[发明专利]一种基于声场的多模态3D打印挤出头

说明书

本发明公开了一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其包括输出管和压电陶瓷超声换能器，输出管用于载细胞生物墨水的输出，压电陶瓷超声换能器设在输出管的外壁上，压电陶瓷超声换能器在输出管的外壁上围绕至少一圈；通过对压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用输出管自身的共振效应，引起输出管不同模态的共振，在输出管内激发不同模态的超声驻波场，从而以操控流经输出管内的载细胞生物墨水，细胞在声辐射力作用下排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状。本发明打印效率高，打印精度高。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于声场的多模态3D打印挤出头。

背景技术

生物3D打印机是一种能够在数字三维模型驱动下，按照增材制造原理定位装配生物材料或细胞单元，制造医疗器械、组织工程支架和组织器官等制品的装备。现有生物3D打印机主要有挤出式、喷墨式和激光辅助式等，通过利用不同的技术手段，实现对载细胞生物墨水的空间结构成型，从而在体外制造各种微组织及器官替代物。

然而，上述生物打印技术工艺虽然能实现生物墨水的有效成型，但其结构成型过程本质是操控生物材料空间位置关系，无法实现对细胞的精密操控，同时也会导致因细胞分布而引起的打印过程堵塞等问题。

为解决打印过程堵塞的问题，专利号为202110595402.0的专利公开了一种超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置，其通过陶瓷压电片在激励信号的作用下产生纵向机械振动，使混合油墨中的细胞沿喷头轴线位置排布，即打印过程中，细胞将大致呈直线方式排列，依次从喷头挤出，该方案减缓了喷头堵塞以及打印材料挤出时的剪切力使细胞存活数量降低的问题。

然而，专利号为202110595402.0的提出的超声辅助挤出式细胞打印喷头及打印装置存在以下问题：

1、该打印过程虽然实现了对细胞的操控，但只能实现细胞的单一直线排布，无法实现更高自由度的操控；

2、由于打印过程中细胞是呈直线方式排列依次输出，使得其每次输出的都只是细小轨迹上的细胞，为了将喷头输出的细胞排列在准确的位置，对打印喷头的移动位置的精度要求十分高，每一次移动都只是单个细胞或者数个细胞的距离；

3、由于输出的都只是细小轨迹上的细胞，打印喷头需要循环运动更多的次数来打印出同样体积的生物体，打印喷头的运动量将呈倍数增加，建立的3D轨迹模型的复杂程度将大大增加，数据量也在大大增加，从而提高了打印难度，降低了打印效率。

因此，本发明针对现有生物打印技术中存在的不足，拟借助超声波操控技术，提出一种基于声场的多模态3D打印挤出头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其打印效率高，打印精度高。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于声场的多模态3D打印挤出头，其特征在于：包括输出管和压电陶瓷超声换能器，输出管用于载细胞生物墨水的输出，压电陶瓷超声换能器设在输出管的外壁上，压电陶瓷超声换能器在输出管的外壁上围绕至少一圈；

通过对压电陶瓷超声换能器施加激励信号，利用输出管自身的共振效应，引起输出管不同模态的共振，在输出管内激发不同模态的超声驻波场，从而以操控流经输出管内的载细胞生物墨水，细胞在声辐射力作用下排列成不同的形状，并通过生物材料交联固定细胞形状。

可选的，输出管的横截面为圆形、椭圆形、方形、多边形中任一种。

可选的，输出管的材质为石英玻璃、PMMA、PS和ABS中的任一种。

可选的，输出管的内径为n，其中200μm≤n≤1000μm。

可选的，压电陶瓷超声换能器通过环氧树脂胶与输出管进行连接。