一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭的製作方法
2024-01-21 02:15:15 1
本實用新型屬於3D生物列印技術領域，尤其涉及一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭。
背景技術：
隨著3D列印技術的興起，利用海藻酸鈉、殼聚糖等可快速反應交聯固化的水凝膠作為藥物與細胞的載體材料，以直寫的方式直接成形一定的幾何形狀，在組織工程、製藥及臨床醫學等領域具有很好的應用前景。利用此方法製備人工血管和血管網絡結構已成為組織工程和生物製造領域的研究和應用熱點。
磁性薄膜材料是指厚度在1微米以下的強磁性（鐵磁性和亞鐵磁性）材料。基於柔性襯底的磁性薄膜與器件是柔性電子器件的一個重要分支，由於其可彎曲，可應用在非平面表面上，相對於傳統剛性襯底的磁性薄膜與器件，具有柔韌性、高效、低成本以及很多其它不同的性質，研究基於柔性襯底的磁電薄膜與器件的磁性及輸運性質得到越來越多的關注。更為關鍵的是其具備磁致收縮效應，所謂磁致伸縮效應是鐵磁材料在外磁場中被磁化時，其長度和體積發生變化的現象，公元1859年，Wiedemann 發現鐵磁性材料同時受到軸向磁場和周向磁場作用時，會引起材料沿軸向產生一個扭轉，這種現象稱為威德曼效應。威德曼效應廣泛應用於位移傳感器，這也為內芯為柔性磁性材料的同軸噴頭的扭曲閉合創造了條件。
通常情況下交聯式水凝膠中空纖維的製備是利用同軸射流模式保障內外流體的連續性，使得交聯劑由內而外地對交聯基液進行交聯，並最終形成中空纖維基本原理，傳統同軸擠出噴頭採用內外針頭模式，存在易堵塞、同軸度不高、較難清洗等問題，其中最主要問題為同軸度不高及易堵塞，這在試驗過程中影響了中空纖維的形成，大大增加了試驗時間及浪費材料。
技術實現要素：
本實用新型為了解決現有技術中的不足之處，提供一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭，該噴頭添加可產生軸向電磁場的環形電磁鐵及可產生周向的條狀電磁鐵；其利用流體的自定心性能達到同軸度要求，且由於內芯為材料停止通液時，電磁鐵通電內柔性的芯磁性材料由於同時受周向及軸向電磁場產生威德曼效應，發生軸向扭轉變形封閉內芯，防止芯液交聯預防阻塞。
為解決上述技術問題，本實用新型採用如下技術方案：一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭，包括三通管、醫用不鏽鋼內針頭、醫用塑料外針頭、柔性鐵磁性薄膜管、條形電磁鐵和筒形電磁鐵；三通管包括沿垂直方向設置的主管和沿水平方向設置的支管，支管的左端與主管右側連接，主管內部沿垂直方向開設有上下通透的豎向通道，支管內部設置有水平通道，水平通道左埠與豎向通道中部連通；
主管下端同軸向連接有外徑小於主管的連接管，醫用塑料外針頭上部內壁過渡配合套在連接管上，筒形電磁鐵上部內壁過渡配合套在主管下部，醫用不鏽鋼內針頭插設在豎向通道內，醫用不鏽鋼內針頭外壁與豎向通道內壁之間形成環形通道，醫用不鏽鋼內針頭的下端伸入到醫用塑料外針頭內部，柔性鐵磁性薄膜管上部套在醫用不鏽鋼內針頭下端並與醫用不鏽鋼內針頭膠粘連接，柔性鐵磁性薄膜管下端高於醫用塑料外針頭下端，筒形電磁鐵下端低於醫用塑料外針頭下端，筒形電磁鐵、豎向通道、醫用塑料外針頭、醫用不鏽鋼內針頭和柔性鐵磁性薄膜管具有同一條中心線；
主管上部左側設置有連接塊，條形電磁鐵上部通過螺栓螺母連接件固定設置在連接塊左側，條形電磁鐵與所述的中心線平行。
主管內壁設置有位於水平通道上方的限位環，醫用不鏽鋼內針頭插設在限位環內，限位環的內徑與，醫用不鏽鋼內針頭的下部外徑相等。
條形電磁鐵上設置有兩個第一接線柱，筒形電磁鐵上設置有兩個第二接線柱。
本實用新型的製作使用方法，包括以下步驟，
（1）、製備外徑為0.7mm、長度為38mm的圓柱形模具；
