CN101692987A - 转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统 - Google Patents

Abstract

转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，属于组织工程技术领域。本发明主要包括箱体、支架、转盘式多喷头喷射装置、成形室、成形台、三维运动机构、制冷装置以及控制及数据处理系统。转盘式多喷头喷射装置包括转盘及喷头组件，喷头组件均匀周向分布在转盘上。复杂器官如肝脏、心脏、肾脏等的前体在成形时，利用低温沉积制造工艺原理，先使成形室降温，由控制系统控制三维运动机构的运动和转盘式多喷头喷射装置的转动和喷料，使成形台做三维运动，转盘转动可以换用不同的喷头组件，挤出不同组织支架和细胞的基质材料在成形台上堆积成形。该装置采用转盘式多喷头交互成形方式，能实现具有复杂三维结构的非均质多种材料的精确成形。

Description

转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统

技术领域

本发明属于组织工程领域，特别涉及一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的设计。

背景技术

组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素是细胞、生物材料支架及生长因子。

在多孔支架的成形工艺方面，传统的成形工艺包括：纤维编织法、纤维粘接法、热致相分离法、溶液浇铸致孔剂浸出法、熔化造型法和气压造孔法等。这些方法可以都可以成形二维或三维的多孔支架。但是这些工艺制备的支架均存在一定的局限，如缺乏稳定的结构、力学性能差或存在有害化学溶剂残留等。所有这些传统工艺都不能实现复杂的非均质材料支架的成形制造，不能实现对孔隙结构的灵活和准确的控制，不能实现个性化的植入物制造。

20世纪90年代中后期开始，先进的制造技术——快速成形技术进入支架的成形领域，为解决传统的支架成形技术所存在的问题提供了新的思路。美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、密歇根大学、新加坡国立大学和国内的清华大学都在从事这方面的研究工作。其中，有的研究者采用现有的快速成形工艺设备和支架材料直接成形，如新加坡国立大学D.Hutmacher的研究小组、麻省理工学院M.J.Cima的研究小组和卡内基梅隆大学的骨组织工程中心。而另外一些研究者则致力于为组织工程的支架材料开发新的快速成形工艺，以满足支架成形的特殊要求，如清华大学的激光快速成形中心。

低温沉积制造工艺是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，在步进电机的驱动下，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。

低温沉积制造具体的工艺过程为：

①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。

②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。

③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压/喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。

④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。

目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成形装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-II型生物材料快速成形机。

然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。而原有的单喷头和双喷头无法满足科学发展及临床病人的要求；具有多喷头的复杂器官三维受控成形装置的设计和研发便成为必然。

目前国外Clemson大学的Boland T和Mironov V已经生产出基于商用喷墨打印机的细胞打印装置，但利用其成形材料有限，精度不高，三维控制弱；University of Arizona的SmithCM等设计出三维生物组装装置，有一系列沉积喷头，成形不同材料，但是成形工艺不突出，成形结构体较简单，近似平面；Univ Calif San Diego的Bhatia SN等研发的三维光绘图技术，成形效率低，结构体近似二维，且用紫外光，光固化诱导剂DMPA有毒性。

对于现有的双喷头及多喷头成形装置来说，喷头排列在固定平台上并随着固定平台运动喷料的方式是主要的喷射方式，该种方式存在以下不足：

①若干个喷头排列在固定平台上，要求支架成形区域是所有喷头所能覆盖的区域的交集，为开发多喷头成形装置带来了不便，无法满足对大尺寸支架的成形要求；

②对于若干个喷头排列在固定平台的方式来说，其各喷头的位置参数是不一样的，因此，会给成形的编程控制过程带来麻烦，而且对于喷头组件的相互切换也造成一定的不便。

多喷头及成形工艺相关的概念，在中国国家专利(申请号00124985.1)(申请号200510063378.7)(申请号200610011550.9)(申请号200410009787.4)(申请号01141863.X)(申请号02148654.9)里都有提及，不过，对于多喷头的结构设计没有特定的说明。

发明内容

本发明的是针对已有技术的不足之处，顺应非均质多种不同材料成形的需要，提供一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，该系统采用转盘式多喷头交互成形方式，具有自动化程度高，装置简单可靠等优点，能实现非均质多种材料的大型器官前体三维精确成形。

