CN102319126A

CN102319126A - 固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统

Info

Publication number: CN102319126A
Application number: CN201110205970A
Authority: CN
Inventors: 王小红; 黄源文
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2012-01-18

Abstract

固定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、固定式多喷头喷射装置、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。固定式多喷头喷射装置包括固定式喷头支架及喷头组件，喷头组件并列或阵列均匀分布在固定式喷头支架上。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，由控制系统控制成形台三维运动机构的运动及固定式多喷头喷射装置的喷料，实现不同组织支架材料和细胞/基质复合材料在成形台上堆积成形。该装置采用固定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

固定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，特别涉及一种固定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。

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。

中国专利文献(申请号201010193223.6)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，喷头组件排列在圆盘上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时需转动转盘，使工作喷头与成形台对正。但转盘式多喷头成形系统有以下不足之处：

①转盘式喷射装置对结构要求较高，切换喷头要求转盘转动精确，对润滑等条件要求很高，同时增加了步进电机的个数，增加了成形机的成本；

②对于成形多细胞生物材料支架，一般的尺寸要求在10cm之内，无需使用转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统中的大范围成形空间。

发明内容

本发明提供一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，该系统采用固定式多喷头装置与进行三维运动的成形台，具有装置简单可靠，制作成本低、成形室保温效果好等优点，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固定式多喷头喷射装置，该固定式多喷头喷射装置包括固定式喷头支架以及至少两个喷头组件，固定式喷头支架固定在隔板上，所述的喷头组件固定布置在所述固定式喷头支架上；所述喷头组件的下部穿过隔板和固定式喷头支架进入成形室；所述隔板采用绝热材料。

本发明所述的固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述固定式喷头支架为四边形或圆形，喷头组件以并列或阵列方式均匀分布在所述固定式喷头支架上；固定式喷头支架采用一体式结构，或按喷头数量拆分为几个部分连接为整体。

本发明所述的固定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。

本发明所述的固定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。

本发明所述的固定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。

本发明所述的固定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。

本发明具有以下优点和突出性效果：

①本发明采用以并列或阵列方式来构造多喷头的排列方式，通过X轴运动机构和Y轴运动机构控制成形台在同一平面内平移实现喷头间的自由切换，可用于非均质多种生物材料，包括合成高分子、天然高分子和细胞/基质材料的成形；

②本发明结构简单控制方便，每个固定喷头都有单独的电机控制喷丝，只须通过程序控制成形台在同一平面内的移动来切换喷头；

③本发明可以根据需要选用合适数量的喷头，而且组织和器官前体成形的区域适合绝大多数生物组织和器官前体的成形尺寸要求；

④本发明实现了通过控制工作台运动使支架成形，相对于移动整个喷头部件来说，操作简单了很多，增加了喷头喷丝的稳定性，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固定式多喷头喷射装置、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。该系统利用固定式多喷头装置与成形台交互成形方式，具有结构简单可靠，节能易控制，保温效果好等优点，适用于组织工程中具有复杂三维结构的非均质多种组织和器官前体的精确成形。

附图说明

图1是本发明提供的固定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是本发明提供的固定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、隔板部分、控制系统硬件及紫外灭菌器件)。

图3是固定式多喷头喷射装置的主视图。

图4a和4b是喷头组件在固定式喷头支架上两种分布方式的俯视图。

图5a和5b分别是喷头组件的主视图和侧视图。

图6是三维运动机构的俯视图。

图7a和7b分别是Z轴运动机构及成形台的主视图及侧视图。

图8是低温沉积制造的简易工艺流程。

在图1至图8中：

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。

本发明设计的固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，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固定式多喷头喷射装置，该固定式多喷头喷射装置包括固定式喷头支架3以及至少两个喷头组件4，所述的喷头组件4以并列或阵列方式均匀分布在所述固定式喷头支架3上，且通过连接套2与固定式喷头支架3固接，通过成形台10在同一平面的移动，以换用不同的喷头工作；所述箱体1被隔板13分成上下两部分，所述固定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；所述隔板13固定在箱体1上，与固定式喷头支架3与孔洞间隙配合，保证了成形室21的致冷密封性；所述喷头组件4的下部穿过隔板13进入成形室21，便于成形工作的进行。

本发明中，所述固定式喷头支架3为四边形或圆形，喷头组件4以并列或阵列方式均匀分布在所述固定式喷头支架3上，如图4所示；固定式喷头支架3采用一体式结构，或按喷头数量拆分为几个部分连接为整体。本发明中列举的固定式喷头支架3为长方形，并列安装了四个喷头组件，如图2～3所示。

图5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。

图6、图7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。

本发明所述的固定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及控制软件。所述箱体1外部设有控制面板25。控制软件中有独立控制成形台平移以实现切换喷头的程序部分。在成形过程中通过X轴运动机构7、Y轴运动机构8控制成形台10在XY平面内根据喷头之间的位置关系定量平移，从而实现喷头之间的切换。

本发明所述的固定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。

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，本实施例中用聚氨酯(PU)/四乙二醇(Tetraglycol)溶液和含一定比例细胞的明胶/纤维蛋白原混合溶液为原料，按照合适的比例配制，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。

将不同成形材料加入到固定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。

设定固定式喷头支架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对不同成形材料的挤压/喷射运动。在低温(-80℃)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，通过控制软件启动切换喷头的程序，从而控制成形台10下降一定距离，然后控制成形台10在XY平面根据喷头之间的位置关系定量平移来实现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。

不同材料在地板上成形后，依照特定程序将成形台10移出成形加工区域，再将其取出。

将成形后的结构体放入注入含凝血酶(20IU/mL)的细胞培养液或磷酸缓冲液(PBS)中将PU中的有机溶剂萃取掉，同时使纤维蛋白原聚合、细胞/明胶/纤维蛋白原材料层形成稳定结构；复杂组织器官前体的制备工作完成。

Claims

1.一种固定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)、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，所述箱体被隔板分成上下两部分，两端固定在箱体上；所述的成形室(21)设置在箱体的下部，喷射装置设置在箱体的上部，所述的三维运动机构设置在成形室内，该三维运动机构包括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轴运动机构固接，其特征在于：所述的喷射装置采用固定式多喷头喷射装置，该固定式多喷头喷射装置包括固定式喷头支架(3)以及至少两个喷头组件(4)，固定式喷头支架(3)固定在隔板(13)上，所述的喷头组件(4)固定布置在所述固定式喷头支架(3)上；所述喷头组件(4)的下部穿过隔板(13)和固定式喷头支架(3)进入成形室；所述隔板(13)采用绝热材料。

2.如权利要求1所述的固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于：所述固定式喷头支架(3)为四边形或圆形，喷头组件以并列或阵列均匀分布在所述固定式喷头支架(3)上；固定式喷头支架(3)采用一体式结构，或按喷头数量拆分为几个部分连接为整体。

3.如权利要求1所述的固定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。

4.如权利要求1所述的固定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。

5.如权利要求1所述的固定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)。