（2）、在模具外圓表面捲曲吸附直接購買的150μm厚的熱收縮聚對苯二甲酸乙二醇酯襯底，利用直流磁控濺射法沉積 100 nm厚的 Fe81Ga19薄膜，對模具稍加降溫後小心去除模具，得到內徑為0.7mm的柔性鐵磁薄膜管；
（3）、將醫用不鏽鋼內針頭自上而下插入到豎向通道內並伸出連接管下端，醫用不鏽鋼內針頭由限位環軸向及中心定位，醫用不鏽鋼內針頭的上部與豎向通道上端內壁膠粘連接；
（4）、將柔性鐵磁性薄膜管膠粘到至內針頭醫用不鏽鋼內針頭下端；
（5）、安裝醫用17G 1/2英寸醫用塑料外針頭至連接管外部，在安裝過程中需注意避免觸碰到柔性鐵磁性薄膜管；
（6）、將筒形電磁鐵安裝到主管下部，將條形電磁鐵安裝到連接塊左側；
（7）、製備交聯劑和交聯基液並分別用針筒盛裝；
（8）、盛裝有交聯劑的針筒與醫用不鏽鋼內針頭的上端連接，盛裝有交聯基液的針筒通過相應皮管與支管右端連接，然後再噴頭整體安裝到3D生物印表機上；
（9）、啟動3D生物印表機，交聯劑由醫用不鏽鋼內針頭向下經柔性鐵磁性薄膜管擠出，交聯基液由水平通道進入、再經環形通道向下擠出，柔性鐵磁性薄膜管內部的交聯劑先流動，在醫用塑料外針頭內部的柔性鐵磁性薄膜管下端開始交聯，交聯劑由內而外地對交聯基液進行交聯，並最終由醫用塑料外針頭下埠噴出形成中空纖維；
（10）、列印結束後，關閉3D生物印表機，同時接通筒形電磁鐵和條形電磁鐵，柔性鐵磁性薄膜管同時受到軸向磁場和周向磁場作用，引起柔性鐵磁性薄膜管沿軸向產生扭曲閉合，從而防止芯部殘餘交聯劑與交聯基液的交聯。
步驟（7）中交聯基液的製備具體為：用藥勺、電子秤及燒杯稱取4g海藻酸鈉粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為4%的海藻酸鈉溶液；
步驟（7）中交聯劑的製備具體為：）用藥勺、電子秤及燒杯稱取3g氯化鈣粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為3%的氯化鈣溶液。
步驟（7）中交聯基液的製備具體為：先分別製備質量分數為3%的羧甲基殼聚糖溶液和海藻酸鈉溶液，然後將相等質量的羧甲基殼聚糖溶液和海藻酸鈉溶液在50℃熱水浴的條件下充分混合；
步驟（7）中交聯劑的製備具體為：）用藥勺、電子秤及燒杯稱取0.5g京尼平粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為0.5%的京尼平水溶液。
採用上述技術方案，本實用新型具有以下技術效果：
1、利用流體間相互作用產生自定心的原理，交聯劑由柔性鐵磁性薄膜管向下擠出，可確保柔性鐵磁性薄膜管的中心線與醫用塑料外針頭的中心線始終保持重合，彌補現有由於針頭本身加工帶來的同軸度不高問題。
2、利用鐵磁薄膜材料磁致收縮效應及威德曼效應，當柔性鐵磁性薄膜管內部液體暫停供給時，控制醫用塑料外針頭外加筒形電磁鐵及外懸掛條形電磁鐵通電，使得柔性鐵磁性薄膜管發生扭轉變形，進而使柔性鐵磁性薄膜管封口，防止醫用塑料外針頭內的外部溶液對柔性鐵磁性薄膜管內部的殘留溶液交聯，進而防止噴頭堵塞。
3、本實用新型中除柔性鐵磁性薄膜管及三通管需單獨製備外，其他結構件均為標準件，可節省成本以及安裝時間，其中三通管的限位環、主管、支管、連接管和連接塊採用一體製成。
附圖說明
圖1是本實用新型在筒形電磁鐵和條形電磁鐵均未通電時的結構示意圖；
圖2是本實用新型在筒形電磁鐵和條形電磁鐵均通電時的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭，包括三通管、醫用不鏽鋼內針頭1、醫用塑料外針頭2、柔性鐵磁性薄膜管3、條形電磁鐵4和筒形電磁鐵5；三通管包括沿垂直方向設置的主管6和沿水平方向設置的支管7，支管7的左端與主管6右側連接，主管6內部沿垂直方向開設有上下通透的豎向通道8，支管7內部設置有水平通道9，水平通道9左埠與豎向通道8中部連通。
