CN101879492B

CN101879492B - 一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置

Info

Publication number: CN101879492B
Application number: CN2010101932132A
Authority: CN
Inventors: 邓东平; 王小红
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: CN101879492A

Abstract

一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，属于组织工程技术领域。该装置包括主体圆桶、活动桶、控制电机和喷头组件。主体圆桶周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽，每个喷头组件导槽中设有滑块；喷头组件与滑块固接；活动桶设在主体圆桶内侧，活动桶的上表面呈倾斜环面，该倾斜环面与滑块底部紧密接触；控制电机固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上。控制电机驱动活动桶或主体圆桶使之做相对转动；二者的相对转动驱动滑块在竖直方向做升降运动，从而使喷射装置在切换喷头的同时实现喷头的升降变位运动，有效避免了待机喷头对工作喷头成形的影响，能实现大体积具有复杂三维结构的非均质多种材料器官前体的精确成形。

Description

一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置

技术领域

本发明属于组织工程技术领域，特别涉及一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置。

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，在低温成形室中逐层堆积成形。目前采用的复杂器官前体三维受控成型机多采用单喷头或者双喷头。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。

专利(申请号200910093785.0)涉及一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为转盘式，喷头组件固定排列在喷射平台上，喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头只是将喷射平台移动或者移动成形台，使工作喷头与成形台对正。该种方式的不足之处是：成形时，由于所有喷头都在同一平面上，待机喷头与工作喷头会互相干扰；为了避免待机喷头对工作喷头成形的影响，避免待机喷头底部与已成形支架接触，所成形的区域必须小于两个喷头之间的距离，这就无法对大体积复杂器官的前体进行堆积成形。

发明内容

本发明的是针对已有技术的不足之处，顺应大体积非均质多种不同材料器官前体成形的需要，提供一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，该装置采用倾斜环面活动桶驱动喷头升降变位式喷头切换方式，具有自动化程度高，装置简单可靠等优点，能实现大体积非均质多种不同材料的器官前体三维精确成形。

本发明的技术方案如下：本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，含有复杂器官前体三维受控成形机机架及至少两个喷头组件，其特征在于：该装置还包括主体圆桶、活动桶、控制电机，所述主体圆桶固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，其上周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽，在每个喷头组件导槽中设有滑块；所述活动桶设置在所述主体圆桶内侧，与所述主体圆桶间隙配合，活动桶为圆桶状，其上表面呈倾斜环面，活动桶上表面与滑块底部紧密接触；所述喷头组件与滑块固接；所述控制电机固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机带动活动桶在主体圆桶内侧转动。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，含有复杂器官前体三维受控成形机机架及至少两个喷头组件，其特征在于：该装置包括主体圆桶、活动桶、控制电机，所述主体圆桶上周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽，在每个喷头组件导槽中设有滑块；所述活动桶固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，活动桶设置在所述主体圆桶内侧，与所述主体圆桶间隙配合，活动桶为圆桶状，其上表面呈倾斜环面，活动桶上表面与滑块底部紧密接触；所述喷头组件与滑块固接；所述控制电机固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机带动主体圆桶在活动桶外侧转动。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述控制电机通过传动机构与活动桶连接。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述控制电机通过传动机构与主体圆桶连接。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述的传动机构采用“花瓣”状板式结构。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述滑块的底部设有滑轮，该滑轮与所述活动桶上板面的倾斜环面接触。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述喷头组件包括喷射器、喷头控制电机、压块、喷头螺杆、喷头组件支架、加热管和热电偶；所述喷头控制电机固定在所述喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；所述喷头组件支架上设有压块导槽，所述压块导槽方向为竖直方向；所述压块放置在压块导槽中；所述压块和喷头螺杆构成丝杠-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。

本发明所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述滑块为“T”形滑块。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

①本发明采用倾斜环面活动桶驱动喷头组件升降变位，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组织工程支架的成形；

②本发明采用喷头升降的方式使喷头变位，可以使待机喷头与工作喷头处于不同的平面，能有效避免待机喷头底部与已成形支架的接触，使成形的区域不受喷头间距的约束，能成型大体积复杂器官前体。

