本發(fā)明涉及生物增材制造，具體涉及一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、這里的陳述僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)，而不必然地構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

2、在生物增材制造領(lǐng)域，3d打印技術(shù)為組織工程和個(gè)性化醫(yī)療帶來(lái)了革命性的變化。它能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的三維模型，將生物材料和細(xì)胞精準(zhǔn)地構(gòu)建成復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)體，為組織修復(fù)、器官移植等提供了極具潛力的解決方案。擠出式生物3d打印是應(yīng)用最廣泛的一種方式，通過(guò)將生物墨水從噴頭擠出并逐層堆積形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

3、在生物結(jié)構(gòu)體的制造中，對(duì)于極小直徑結(jié)構(gòu)的需求日益凸顯。例如，微血管網(wǎng)絡(luò)對(duì)于維持組織的代謝和功能至關(guān)重要，神經(jīng)纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)必不可少。然而，在使用極小直徑進(jìn)行制造時(shí)存在諸多困難。

4、極小直徑噴頭在打印過(guò)程中極易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題。一方面，極小直徑噴頭的內(nèi)部空間極為有限。生物墨水是一種復(fù)雜的多相體系，包含細(xì)胞、生物聚合物和其他功能性成分。在通過(guò)極小直徑噴頭時(shí)，由于空間狹窄，生物墨水內(nèi)的細(xì)胞容易相互聚集，形成較大的聚集體。同時(shí)，生物聚合物在這種受限空間中，其黏度特性被放大，流動(dòng)性變差，更易產(chǎn)生凝膠狀物質(zhì)。這些因素綜合作用，使得生物墨水在噴頭內(nèi)的流動(dòng)阻力大幅增加，最終導(dǎo)致噴頭堵塞。

5、另一方面，從流體力學(xué)角度來(lái)看，極小直徑噴頭中的生物墨水流動(dòng)處于低雷諾數(shù)狀態(tài)，流動(dòng)穩(wěn)定性差。在這種情況下，墨水的流動(dòng)對(duì)微小的擾動(dòng)極為敏感，很容易出現(xiàn)局部的流速不均勻和壓力波動(dòng)。這種不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)促使生物墨水內(nèi)的顆粒成分沉淀、聚集，進(jìn)而引發(fā)噴頭堵塞，嚴(yán)重阻礙了極小直徑下生物3d打印的順利進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置及方法，克服了生物3d打印時(shí)極小直徑噴頭的堵塞問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，包括軸線豎向設(shè)置的擠出系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)具有生物墨水料筒，生物墨水料筒的底端與噴頭連接，生物墨水料筒還連接有氣壓機(jī)構(gòu)，擠出系統(tǒng)的下方設(shè)有工件臺(tái)，生物墨水料筒內(nèi)用于盛放含有磁性材料的生物墨水，工作臺(tái)的工件成型區(qū)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有電磁線圈，電磁線圈通過(guò)磁場(chǎng)控制器與控制系統(tǒng)連接以對(duì)擠出系統(tǒng)內(nèi)的生物墨水施加豎向的磁場(chǎng)力。

4、可選的，所述支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有多圈沿閉環(huán)型分布的電磁線圈。

5、可選的，所述支撐臺(tái)的內(nèi)側(cè)面設(shè)有沿環(huán)向分布的多個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器與控制系統(tǒng)連接。

6、可選的，所述生物墨水料筒的外周設(shè)有與控制系統(tǒng)連接的第一加熱元件，用于對(duì)生物墨水料筒內(nèi)部的生物墨水進(jìn)行加熱；

7、進(jìn)一步的，所述加熱元件采用電阻加熱塊。

8、可選的，所述支撐臺(tái)內(nèi)設(shè)有第二加熱元件，且支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器，第二加熱元件和溫度傳感器與控制系統(tǒng)連接以對(duì)支撐臺(tái)的溫度進(jìn)行調(diào)控；

9、進(jìn)一步的，所述第二加熱元件采用設(shè)置在支撐臺(tái)內(nèi)部的電阻加熱塊。

10、第二方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種第一方面所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法：

11、擠出系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，擠出系統(tǒng)工作，利用氣壓將生物墨水料筒內(nèi)的含有磁性材料的生物墨水?dāng)D出，并由噴頭噴射至支撐臺(tái)上，對(duì)工件進(jìn)行成型，成型過(guò)程中，支撐臺(tái)內(nèi)的電磁線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)含有磁性材料的生物墨水施加豎直方向的磁場(chǎng)力，改變生物墨水的流變特性。

