CN102755203B - 一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统 - Google Patents

Abstract

一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统，属于组织工程技术领域。该发明主要包括多喷头喷射单元、三维运动单元、成形台、成形台姿态调整装置、温度控制装置、灭菌装置、壳体、支架以及控制单元。多喷头喷射单元安装在三维运动单元上，成形台安装在成形台姿态调整装置的顶部，在控制单元的控制下，喷头会按照设定路径运动并依照设定次序进行喷涂，并且喷头的中心轴与成形台表面之间的相对角也可以改变，方便复杂曲面的制造。使多种细胞、支架材料一次性按计算机指令排列到相应的位置的同时完成各种后序处理过程，所成形的三维结构可以直接与体内相应循环系统相连接并迅速实现复杂组织器官的各种生理功能。

Description

一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统

技术领域

本发明属于器官制造领域，特别涉及一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统。 

背景技术

20世纪80年代末面世的快速成形技术作为先进制造技术中比较重要的一员逐步进入支架的成形领域，其开创的加式新工艺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。经过近20年的持续努力，实现三维快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等几大类技术。 

低温沉积制造工艺(LDM)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，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型装置，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细胞和细胞外基质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。原有的单喷头和双喷头无法满足复杂组织器官快速制造的要求；同时具备有孔喷射的多喷头快速成形与无孔喷涂的成形材料结构功能修饰的多功能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201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成 形系统，喷射装置为固定式，成形台设置在三维运动装置上，喷头组件排列在矩形盘或圆盘上，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，切换喷头时三维运动装置使工作喷头与成形台对正。但固定式多喷头成形系统有以下不足之处： 

①成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高。 

②固定式喷头均为螺杆挤压式且不可更换，在进行细胞组装或打印加工时存在结构性弊端，无法精确控制细胞打印数量、细胞层的厚度和准确位置。 

③喷射装置各喷头只有一个喷嘴，在进行多种细胞、多方位成形时局限性较大。 

④不能同时满足既成形微米级高粘度凝胶、浆料或溶液，又能喷涂纳米级低粘度的单层细胞、细胞生长因子、交联剂或高分子溶液层，因而使复杂组织器官制造中成形过程与后序处理过程不能同步进行。 

发明内容

本发明针对已有技术的不足之处，提供一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统，该系统采用有孔喷射快速成形与无孔喷涂复合技术，提高了多种细胞、多方位成形时的灵活性和精度。 

本发明的技术方案如下： 

一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统,该系统包括壳体，多喷头喷射单元、成形台、灭菌装置、温度控制装置、三维运动单元以及控制单元，所述的多喷头喷射单元、成形台、灭菌装置、温度控制装置和三维运动单元设置在壳体内，其特征在于：复杂组织器官制造系统还包括成形台姿态调整装置，该成形台姿态调整装置是一个六维运动平台；多喷头喷射单元安装在三维运动单元上，成形台固定安装在成形台姿态调整装置的顶部；所述的多喷头喷射单元包括有孔喷射装置和无孔喷涂装置，两者并列安装在三维运动单元上；所述控制单元分别通过控制线路与三维运动单元、多喷头喷射单元和成形台姿态调整装置相连接。 

本发明所述的成形台姿态调整装置包括一个以伺服电机为动力源的旋转装置和一个六杆的史都华运动机构，旋转装置安装在史都华运动机构的顶端。 

所述的有孔喷射装置采用电机助推式快速成形喷头、压电喷头和笔尖直流喷头；无孔喷涂装置采用激光引导装置。 

本发明具有以下优点和突出性效果： 

①本发明采用了有孔喷射与无孔喷涂组合技术，可用于非均质多种生物材料，包括固态或液态合成高分子、溶液或凝胶态天然高分子和细胞/基质材料的成形；结构尺寸从纳米级到厘米级。 