主管6下端同軸向連接有外徑小於主管6的連接管10，醫用塑料外針頭2上部內壁過渡配合套在連接管10上，筒形電磁鐵5上部內壁過渡配合套在主管6下部，醫用不鏽鋼內針頭1插設在豎向通道8內，醫用不鏽鋼內針頭1外壁與豎向通道8內壁之間形成環形通道11，醫用不鏽鋼內針頭1的下端伸入到醫用塑料外針頭2內部，柔性鐵磁性薄膜管3上部套在醫用不鏽鋼內針頭1下端並與醫用不鏽鋼內針頭1膠粘連接，柔性鐵磁性薄膜管3下端高於醫用塑料外針頭2下端，筒形電磁鐵5下端低於醫用塑料外針頭2下端，筒形電磁鐵5、豎向通道8、醫用塑料外針頭2、醫用不鏽鋼內針頭1和柔性鐵磁性薄膜管3具有同一條中心線；
主管6上部左側設置有連接塊12，條形電磁鐵4上部通過螺栓螺母連接件13固定設置在連接塊12左側，條形電磁鐵4與所述的中心線平行。
主管6內壁設置有位於水平通道9上方的限位環14，醫用不鏽鋼內針頭1插設在限位環14內，限位環14的內徑與，醫用不鏽鋼內針頭1的下部外徑相等。
條形電磁鐵4上設置有兩個第一接線柱15，筒形電磁鐵5上設置有兩個第二接線柱16。
一種新型柔性3D生物列印同軸噴頭的製作使用方法，包括以下步驟，
（1）、製備外徑為0.7mm、長度為38mm的圓柱形模具；
（2）、在模具外圓表面捲曲吸附直接購買的150μm厚的熱收縮聚對苯二甲酸乙二醇酯襯底，利用直流磁控濺射法沉積 100 nm厚的 Fe81Ga19薄膜，對模具稍加降溫後小心去除模具，得到內徑為0.7mm的柔性鐵磁薄膜管；
（3）、將醫用不鏽鋼內針頭1自上而下插入到豎向通道8內並伸出連接管10下端，醫用不鏽鋼內針頭1由限位環14軸向及中心定位，醫用不鏽鋼內針頭1的上部與豎向通道8上端內壁膠粘連接；
（4）、將柔性鐵磁性薄膜管3膠粘到至內針頭醫用不鏽鋼內針頭1下端；
（5）、安裝醫用17G 1/2英寸醫用塑料外針頭2至連接管10外部，在安裝過程中需注意避免觸碰到柔性鐵磁性薄膜管3；
（6）、將筒形電磁鐵5安裝到主管6下部，將條形電磁鐵4安裝到連接塊12左側；
（7）、製備交聯劑和交聯基液並分別用針筒盛裝；
（8）、盛裝有交聯劑的針筒與醫用不鏽鋼內針頭1的上端連接，盛裝有交聯基液的針筒通過相應皮管與支管7右端連接，然後再噴頭整體安裝到3D生物印表機上；
（9）、啟動3D生物印表機，交聯劑由醫用不鏽鋼內針頭1向下經柔性鐵磁性薄膜管3擠出，交聯基液由水平通道9進入、再經環形通道11向下擠出，柔性鐵磁性薄膜管3內部的交聯劑先流動，在醫用塑料外針頭2內部的柔性鐵磁性薄膜管3下端開始交聯，交聯劑由內而外地對交聯基液進行交聯，並最終由醫用塑料外針頭2下埠噴出形成中空纖維；
（10）、列印結束後，關閉3D生物印表機，同時接通筒形電磁鐵5和條形電磁鐵4，柔性鐵磁性薄膜管3同時受到軸向磁場和周向磁場作用，引起柔性鐵磁性薄膜管3沿軸向產生扭曲閉合，如圖2所示，附圖標記17為圓筒形電磁鐵5產生的磁感線，18為條形電磁鐵4產生的周向磁感線，從而防止芯部殘餘交聯劑與交聯基液的交聯。
其中製備交聯劑和交聯基液可採用下面兩種具體實施方式：
方式一：步驟（7）中交聯基液的製備具體為：用藥勺、電子秤及燒杯稱取4g海藻酸鈉粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為4%的海藻酸鈉溶液；
步驟（7）中交聯劑的製備具體為：）用藥勺、電子秤及燒杯稱取3g氯化鈣粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為3%的氯化鈣溶液。
方式二：步驟（7）中交聯基液的製備具體為：先分別製備質量分數為3%的羧甲基殼聚糖溶液和海藻酸鈉溶液，然後將相等質量的羧甲基殼聚糖溶液和海藻酸鈉溶液在50℃熱水浴的條件下充分混合；
步驟（7）中交聯劑的製備具體為：）用藥勺、電子秤及燒杯稱取0.5g京尼平粉末，溶解於100ml去離子水中，在磁力攪拌器攪拌1至2小時，靜至12小時得到質量分數為0.5%的京尼平水溶液。
本實施例並非對本實用新型的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本實用新型技術方案的保護範圍。