本发明的技术方案如下：所述系统包括箱体、支架、喷射装置、成形室、三维运动机构、成形台、制冷装置以及控制及数据处理系统，其特征在于：所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，该转盘式多喷头喷射装置包括转盘以及至少一个喷头组件，所述的喷头组件周向均匀分布在所述转盘上，且与转盘固接；所述箱体被隔板分成上下两部分，所述转盘式多喷头喷射装置设置在箱体的上部，所述的成形室设置在箱体的下部；所述隔板包括固定隔板和转动隔板，所述固定隔板固定在箱体上，中间设有一个圆形孔洞，所述转动隔板与所述的圆形孔洞间隙配合，并与转盘式多喷头喷射装置固接；所述喷头组件的下部穿过转动隔板进入成形室。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述转盘为圆形、椭圆形、正方形、长方形或多边形。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构，所述成形台与所述Z轴运动机构固接；所述的三维运动机构设置在成形室内。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述X轴运动机构包括X轴运动导轨及X轴运动滑块；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨和Y轴运动滑块；所述Z轴运动机构包括Z轴运动导槽和Z轴运动滑块；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接；所述Z轴运动机构与所述X轴运动滑块固接。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述喷头组件包括喷射器、控制电机、压块、螺杆、喷头组件支架、加热管和热电偶；所述控制电机固定在所述喷头组件支架的上部且与所述螺杆固接；所述喷头组件支架上设有压块导槽，所述压块导槽方向为Z轴方向；所述压块放置在压块导槽中；所述压块和螺杆构成丝杠-螺母传动机构；所述加热管与喷头组件支架下部固接，所述喷射器放置在加热管中。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述成形室内设有紫外灭菌器件。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

①本发明采用转盘来构造多喷头的周向排列方式，可以实现喷头间的自由切换，自动化程度高，可用于非均质多种材料支架的成形；

②本发明采用转盘来构造多喷头的排列方式，可以根据需要选用合适数量的喷头，而且支架成形的区域较大的；

③对于支架成形的编程控制来说，只须通过控制转盘控制电机的转动来换喷头，不受喷头位置参数的影响。

④本发明实现了通过控制工作台来运动使支架成形，相对于移动整个喷头部件来说，操作简单了很多，而且可以降低运动控制电机的功率，起到节能的作用。

综上，本发明所述系统利用转盘式多喷头喷射装置、三维运动机构、控制及数据处理系统综合实现了非均质多种材料支架的成形。该系统利用转盘式多喷头交互成形方式，具有结构自动化程度高，成形区域大，装置简单可靠，节能易控制等优点，适用于组织工程中具有复杂三维结构的非均质多种材料支架的精确成形。

附图说明

图1是本发明提供的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的实施例的主视图(部份剖视)。

图2是本发明提供的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的实施例的俯视图(未画出箱体盖、固定隔板、控制系统硬件及紫外灭菌器件)。

图3是转盘式多喷头喷射装置的俯视图。

图4是转盘式多喷头喷射装置的主视图。

图5是固定隔板和转动隔板示意图。

图6是喷头组件的主视图和侧视图。

图7是三维运动机构的俯视图。

图8是Z轴运动机构及成形台的主视图及侧视图。

图9是低温沉积制造的简易工艺流程。

在图1至图9中：

1-箱体，         11-上支架，         12-下支架，

13-固定隔板，    14-转动隔板，       15-箱门，

2-转盘控制电机， 3-转盘，

4-喷头组件，     41-喷头控制电机，   42-压块螺杆，

43-压块，        44-喷头组件支架，   45-压块导槽，

5-加热管，

61-喷射器，      62-活塞，           63-喷射管，

64-喷头，        65-热电偶，

7-X轴运动机构，  71-X轴运动控制电机，72-X轴丝杠，

73-X轴光杠，     74-X轴运动滑块，

8-Y轴运动机构，  81-Y轴运动控制电机，82-Y轴丝杠，

83-Y轴光杠，     84-Y轴运动滑块一，  85-Y轴运动滑块二，

9-Z轴运动机构，  91-Z轴运动控制电机，92-Z轴运动控制螺杆，

93-Z轴运动导槽， 94-Z轴运动滑块，    95-Z轴运动螺管，

10-成形台，      20-制冷装置，       21-成形室，

22-紫外灭菌器件，23-控制系统硬件，   24-计算机系统，

25-控制面板，    26-工作台。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理和工作过程内容。