②本发明采用有孔喷射与无孔喷涂组合技术，一方面采用有孔喷射装置可以成形微米级的多细胞层。另一方面无孔喷涂可以精确成形钠米到微米级的细胞层、支架高分子层。喷涂系统还可以对成形材料进行后序处理，包括高分子交联、有机溶剂萃取、生长因子复合，使制造过程更加准确迅速。 

③本发明可根据需要选用合适数量的喷射、喷涂技术进行独立或协同加工，加工区域适合绝大多数生物组织和器官前体的成形尺寸要求。可以通过微创技术使喷射与喷涂装置直接伸入到人体中，利用病人自体细胞和细胞外基质材料进行原位制造、直接与宿主体内循环系统相连接，并达到修复病损组织和器官的目的。 

综上，本发明所述系统利用有孔喷射与无孔喷涂组合技术实现了非均质多种材料复杂三维结构的协同高效成形。结构尺寸从纳米级到厘米级。喷涂系统还可以对成形材料进行后序处理，包括高分子交联、有机溶剂萃取、生长因子复合，使制造过程更加准确迅速。可以通过微创技术使喷射与喷涂装置直接伸入到人体中，利用病人自体细胞和细胞外基质材料进行原位制造、快速修复病损组织和器官。 

附图说明

图1是本发明的一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统实施例的主视图。 

图2是本发明的一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统实施例的俯视图。 

图3是史都华运动机构结构示意图。 

图4是笔尖直写喷头结构示意图。 

图5是电机助推式快速成形喷头结构示意图。 

图6是本发明一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统工作流程示意图。 

图中：101-X向运动装置；102-电机助推式快速成形喷头；103-笔尖直写喷头；104-压电喷头；105-激光引导装置；106-运动单元支架；107-成形台；108-支架；109-旋转装置；110-史都华运动机构；111-灭菌装置；112-控制单元；201-壳体；202-Z向运动装置；203-Y向滑块；204-温度控制装置；205-Y向滑轨；206-Y向丝杠；207-Y向伺服电机；301-可动板；302-万向接头；303-线性致动器；304-固定板；401-喷嘴；402-微尖；403-液桥；404-成形台；501-螺杆；502-直线步进电机；503-Z向运动装置支架；504-加热棒；505-隔热外套；506-密封圈；507-喷嘴。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。 

图1、图2是本发明的一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统结构原理示意图，该系统包括壳体201，多喷头喷射单元、成形台404、灭菌装置111、温度控制装置204、三维运动单元、控制单元112以及成形台姿态调整装置；所述的多喷头喷射单元、成形台107、灭菌装置111、温度控制装置204和三维运动单元设置在壳体内，复杂组织器官制造系统还包括成形台姿态调整装置，该成形台姿态调整装置是一个六维运动平台；多喷头喷射单元安装在三维运动单元上，成形台107固定安装在成形台姿态调整装置的顶部；所述的多喷头喷射单元包括有孔喷射装置和无孔喷涂装置，两者并列安装在三维运动单元上；所述控制单元分别通过控制线路与三维运动单元、多喷头喷射单元和成形台姿态调整装置相连接。 

多喷头喷射单元是有孔喷射快速成形装置和无孔喷涂装置的组合结构。其中，有孔喷射 装置采用电机助推式快速成形喷头102、笔尖直写喷头103和压电喷头104，电机助推式快速成形喷头102和笔尖直写喷头103的结构分别如图5和图4所示；无孔喷涂设备是激光引导装置105。 

笔尖直写喷头结构如图4所示，喷头内的流体材料在压力的作用下从微尖402与喷嘴401之间的间隙流出，通过微尖402的引流作用到达指定位置。 

电机助推式快速成形喷头结构如图5所示，直线步进电机502固定在Z向运动装置支架上，螺杆501在直线步进电机502的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴507喷出，加热棒504和隔热外套505安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。 

多喷头喷射单元被安装在三维运动单元中的Z向运动装置202上，在控制单元112的控制下工作喷头可在基材上进行精确定位，使各种不同材料，包括高粘度凝胶、浆料、溶液，和低粘度的单层细胞、细胞生长因子、交联剂、高分子溶液组装、打印或喷涂在恰当的空间位置上。在实现两种以上细胞和支架材料三维受控组装的同时，实现高分子材料交联、有机溶剂萃取、单层细胞及钠米级合成高分子支架层复合多种功能。 