③多喷头喷射装置圆桶式的设计，使得装置体积小，结构简单，方便实现自动化。

综上，本发明所述装置利用倾斜环面活动桶、滑块综合实现了喷头组件的升降变位。该装置采用倾斜环面活动桶驱动喷头组件升降变位式喷头切换方式，具有自动化程度高，装置简单可靠等优点，能实现大体积非均质多种不同材料的器官前体三维精确成形。

附图说明

图1是本发明提供的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置的实施例的立体图。

图2是本发明提供的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置的实施例的主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的侧视图。

图5是活动桶立体图。

图6是主体圆桶立体图。

图7是“花瓣”状板式结构的立体图。

图8-a是喷头组件的主视图，图8-b是喷头组件的侧视图，图8-c是喷头组件的后视图，

图8-d是喷头组件的俯视图。

图9是多喷头喷射装置运动机理示意图(图9-a为活动桶运动时各喷头运动情况，图9-b为活动桶运动停止后各喷头的位置情况)。

在图1至图9中：

1-主体圆桶， 11-喷头组件导槽，

2-控制电机， 21-“花瓣”状板式结构，

3-活动桶，

4-喷头组件， 41-喷头控制电机， 42-喷头螺杆，

43-压块， 44-喷头组件支架， 45-压块导槽，

5-滑块， 6-加热管，

62-活塞， 63-喷射管，

64-喷头，65-热电偶。

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。

本发明设计的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，如图1～图9所示，所述装置，含有复杂器官前体三维受控成形机机架及四个喷头组件4，该装置还包括主体圆桶1、活动桶3、控制电机2，所述主体圆桶1固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，其上周向竖向排列有四喷头组件导槽11，在每个喷头组件导槽11中设有滑块5；所述活动桶3设置在所述主体圆桶1内侧，与所述主体圆桶1间隙配合，活动桶3为圆桶状，其上表面呈倾斜环面，活动桶3上表面与滑块5底部紧密接触；所述喷头组件4与滑块5固接；所述控制电机2固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机2带动活动桶3在主体圆桶1内侧转动。

本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，还可以是：该装置含有复杂器官前体三维受控成形机机架及四喷头组件4，装置还包括主体圆桶1、活动桶3、控制电机2，所述主体圆桶1上周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽11，在每个喷头组件导槽11中设有滑块5；所述活动桶3固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，活动桶3设置在所述主体圆桶1内侧，与所述主体圆桶1间隙配合，活动桶3为圆桶状，其上表面呈倾斜环面，活动桶3上表面与滑块5底部紧密接触；所述喷头组件4与滑块5固接；所述控制电机2固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机2带动主体圆桶1在活动桶3外侧转动。

在本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置中，所述控制电机2通过传动机构与活动桶3连接。

本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置中，还可以是：所述控制电机2通过传动机构与主体圆桶1连接。

在本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置中，所述的传动机构采用“花瓣”状板式结构21。所述控制电机2的输出轴与所述“花瓣”状板式结构21固接，“花瓣”状板式结构21与活动桶3采用焊接或者采用齿形楔合的方式固接。控制电机2通过“花瓣”状板式结构21来驱动活动桶3的运动。

本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置中，还可以是，所述的传动机构采用“花瓣”状板式结构21。所述控制电机2的输出轴与所述“花瓣”状板式结构21固接，“花瓣”状板式结构21与主体圆桶1采用焊接或者采用齿形楔合的方式固接。控制电机2通过“花瓣”状板式结构21来驱动主体圆桶1的运动。

在本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置的中，为了减小所述滑块5与活动桶3上板面间的摩擦，所述滑块5的底部设有滑轮，该滑轮与所述活动桶3上板面的倾斜环面接触。

在本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置的实施例中，所述喷头组件4包括喷射器、喷头控制电机41、压块43、喷头螺杆42、喷头组件支架44、加热管6和热电偶65；所述喷头控制电机41固定在所述喷头组件支架44的上部且与所述喷头螺杆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方向为竖直方向；所述压块43放置在压块导槽45中；所述压块43和喷头螺杆42构成丝杠-螺母传动机构；所述加热管6与喷头组件支架44下部固接，所述喷射器放置在加热管6中。