本发明设计的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的实施例，如图1～图3所示，所述系统包括箱体1、支架、喷射装置、成形室21、三维运动机构、成形台10、制冷装置20以及控制及数据处理系统，所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，该转盘式多喷头喷射装置包括转盘3以及至少一个喷头组件4，所述的喷头组件4周向均匀分布在所述转盘3上，且与转盘3固接，转盘转动带着喷头组件4一起转动，以换用不同的喷头工作；所述箱体1被隔板分成上下两部分，所述转盘式多喷头喷射装置设置在箱体1的上部，所述的成形室21设置在箱体1的下部；如图5所示，所述隔板包括固定隔板13和转动隔板14，所述固定隔板13固定在箱体1上，中间设有一个圆形孔洞，所述转动隔板14与所述的圆形孔洞间隙配合，并与转盘式多喷头喷射装置固接，且随转盘3一起转动；由于转动隔板14与圆形孔洞间隙配合，保证了成形室21的致冷密封性；所述喷头组件4的下部穿过转动隔板14进入成形室21，便于成形工作的进行。

本发明中，所述转盘3可以采用圆形、椭圆形、正方形、长方形或多边形，本实施例中，转盘3为近似正六边形，如图3～4所示。

图7、图8为本发明三维运动机构的结构示意图，所述三维运动机构包括X轴运动机构7、Y轴运动机构8及Z轴运动机构9，所述成形台10与所述Z轴运动机构9固接；所述的三维运动机构设置在成形室21内。所述X轴运动机构7包括X轴运动导轨及X轴运动滑块74；所述X轴运动导轨包括X轴丝杠72和X轴光杠73；所述Y轴运动机构8包括Y轴运动导轨和Y轴运动滑块；所述Y轴运动导轨包括Y轴丝杠82和Y轴光杠83；Y轴运动滑块包括Y轴运动滑块一84和Y轴运动滑块二85；所述X轴丝杠72和X轴光杠73两端分别固接在所述Y轴运动滑块一84和Y轴运动滑块二85上；X轴运动滑块74套接在所述X轴运动导轨上；X轴运动控制电机71固定在所述Y轴运动滑块二85上，且X轴运动控制电机85的电机轴与X轴丝杠72固接；X轴运动控制电机71转动时，X轴运动滑块74做X轴平动；所述Y轴运动导轨包括Y轴丝杠82和Y轴光杠83；所述Y轴丝杠82和Y轴光杠83两端固接在所述下支架12上；所述Y轴运动滑块一84和Y轴运动滑块二85分别套接在Y轴丝杠82和Y轴光杠83上；Y轴运动控制电机81固定在所述下支架12上，与Y轴丝杠连接，Y轴运动控制电机转动时，所述Y轴运动滑块做Y轴方向平动。所述Z轴运动机构9固接在所述X轴运动滑块74上，包括Z轴运动导槽93和Z轴运动滑块94；Z轴运动控制电机91固定在X轴运动滑块上，Z轴运动控制电机91的电机轴与Z轴运动控制螺杆92固接；Z轴运动滑块94位于Z轴运动导槽93上且套接在Z轴运动控制螺杆92上；Z轴运动螺管95套接在Z轴运动控制螺杆92上且与所述Z轴运动滑块94固接；Z轴运动控制电机91转动时，Z轴运动滑块94和Z轴运动螺管95一起做Z轴方向平动；所述成形台10固接于所述Z轴运动螺管95上；所述成形台10可以随着X轴运动机构7、Y轴运动机构8、Z轴运动机构9一起做X、Y、Z三维方向运动。

图6为本发明喷头组件4的结构示意图，所述喷头组件4包括喷射器61、控制电机41、压块43、螺杆42、喷头组件支架44、加热管5和热电偶65；所述控制电机41固定在所述喷头组件支架44的上部且与所述螺杆42固接；所述喷头组件支架44上设有压块导槽45，所述压块导槽45方向为Z轴方向；所述压块43放置在压块导槽45中；所述压块43和螺杆42构成丝杠-螺母传动机构；所述加热管5与喷头组件支架44下部固接，所述喷射器61放置在加热管5中；喷射器61包括活塞62、喷射管63、喷头64；将喷射器61放置在加热管5中，控制电机41转动，使压块43下降，推动活塞62向下移动，挤压喷射器61内所装的成形材料，使之挤出成形。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，所述成形室21内设有紫外灭菌器件22。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，所述控制及数据处理系统包括计算机系统24和控制系统硬件23。