三维运动单元包括X向运动装置101、Y向运动装置和Z向运动装置202。Y向运动装置安装在支架108顶部，Y向运动装置由Y向伺服电机207，Y向丝杠206和Y向滑轨205组成，Y向伺服电机207和Y向丝杠206通过联轴器相联接，两幅Y向滑轨205分别安装在支架108的左右两侧支柱上，Y向伺服电机207和Y向丝杠206安装在左侧支架上，以伺服电机为动力源即可带动安装在Ｙ向滑块上的机构沿Ｙ轴方向做直线运动，并可精确定位。 

X向运动装置101由滚珠丝杠副、直线导轨、滑块、联轴器和伺服电机组成。其中，滚珠丝杠和直线导轨的两端分别固定在Y向直线运动导轨的左右两侧的滑块上，伺服电机固定在右侧的Ｙ向滑块上，伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠相联结。 

Z向运动运动装置202安装在X向运动装置101的滑块上，Z向运动装置202为成套的直线运动模块。 

三维运动单元带动固定在其上的多喷头喷射单元进行精确定位，并可使其按照控制单元112规划的路径进行准确运动。 

成形台107，是承载产品的平台，安装在成形台姿态调整装置的顶部。成形台姿态调整装置是一个六维运动平台，能围绕X轴、Y轴偏转一定的角度，可调整成形台107表面与喷头中心轴之间的相对角。成形台107能围绕其Z轴中心轴进行旋转运动，成形台姿态调整装置与三维运动单元进行联动，可大幅提高加工圆截面和圆环截面类材料成型时精度，并可制造和喷涂复杂的曲面结构。 

成形台姿态调整装置由上下两部分组成，上部为一个以伺服电机为动力源的旋转装置109，下部为一个六杆的史都华运动机构110，旋转装置109安装在史都华运动机构110的顶端，史都华运动机构110的结构如图3所示。旋转装置109提供围绕其Z轴的旋转运动，史都华运动机构110则提供围绕X轴、Y轴和Z轴的偏转运动。 

史都华运动机构如图3所示，史都华运动机构由线性致动器303通过万向接头302与可动板301和固定板304连接组成，经由6根线性致动器303的长度变化，相互牵引万向接头302，可使上方的可动板301呈现不动位置及角度。 

温度控制装置204，为了保持生物细胞的活性和成形材料固化的需要，温度控制装置204使所述系统内部温度应根据需要保持在合适的温度。温度控制装置204安装在左侧支架上。 

灭菌装置111，使用紫外线灭菌装置，可对一些生物材料和整个系统内部进行消毒。灭菌装置安装在右侧支架上。 

壳体201，实现适当的封闭和必要的保护，确保整个加工制造过程的顺利进行和复杂组织、器官制造的无菌环境，并实现接地保护、通风散热等功能。 

支架108，整个设备的框架和支撑，各个硬件系统均安装在固定机架上。 

控制单元112，提供友好的用户操作界面，解析处理待成形三维文件，输出各喷头具有正确时序和数据的组装或打印命令，补偿机械偏差、校准喷头和测试设备的工作状态等。 

通过计算机进行肝脏叶片建模。再利用电机助推式快速成形对病人身上提取的几种细胞与生物相容性细胞外基质材料，如平滑肌细胞/纤维蛋白原、肝细胞/明胶、星状细胞/透明质酸进行组装的同时，利用一个激光引导装置105将内皮细胞打印在平滑肌细胞/纤维蛋白原所形成的血管网结构内侧，用另一个激光将合成高分子聚氨酯喷涂到所成形的肝脏叶片外围，使成形结构的机械性能与肝脏动脉、静脉血管的机械性能相匹配。组装后的结构可以直接与人体血管系统相连接，起到肝脏修复的作用，并不引起凝学、炎症反应等副作用。 

