CN101884573A - 复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置 - Google Patents

Abstract

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。该装置包括主体支架、活动板、活动板驱动机构和喷头组件。主体支架上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；主体支架的下部设有一个横向的活动板通道，该通道与喷头组件导槽连通；活动板设置于活动板通道中，其上板面为“V”字形；滑块的底部与“V”字形上板面相接触。活动板驱动机构带动活动板做水平往复移动，活动板的水平运动驱动滑块做竖向升降运动，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

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

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，适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，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的组织支架的接触，使成形的区域不受喷头间距的约束，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，含有至少两个喷头组件，其特征在于：该装置还包括主体支架、活动板和活动板驱动机构，在所述的主体支架上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；在主体支架的下部设有一个横向的活动板通道，所述喷头组件导槽与活动板通道连通，所述活动板设于所述活动板通道中，活动板的上板面为“V”字形；所述滑块的底部与活动板“V”字形上板面接触，所述喷头组件与滑块固接；所述活动板驱动机构带动活动板在活动板通道中移动。

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：所述活动板驱动机构采用电机和丝杆-螺母机构，或电机和凸轮-连杆组合机构，以及液压或气压驱动机构。

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，该滑轮与所述活动板“V”字形上板面接触。

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：所述喷头组件导槽为“T”形槽。

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：所述主体支架上部固定有盖板，盖板与所述滑块之间设有弹簧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明采用“V”形活动板驱动喷头组件升降变位，可以实现喷头间的自由切换，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的组织支架的接触，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，可用于非均质多种材料组织工程支架的成形。

综上，本发明所述装置利用“V”字形活动板、滑块综合实现了喷头组件的升降变位。该装置采用“V”字形板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主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是主体支架的结构示意图(图4-a为主视图，图4-b为侧视图，图4-c为俯视图)。

图5是活动板主视图。

图6为喷头组件的结构示意图，其中：图6-a、图6-b、图6-c和图6-d分别是喷头组件的主视图、侧视图、后视图和俯视图。

图7是多喷头喷射装置运动机理示意图。

图8是多喷头喷射装置运动过程示意图。

在图1至图8中：

2-活动板驱动机构，    3-活动板，

31-活动板螺纹孔，     32-螺杆，            33-主体支架，

34-喷头组件导槽，     35-活动板通道，      36-盖板，

37-弹簧，

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，              51-滑轮，            6-加热管，

61-喷射器，           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。

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结构如图1～图4所示，本实施例含有四喷头组件4，包括主体支架33、活动板3和活动板驱动机构2，在所述的主体支架33上竖向排列有四喷头组件导槽34，在每个喷头组件导槽34中设有滑块5；在主体支架33的下部设有一个横向的活动板通道35，所述喷头组件导槽34与活动板通道35连通，所述活动板3设置于所述活动板通道35中，活动板3的上板面为“V”字形；所述滑块5的底部与活动板3“V”字形上板面接触，所述喷头组件4与滑块5固接；所述活动板驱动机构2带动活动板3在活动板通道35中移动。

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，所述活动板驱动机构采用电机和丝杆-螺母机构，或电机和凸轮-连杆组合机构，以及液压或气压驱动机构。本实施例中采用的是电机和丝杆-螺母机构。电机的输出轴与螺杆32固接，所述活动板3上设置有活动板螺纹孔31，螺杆32设置在活动板螺纹孔31中，使螺杆32与活动板3构成丝杆-螺母机构。电机通过丝杆-螺母机构驱动活动板3做往复运动。

为了减少滑块5与活动板3“V”字形上板面之间的摩擦，在滑块5的底部设有滑轮51，该滑轮51与所述活动板3“V”字形上板面接触。

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61、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61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，所述喷头组件导槽34为“T”形槽。

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，所述主体支架31上部固定有一个盖板36，盖板36与滑块5之间连接有弹簧37，弹簧的压力可以确保滑块5与活动板3“V”形上板面紧密接触。

结合图1～图8，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61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61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，活动板控制电机2开始转动，通过螺杆32驱动活动板3在活动板通道35中做水平运动。由于活动板3上板面与导槽滑块5底部的小轮51紧密接触，且活动板3上板面呈“V”字形，活动板3做水平运动的同时，驱动导槽滑块5带着固接在其上的喷头组件4在喷头组件导槽34中做竖直方向运动，当活动板3上板面的“V”字底尖处到达所需换用的喷头组件处时，活动板控制电机2停止转动，此时，所需换用的喷头组件底部低于其他待机喷头组件的底部，如图7～8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 (6)

1.一种复杂器官前体三维受控成形机用多喷头喷射装置，含有至少两个喷头组件(4)，其特征在于：该装置还包括主体支架(33)、活动板(3)和活动板驱动机构(2)，在所述的主体支架上竖向排列有至少两个喷头组件导槽(34)，在每个喷头组件导槽中设有滑块(5)；在主体支架的下部设有一个横向的活动板通道(35)，所述喷头组件导槽与活动板通道连通，所述活动板设置于所述活动板通道中，活动板的上板面为“V”字形；所述滑块的底部与活动板“V”字形上板面接触，所述喷头组件与滑块固接；所述活动板驱动机构带动活动板在活动板通道中移动。

2.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：所述活动板驱动机构采用电机和丝杆-螺母机构，或电机和凸轮-连杆组合机构，以及液压或气压驱动机构。

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：所述滑块的底部设有滑轮(51)，该滑轮与所述活动板“V”字形上板面接触。

4.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：所述喷头组件导槽为“T”形槽。

5.如权利要求1、2、3或4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(61)、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，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。

6.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：所述主体支架上部固定有盖板(36)，盖板与所述滑块之间设有弹簧(37)。

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