CN102501379B - 一种高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统，基座(1)上设有支架(2)，在所述的基座(1)上还设有x-y方向平面运动机构(7)，在所述的x-y方向平面运动机构(7)上装有成型支板(6)，在所述的成型支板(6)上设有z方向竖直升降机构(5)，在所述的z方向竖直升降机构(5)上安装有成型平台(4)，挤出单元(3)安装在所述的支架(2)上且所述的挤出单元(3)的喷嘴(31)将熔化的材料以丝状挤出凝固在所述的成型平台(4)上。本成型系统制造的骨支架具有三维复杂的形状、互联并可控的微孔、适宜并可调的力学性能和表面活化特性，可作为人体骨组织替代物。

Description

一种高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统

技术领域

本发明涉及一种三维多微孔骨支架的成型系统，特别是涉及一种通过分段加热并挤出高聚物来制备具有互联微孔和复杂形状的人工骨支架的快速成型系统。

背景技术

骨是人体内最重要的硬组织，在保护体内器官、为肌肉提供附着、产生血液细胞等方面发挥不可替代的作用。随着世界人口老龄化伴随而来的骨质疏松症疾病，以及由于运动、事故和肿瘤切除等造成的骨缺损与日俱增，骨科问题突显。据统计，2010年全球人工骨市场总销售额在250亿～260亿美元；在我国，每年接受各种骨科手术的病例数约有数百万次，其中，我国每年潜在人工骨置换病例数在200万～300万例，研制恢复、维持或改进人体骨功能的替代物已成为一项迫切的任务。

人工骨是通过先成型生物材料的支架，然后在上面复合细胞、促进并指导新的骨细胞形成的方式，来实现组织器官的人工制造。目前，通常采用的医疗方法是自体移植、异体移植与异种移植，人工骨与以上骨移植相比有如下优点：(1)供量不受限制；(2)可形成有生命力的活体组织，模拟骨组织的自然生长过程，从而对病损部位进行形态、结构和功能上的重建，并达到永久性替代；(3)无其他疾病交叉感染的机会。

支架的性能在应用中非常重要，包括支架的外形、内孔、强度要求、孔隙率以及相关材料等都是近年来研究的热点，对骨组织支架是否能够最终被临床应用起着关键作用。支架的多孔性提供了互联的微孔，使人工骨有合适的力学性能和表面活化性质，并可调节人工骨支架的降解速率，所以人工骨支架的设计和成型在很大程度上取决于骨的多孔性。理想的骨组织工程支架应具备如下条件：(1)良好的生物相容性；(2)良好的生物降解性；(3)良好的材料——细胞界面；(4)具有三维立体多孔结构(5)具有一定的机械强度。

在骨组织工程学中，常用的人工骨支架制备工艺分为传统制备工艺和快速成型制备工艺两大类。目前，传统技术涉及非织造成型技术、三维编织技术、相分离/乳化法、溶液浇铸/粒子溶出法、气体发泡法等，由于传统成型方法主要考虑的是内部多孔结构的形成，外形的成型主要靠手工成型和模具成型，成型骨支架精度低，表面粗糙度高，性能难以满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能制造有足够互联微孔、合适的力学性能、表面活化特性和复杂几何外形的人工骨支架的高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统，基座上设有支架，在所述的基座上还设有x-y方向平面运动机构，在所述的x-y方向平面运动机构上装有成型支板，在所述的成型支板上设有z方向竖直升降机构，在所述的z方向竖直升降机构上安装有成型平台，挤出单元安装在所述的支架上且所述的挤出单元的喷嘴将熔化的材料以丝状挤出凝固在所述的成型平台上。

所述的挤出单元的结构是连接板上安装有熔融箱体和挤压电机，所述的熔融箱体内设有挤压螺杆，所述的挤压螺杆与所述的挤压电机传动连接，所述的熔融箱体上设有加热器，所述的熔融箱体上端设有加料斗，下端设有喷嘴，所述的挤压螺杆的上部设有冷却管道，所述的连接板安装在所述的支架上。

