活性生物材料的墨盒连接，外筒上的侧面通孔与装有包裹材料的墨盒连接；两个墨盒分别与气体回路相连；气体回路由气源、一级减压阀、过滤器、二级减压阀、伺服阀、开关阀、压力传感器、控制器组成；通过控制器控制伺服阀获得一定的稳定连续压力，控制开关阀的开启和关闭，实现包裹材料对活性生物材料的自动包裹。
[0023]在活性生物材料自动包裹过程中，有连续包裹和间歇包裹两种工作模式。
[0024]在连续包裹模式下，活性生物材料自动包裹的步骤是:首先，让开关阀门处于关闭状态，切断喷头装置中的压力供给。第二步，开启一级减压阀和二级减压阀，使二级减压阀与伺服阀之间的气体压力达到设定值。第三步，控制伺服阀的开口度，调节装有活性生物材料的墨盒中的压力至设定压力。第四步，开启开关阀门，控制另一伺服阀的开口度，调节装有包裹材料的墨盒中的压力至设定压力。第五步，在压力作用下，墨盒中的活性生物材料被推进至喷头装置的内筒腔体，从中心喷孔挤出，在包裹腔中心形成连续的活性生物材料流；墨盒中的包裹材料从环形通道挤出，形成外侧环状的连续的包裹材料流；在喷头装置的包裹腔，活性生物材料流与包裹材料流汇合，并在活性生物材料的表面形成一定厚度的包裹材料层，完成包裹材料对活性生物材料的自动包裹。第六步，在恒定压力的推动下，被包裹的活性生物材料流从包裹腔中连续排出；关闭开关阀门包裹动作停止。
[0025]在间歇包裹模式下，活性生物材料自动包裹的步骤是:第一步至第五步与连续包裹模式相同。第六步，快速关闭阀门，停止包裹动作；在表面张力的作用下，包裹材料材料包裹住活性生物材料上下两端，形成被包裹的活性生物材料微颗粒，并从包裹腔排出。控制开关阀门的开启时间和闭合时间间隔，获得一系列彼此独立的被包裹的活性生物材料微颗粒序列。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0027]1、可实现包裹材料对活性生物材料的单层或多层材料的自动包裹，包裹层厚度可调。
[0028]2、在计算机控制下，可在连续包裹和间歇包裹两种工作模式之间自由