在本发明所述复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置的实施例中，所述滑块5为“T”形滑块。

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，即支架成形时，成形环境已经制冷，热电偶65监测环境温度。成形材料事先已经装入喷射器中，喷头控制电机41转动时，通过丝杆-螺母传动机构推动压块43挤压喷射器的活塞62，使成形材料从喷头64挤出，在成形台上堆积成形。成形台可以做水平方向二维运动和竖直方向的运动。当成形完成一层时，喷头控制电机41停止转动，同时，成形台下降一定距离。此时，控制电机2开始转动，通过“花瓣”状板式结构21驱动活动桶3在主体圆桶1内侧旋转；或者是：控制电机2开始转动，通过“花瓣”状板式结构21驱动主体圆桶1在活动桶3外侧旋转。由于活动桶3上板面与滑块5底部紧密接触，且活动桶3上板面倾斜环面，活动桶3与主体圆桶1之间相对旋转运动的同时，驱动滑块5带着固接在其上的喷头组件4在喷头组件导槽11中做竖直方向运动，当活动桶3上板面的倾斜环面最低处到达所需换用的喷头组件处时，控制电机2停止转动，此时，所需换用的工作喷头组件底部低于其他待机喷头组件的底部，如图9所示；之后，成形台上升一定的距离，并移至与工作喷头相对的位置，继续三维受控成形。

支架成形后，依照特定程序将成形台移出成形加工区域，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

1.一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，含有复杂器官前体三维受控成形机机架及至少两个喷头组件(4)，所述喷头组件包括喷射器、喷头控制电机(41)、压块(43)、喷头螺杆(42)、喷头组件支架(44)、加热管(6)和热电偶(65)；所述喷头控制电机固定在所述喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；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竖直方向；所述压块放置在压块导槽中；所述压块和喷头螺杆构成丝杠-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，其特征在于：该装置还包括主体圆桶(1)、活动桶(3)、控制电机(2)，所述主体圆桶固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，在主体圆桶周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽(11)，在每个喷头组件导槽中设有滑块(5)；所述活动桶设置在所述主体圆桶内侧，与所述主体圆桶间隙配合，该活动桶的上表面呈倾斜环面，该倾斜环面与所述滑块底部紧密接触；所述喷头组件与滑块固接；所述控制电机固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机带动活动桶在主体圆桶内侧转动。

2.一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，含有复杂器官前体三维受控成形机机架及至少两个喷头组件(4)，所述喷头组件包括喷射器、喷头控制电机(41)、压块(43)、喷头螺杆(42)、喷头组件支架(44)、加热管(6)和热电偶(65)；所述喷头控制电机固定在所述喷头组件支架的上部且与所述喷头螺杆固接；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竖直方向；所述压块放置在压块导槽中；所述压块和喷头螺杆构成丝杠-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，其特征在于：该装置包括主体圆桶(1)、活动桶(3)、控制电机(2)，所述主体圆桶上周向竖向排列有至少两个喷头组件导槽(11)，在每个喷头组件导槽中设有滑块(5)；所述活动桶固定于复杂器官前体三维受控成形机机架上，活动桶设置在所述主体圆桶内侧，与所述主体圆桶间隙配合，其上表面呈倾斜环面，该倾斜环面与所述滑块底部紧密接触；所述喷头组件与滑块固接；所述控制电机固定于所述复杂器官前体三维受控成形机机架上，控制电机带动主体圆桶在活动桶外侧转动。

3.如权利要求1所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述控制电机通过传动机构与活动桶连接。

4.如权利要求2所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述控制电机通过传动机构与主体圆桶连接。

5.如权利要求1或2所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述滑块的底部设有滑轮，该滑轮与所述活动桶上板面的倾斜环面接触。

6.如权利要求1或2所述的复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，其特征在于：所述滑块为“T”形滑块。