所述的x-y方向平面运动机构和所述的z方向竖直升降机构的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，X和Y轴螺距为5mm，步进角1.8°/脉冲，Z轴螺距为4mm，步进角0.9°/脉冲，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节。x-y方向平面运动机构由计算机根据几何模型信息进行控制调节可实现任意形式平面运动，并按截面轮廓和填充路径扫描，满足各种成型路径要求；Z方向竖直升降机构可在一层烧结完成后下降预定高度。运动单元响应快速，精度高，满足成型定位要求。

本发明设计了一种稳定、精确挤出系统的结构形式，包括喷嘴、控制电机、挤压螺杆、加热器、冷却管道、熔融箱体、加料斗、联轴器和连接板。在成型中，高聚物材料的流动、塑形以及固化都需要在不同温度区间内完成，因此在成型过程中，精确控制各阶段的温度成为关键因素。其中温度参数包括送料温度、喷头温度、硬化区温度，本发明采用了三段加热的技术方案，结合固态继电器和PID温控仪，降低加热过程中的传热温差，提高系统能效比的同时降低高温对高分子影响。

本发明选用响应快速的单螺杆，通过三段加热(如300℃、250℃、200℃)使高聚物逐渐软化、半熔融、熔融，冷却管道铺设于挤压螺杆上部，通过循环冷却水冷却螺杆，控制温度的同时减少高温对电机的影响；喷嘴根据不同成型要求选用特定口径，均匀、定量挤出高聚物，此挤出系统温度控制精确，分辨率高，挤出速度快。

本发明采用delphi语言基于运动控制卡开发了配套控制软件，控制过程包括：控制运动平台带动成型平台按该软件由人工骨支架CAD模型得到的成型路径运动；控制挤出系统根据人工骨支架成型要求稳定、精确、快速地挤出高聚物。

本发明使用热塑性高聚物，高聚物材料由加热圈三段加热被融化后，由喷嘴处挤出，同时，喷头与运动平台沿每一层截面轮廓和填充轨迹作相对运动，材料在成型平台上迅速凝固并与已成型的材料固结。一个层面成型完成后，工作平台按预定的增量下降一个层的高度，再继续熔喷沉积，直至完成整个三维多微孔人工骨支架的实体造型。

本发明采用CAD建模、逆向工程、数控系统、材料选择、生物制造、工艺参数优化及精密机械等环节的多学科领域结合的系统工程，主要由机械运动系统、挤出系统和控制软件系统组成。

本发明提供的高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统使用热塑性高聚物材料，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料以丝状挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料固结。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的高度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。其特点是制造骨组织工程支架速度快，可以制备出骨骼内部组织的三维互联孔腔结构，可以解决传统成型方法不能控制人工骨支架的结构和孔隙内联性的缺点，适于制作非均质和多孔型结构的支架材料，实现功能梯度材料堆积成型；而且可以制造出任意形状复杂、同骨骼外形相匹配的三维人工骨支架，并可有效结合CAD技术实现对支架进行结构优化与仿生设计以及对支架制造过程精确控制。