12、可選的，所述電磁線圈施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0.2t-0.6t。

13、可選的，將生物墨水?dāng)D出的氣壓范圍為15-50mpa。

14、可選的，所述生物墨水料筒外周設(shè)有第一加熱元件，第一加熱元件控制生物墨水料筒內(nèi)生物墨水的溫度為15-35℃。

15、可選的，所述生物墨水中的磁性材料為磁性顆粒材料或磁性纖維材料。

16、本發(fā)明的有益效果如下：

17、1.本發(fā)明的磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，支撐臺(tái)內(nèi)設(shè)有電磁線圈，且生物墨水料筒內(nèi)的生物墨水含有磁性材料，電磁線圈能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)生物墨水施加豎向的磁場(chǎng)力，改變生物墨水的流變特性，避免噴頭堵塞、墨水?dāng)D出不均等問(wèn)題，使墨水在噴頭出口處形狀更規(guī)則，可有效控制生物墨水在極小直徑噴頭內(nèi)的流動(dòng)和擠出，為制造精細(xì)的生物結(jié)構(gòu)提供了可能，突破了以往因噴頭堵塞等問(wèn)題而無(wú)法達(dá)到的極小尺寸瓶頸，而且電磁線圈設(shè)置在支撐臺(tái)，相較于設(shè)置在噴頭，避免了電磁線圈通電產(chǎn)生熱量對(duì)生物墨水料筒內(nèi)生物墨水膠凝狀態(tài)產(chǎn)生影響的缺陷，電磁線圈設(shè)置在工作臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁線圈在一個(gè)較大范圍內(nèi)的分布，如果磁性材料采用磁性纖維，再施加磁場(chǎng)力的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)工件內(nèi)磁性纖維的定向排列，促進(jìn)細(xì)胞定向生長(zhǎng)，提高工件的性能。

18、2.本發(fā)明的磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，生物墨水料筒設(shè)有第一加熱元件，支撐臺(tái)設(shè)有第二加熱元件，第一加熱元件能夠根據(jù)不同生物墨水的成分和流變特性，精確地對(duì)生物墨水料筒內(nèi)的生物墨水進(jìn)行加熱。通過(guò)調(diào)整加熱溫度，可以精準(zhǔn)地改變生物墨水的黏度、流動(dòng)性等關(guān)鍵流變參數(shù)，確保生物墨水在進(jìn)入噴頭前處于最佳的可擠出狀態(tài)，第二加熱元件可根據(jù)不同生物材料的固化要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，為生物結(jié)構(gòu)體在打印過(guò)程中的穩(wěn)定成型提供適宜的環(huán)境條件。

19、3.本發(fā)明的磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，設(shè)有磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，能夠依據(jù)模型要求，動(dòng)態(tài)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度、噴頭移動(dòng)速度和墨水?dāng)D出速度，磁場(chǎng)引導(dǎo)墨水沉積方向，同時(shí)支撐臺(tái)能夠通過(guò)第二加熱元件進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，保障穩(wěn)定性和生物相容性，實(shí)現(xiàn)高精度打印。

技術(shù)特征：

1.一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，包括軸線豎向設(shè)置的擠出系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)具有生物墨水料筒，生物墨水料筒的底端與噴頭連接，生物墨水料筒還連接有氣壓機(jī)構(gòu)，擠出系統(tǒng)的下方設(shè)有工件臺(tái)，其特征在于，生物墨水料筒內(nèi)用于盛放含有磁性材料的生物墨水，工作臺(tái)的工件成型區(qū)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有電磁線圈，電磁線圈通過(guò)磁場(chǎng)控制器與控制系統(tǒng)連接以對(duì)擠出系統(tǒng)內(nèi)的生物墨水施加豎向的磁場(chǎng)力。

2.如權(quán)利要求1所述的一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，其特征在于，所述支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有多圈沿閉環(huán)型分布的電磁線圈。

3.如權(quán)利要求1所述的一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，其特征在于，所述支撐臺(tái)的內(nèi)側(cè)面設(shè)有沿環(huán)向分布的多個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器與控制系統(tǒng)連接。

4.如權(quán)利要求1所述的一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，其特征在于，所述生物墨水料筒的外周設(shè)有與控制系統(tǒng)連接的第一加熱元件，用于對(duì)生物墨水料筒內(nèi)部的生物墨水進(jìn)行加熱；

5.如權(quán)利要求1所述的一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3d打印裝置，其特征在于，所述支撐臺(tái)設(shè)有第二加熱元件，且支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器，第二加熱元件和溫度傳感器與控制系統(tǒng)連接以對(duì)支撐臺(tái)的溫度進(jìn)行調(diào)控；

6.一種權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法，其特征在于：

7.如權(quán)利要求6所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法，其特征在于，所述電磁線圈施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0.2t-0.6t。

8.如權(quán)利要求6所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法，其特征在于，將生物墨水?dāng)D出的氣壓范圍為15-50mpa。

9.如權(quán)利要求6所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法，其特征在于，所述生物墨水料筒外周設(shè)有第一加熱元件，第一加熱元件控制生物墨水料筒內(nèi)生物墨水的溫度為15-35℃。

10.如權(quán)利要求6所述的磁場(chǎng)輔助擠出式3d打印裝置的工作方法，其特征在于，所述生物墨水中的磁性材料為磁性顆粒材料或磁性纖維材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)輔助擠出式生物3D打印裝置及工作方法，包括軸線豎向設(shè)置的擠出系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)具有生物墨水料筒，生物墨水料筒的底端與噴頭連接，生物墨水料筒還連接有氣壓機(jī)構(gòu)，擠出系統(tǒng)的下方設(shè)有工件臺(tái)，其特征在于，生物墨水料筒內(nèi)用于盛放含有磁性材料的生物墨水，工作臺(tái)的工件成型區(qū)設(shè)有支撐臺(tái)，支撐臺(tái)內(nèi)部設(shè)有電磁線圈，電磁線圈通過(guò)磁場(chǎng)控制器與控制系統(tǒng)連接以對(duì)擠出系統(tǒng)內(nèi)的生物墨水施加豎向的磁場(chǎng)力，采用本發(fā)明的打印裝置避免了噴頭的堵塞，保證了打印的順利進(jìn)行。

技術(shù)研發(fā)人員：王真,李波文,黃傳真,徐龍華,黃水泉,曲美娜,許征凱,張迪嘉,郭保蘇,張林哲,石振偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15