本发明所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，所述箱体1外部设有控制面板25。

结合图1～图9，本实施例的工作原理和工作过程，叙述如下：

复杂器官前体，即支架成形前，用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的NC代码。将层片文件和加工参数输入计算机控制软件。

选择实验的材料，本实施例中用PLGA溶液和明胶溶液按照合适的比例配制溶液，制成成形材料备用。

先启动紫外灭菌器件22，给整个箱体1灭菌。

将成形材料加入到转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的各喷头组件4的喷射器61中，手动推动活塞62除去其中的气泡，再将喷射器61置于加热管5中。在安装喷射器61的过程中，可以先手动旋动压块螺杆42，使压块43上升，为安装空出足够的空间。使加热管5工作并用热电偶65监测温度，确保成形材料的温度稳定而且不会凝固。

喷射器61安装完毕后，可手动或通过控制面板25转动压块螺杆42将压块43往下移，使压块43和喷射器61的活塞62接触。

设定转盘3及成形台10的初始坐标，开始成形前，利用控制及数据处理系统将转盘3和成形台10的位置还原。

关上箱门15。启动制冷装置20，使成形室21温度降到一定的实验值并维持基本恒定。等成形室温度基本稳定时，开始成形工作。由计算机系统24中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制成形台10的三维运动和喷头组件4对成形材料的挤压/喷射运动。在低温成形室21中，从喷头喷射器61中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形。随着每一层的堆积完成，成形台10在Z轴运动控制电机91驱动下下降一个特定的高度，中间要换用不同的成形材料时，先控制成形台10下降一定距离，控制转盘3转动来带动喷头组件4的转动，从而切换不同的喷头工作，再让成形台10上升同等的距离，继续受控成形。

支架成形后，依照特定程序将成形台10移出成形加工区域，再将其取出。

将支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。复杂器官前体的制备工作完成。

Claims (6)

1.一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，该系统包括箱体(1)、支架、喷射装置、成形室(21)、三维运动机构、成形台(10)、制冷装置(20)以及控制及数据处理系统，其特征在于：所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，该转盘式多喷头喷射装置包括转盘(3)以及至少一个喷头组件(4)，所述的喷头组件周向均匀分布在所述转盘上，且与转盘固接；所述箱体被隔板分成上下两部分，所述转盘式多喷头喷射装置设置在箱体的上部，所述的成形室(21)设置在箱体的下部；所述隔板包括固定隔板(13)和转动隔板(14)，所述固定隔板固定在箱体上，中间设有一个圆形孔洞，所述转动隔板与所述的圆形孔洞间隙配合，并与转盘式多喷头喷射装置固接；所述喷头组件的下部穿过转动隔板进入成形室。

2.如权利要求1所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述转盘为圆形、椭圆形、正方形、长方形或多边形。

3.如权利要求1所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述三维运动机构包括X轴运动机构(7)、Y轴运动机构(8)及Z轴运动机构(9)，所述成形台与所述Z轴运动机构固接；所述的三维运动机构设置在成形室内。

4.如权利要求2所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述X轴运动机构包括X轴运动导轨及X轴运动滑块(74)；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨和Y轴运动滑块；所述Z轴运动机构包括Z轴运动导槽(93)和Z轴运动滑块(94)；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接；所述Z轴运动机构与所述X轴运动滑块(74)固接。

5.如权利要求1所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述喷头组件包括喷射器(61)、控制电机(41)、压块(43)、螺杆(42)、喷头组件支架(44)、加热管(5)和热电偶(65)；所述控制电机固定在所述喷头组件支架的上部且与所述螺杆固接；所述喷头组件支架上设有压块导槽(45)，所述压块导槽方向为Z轴方向；所述压块放置在压块导槽中；所述压块和螺杆构成丝杠-螺母传动机构；所述加热管与喷头组件支架下部固接，所述喷射器放置在加热管中。

6.如权利要求1所述的转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述成形室内设有紫外灭菌器件(22)。

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