与现有人工骨支架成型机相比，本发明具有如下显著特点：

(1)人工骨支架的孔隙率、力学性能、生物相容性和降解特性等方面，可以通过参数设计和高聚物材料选择的方法进行人工设定，可以满足各种人工骨支架的既定需求。

(2)三维运动单元采用精密滚珠丝杆传动，精度高，可实现微进给和高速进给，有可逆性，并且效率高，为人工骨成型过程提供硬件定位精度保证。

(3)发明了一套配套控制软件，可同时控制挤出系统和运动单元，挤出控制精确，运动单元可以完成任意复杂拓补关系的几何运动，不受人工骨复杂程度的限制。

(4)采用特定螺杆挤压，响应迅速，喷嘴使用更小的口径(300-500μm)并可更换，通过三段加热高聚物减小高温对高聚物影响，材料挤出均匀、快速，温度控制精确。

(5)总体结构上成型系统的运动副少，使用维护简单，稳定可靠。

(6)可以精确快速地将人工骨CAD模型物化为满足结构、性能要求的多微孔人工骨支架。

附图说明

图1是本发明提供的快速成型系统的等轴测三维几何图。

图2是本发明提供的挤出系统结构图。

图3是本发明提供的三维联动的运动单元。

图4是本发明提供的X轴运动机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，基座1上设有支架2，在基座1上还设有x-y方向平面运动机构7，在x-y方向平面运动机构7上装有成型支板6，在成型支板6上设有z方向竖直升降机构5，在z方向竖直升降机构5上安装有成型平台4，挤出单元3安装在支架2上且挤出单元3的喷嘴31将熔化的材料以丝状挤出凝固在成型平台4上，挤出单元3的结构是连接板39上安装有熔融箱体36和挤压电机32，熔融箱体36内设有挤压螺杆33，挤压螺杆33通过联轴器38与挤压电机32传动连接，熔融箱体36上设有加热器34，加热器34由采用电阻加热的上加热圈、中加热圈和下加热圈组成，通过PID控制实现精确温度控制；熔融箱体36上端设有加料斗37，下端设有喷嘴31，挤压螺杆33的上部设有冷却管道35，连接板39安装在所述的支架2上。x-y方向平面运动机构(7)和z方向竖直升降机构5的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，X和Y轴螺距为5mm，步进角1.8°/脉冲，Z轴螺距为4mm，步进角0.9°/脉冲，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节。x-y方向平面运动机构7可实现任意复杂平面形式运动，按截面轮廓和填充路径扫描，满足成型路径要求，z方向竖直升降机构5可在一层烧结完成后下降预定高度。

在成型中，高聚物材料的流动、塑形以及固化都需要在不同温度区间内完成，因此在成型过程中，精确控制各阶段的温度成为关键因素。其中温度参数包括送料温度、喷头温度、硬化区温度，本发明采用了三段加热的技术方案，结合固态继电器和PID温控仪，降低加热过程中的传热温差，提高系统能效比的同时降低高温对高分子影响。

本发明选用响应快速的单螺杆作挤压螺杆33，通过三段加热(如300℃、250℃、200℃)使高聚物逐渐软化、半熔融、熔融，冷却管道35铺设于挤压螺杆33上部，通过循环冷却水冷却挤压螺杆33，控制温度的同时减少高温对挤压电机32的影响；喷嘴31根据不同成型要求选用特定口径，均匀、定量挤出高聚物，此挤出系统温度控制精确，分辨率高，挤出速度快。

本发明采用delphi语言基于运动控制卡开发了配套控制软件，控制过程包括：控制运动平台带动成型平台按该软件由人工骨支架CAD模型得到的成型路径运动；控制挤出系统根据人工骨支架成型要求稳定、精确、快速地挤出高聚物。

参见图1、图2、图3和图4，该系统的具体工作过程是：工作前，由三维几何软件直接建模或通过CT扫描等逆向方法建立人工骨模型，并用几何软件进行切片处理生成STL分层文件，经由配套软件处理得到每一层的扫描路径；工作中，高聚物由加料斗37进入挤出系统，经加热器34进行三段加热逐渐软化、半熔融、熔融后，经过由不同成型要求选用的特定口径的喷嘴31处均匀挤出，在挤出单元3精确挤出高聚物的同时，x-y方向平面运动机构7和z方向竖直升降机构5根据既定扫描路线从起点运动到终点，以带动固结于其上的成型平台4作相应运动以完成每一层的成型，随后成型平台4下降一层的厚度。如此重复进行完成每一层的成型，最终叠加形成具有足够孔隙结构的降解速度可调控的人工骨支架。