结合图6，本实施例的工作原理和工作过程，叙述如下： 

复杂器官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，得到用于成型的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，按照合适的比例配置，制成成形材料备用。 

先启动灭菌装置111，给整个壳体内环境灭菌。 

将不同的成形材料加入到多喷头单元的各喷头组件中,设定喷头及成形台姿态调整装置的初始坐标， 

关闭箱门。启动温度控制装置204，使成形室温度达到实验设定值并维持恒定。 

等成形室温度稳定时，开始成形工作。由控制单元112根据输入的层片文件和设定的加工参数控制三维运动单元的运动路径和成形台姿态调整装置的姿态位置，设定的喷头开始工作，从喷头中喷射出来的材料迅速凝固且相互粘结在一起，堆积成形。随着每一层的堆积完成，喷头在Z向运动装置202的带动下下降一个特定高度，中间要更换不同的成形材料时，通过控制单元112启动切换喷头的程序，控制喷头抬升一定的距离，然后根据喷头之间的位置关系，控制工作喷头移动到设定位置，再使工作喷头下降同等的距离，继续受控成形。 

若需要加工圆环类结构时，喷头在三维运动单元的带动下运动到设定位置，设置成形台姿态调整器的位置为初始值，成形台107平面与XY平面平行，启动旋转装置109，成形台围绕其Z轴进行旋转运动。等成形台107旋转一周后，喷头提升一定的高度即可连续成形。 

若需要在加工结构表面喷涂另一层材料时，切换工作喷头，并将工作喷头在三维运动单元的带动下运动到设定位置，成形台姿态调整装置偏转到设定位置，此时成形台107中心轴与工作喷头中心轴之间的夹角大于零度，启动旋转装置109，喷头即可在在加工结构表面喷涂另一层材料。 

不同材料在成形台107表面成形以后，依照程序将成多喷头单元移出成形加工区域，成形过程结束，然后可将成形结构取出。 

本发明所述的有孔喷射与无孔喷涂技术相复合的全自动复杂组织器官制造技术，所使用的生物材料可以是粘度很高的胶体、悬浮液、浆料、熔融体，也可以是粘度很低的溶液体系，包括可降解与不可降解高分子固体或液体材料、细胞生长因子材料溶液、生物活性荧光染料、无机溶液、有机溶液、水溶液、细胞培养液中的一种或两种以上的组合。 

本发明所述的有孔喷射与无孔喷涂技术相复合的全自动复杂组织器官制造技术，其优点在于：所组合起来的喷射和喷涂系统可以实现多种不同状态下的材料体系在空间位置上的准确定位，能实现复杂曲面的制造和喷涂，结构尺寸从纳米级到厘米级。 

以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明所主张的权利范围应以发明申请范围所述为准，而非仅限于上述实施例。 

Claims (1)

1.一种喷射与喷涂相结合的复杂组织器官制造系统,该系统包括壳体，多喷头喷射单元、成形台、灭菌装置、温度控制装置、三维运动单元以及控制单元，所述的多喷头喷射单元、成形台、灭菌装置、温度控制装置和三维运动单元设置在壳体内，其特征在于：复杂组织器官制造系统还包括成形台姿态调整装置，该成形台姿态调整装置是一个六维运动平台；多喷头喷射单元安装在三维运动单元上，成形台固定安装在成形台姿态调整装置的顶部；所述的多喷头喷射单元包括有孔喷射装置和无孔喷涂装置，两者并列安装在三维运动单元上；所述控制单元分别通过控制线路与三维运动单元、多喷头喷射单元和成形台姿态调整装置相连接；

所述的成形台姿态调整装置包括一个以伺服电机为动力源的旋转装置和一个六杆的史都华运动机构，旋转装置安装在史都华运动机构的顶端；

所述有孔喷射装置采用电机助推式快速成形喷头、笔尖直流喷头和压电喷头；无孔喷涂装置采用激光引导装置。