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述：

参见图1、图2、图3和图4，本发明包括：1)三维运动平台；2)成型平台；3)挤出系统和4)配套控制系统。

三维运动平台是由x-y方向平面运动机构7和Z方向竖直升降机构5组成的可实现三维联动的运动单元。X轴方向运动机构71固定在基座1上，Y轴方向运动机构72和Z方向竖直升降机构5分别相应地安装在Y-Z-方向。在Y轴方向运动机构72上设有成型支板6，用以联结Y轴和Z轴运动，在Z方向竖直升降机构5上设有成型平台4，通过x-y方向平面运动机构7和Z方向竖直升降机构5的移动带动成型平台4作相应的运动。

本说明以X轴方向运动机构71为例介绍该发明运动单元各轴传动，X轴方向运动机构71包括步进电机711、运动导轨712、螺杆713、滑块714、第一基座715和手动旋钮716。在计算机调节、驱动器驱动下，步进电机711带动螺杆713转动，滑块714随之运动。X和Y轴螺距为5mm，步进角1.8°/脉冲，Z轴螺距为4mm，步进角0.9°/脉冲。

挤出单元3包括喷嘴31、挤压电机32、挤压螺杆33、加热器34、冷却管道35、熔融箱体36、加料斗37、联轴器38和连接板39。加热器34由采用电阻加热的上加热圈、中加热圈和下加热圈组成，通过PID控制实现精确温度控制；冷却管道35铺设于挤压螺杆33上部，通过循环冷却水冷却挤压螺杆33。喷嘴31采用更小的截面面积(300-500μm)，取得可满足成型过程的分辨率，以使生成的人工骨支架降解速率一定、具有内部联通微孔结构。

控制系统控制x-y方向平面运动机构7和Z方向竖直升降机构5带动成型平台4按软件由人工骨支架CAD模型得到的扫描路径运动，x-y方向平面运动机构7实现任意形式插补运动，满足各种成型路径要求，Z方向竖直升降机构5在一层烧结完成后下降预定高度；控制挤出单元3根据人工骨支架成型要求稳定、精确、快速地挤出高聚物。

本发明的主要性能指标：

(1)最大成型人工骨支架尺寸280x280x260mm。

(2)水平二维运动机构最快扫描速度100mm/sec。

(3)三维联动运动单元分辨率1μm。

(4)挤出系统温度控制精度±1℃。

(5)挤出系统喷嘴口径300-500μm。

Claims (3)

1.一种高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统，其特征在于：基座（1）上设有支架（2），在所述的基座（1）上还设有x-y方向平面运动机构（7），在所述的x-y方向平面运动机构（7）上装有成型支板（6），在所述的成型支板（6）上设有z方向竖直升降机构（5），在所述的z方向竖直升降机构（5）上安装有成型平台（4），挤出单元（3）安装在所述的支架（2）上且所述的挤出单元（3）的喷嘴（31）将熔化的材料以丝状挤出凝固在所述的成型平台（4）上；所述的挤出单元（3）的结构是连接板（39）上安装有熔融箱体（36）和挤压电机（32），所述的熔融箱体（36）内设有挤压螺杆（33），所述的挤压螺杆（33）与所述的挤压电机（32）传动连接，所述的熔融箱体（36）上设有加热器（34），所述的熔融箱体（36）上端设有加料斗（37），下端设有喷嘴（31），所述的挤压螺杆（33）的上部设有冷却管道（35），所述的连接板（39）安装在所述的支架（2）上。

2.根据权利要求1所述的高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统，其特征在于：所述的x-y方向平面运动机构（7）和所述的z方向竖直升降机构（5）的运动单元采用精密滚珠丝杆机构，X和Y轴螺距为5mm，步进角1.8°/脉冲，Z轴螺距为4mm，步进角0.9°/脉冲，通过伺服电机驱动，并由计算机控制调节。

3.根据权利要求1或2所述的高聚物制备三维多微孔骨支架的成型系统，其特征在于：所述的加热器（34）由采用电阻加热的上加热圈、中加热圈和下加热圈组成，通过PID控制实现精确温度控制。

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