CN103341989B - 基于3d打印综合成形的再生骨支架成形系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统和方法。本发明采用电纺丝技术和冷冻干燥技术相结合，建立再生骨支架的3D打印综合成形工艺方法，并在此基础给出了能够实现电纺丝成形与可建模结构的3D打印成形过程的数控系统集成方法，最后给出具体的系统实现方法与操作步骤。建立的3D打印综合成形系统的数据处理方法包括采用平行往复扫描路径方法完成支架每层的填充搭接，对相邻纤维通过“过渡线”方法进行判别并进行曲线拟合，实现复杂轮廓边界成形，并经过特定的后置处理实现电纺丝成形与可建模结构的3D打印成形过程的自动集成管理，是实现再生骨支架的多尺度成形的技术关键，具有明显特色。

Description

基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统与方法

技术领域

    本发明涉及一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成型方法及系统，属于生物制造领域，是机械工程，信息，组织工程，生命科学交叉的领域。

背景技术

创伤、肿瘤、先天性畸形、骨感染等原因都会导致骨缺损。骨缺损修复（Bone Defect Repair）是人类除血液移植（即输血）外最普遍的组织移植手术，在欧美国家骨移植材料用量仅次于血液，成为使用量第二大的移植组织。另外，据有关资料显示，我国每年大约有350万人因交通事故出现不同程度的骨缺损，大量病人不得不进行大段骨缺损的修复。可见，骨移植材料将发展成为一个巨大的产业，并且有着广阔的市场前景和良好的上升空间。

研究表明，骨组织工程技术是目前解决骨缺损修复最为有效的技术，其核心技术之一是构建骨组织工程支架（以下简称骨支架）。骨支架是骨组织体外培养的重要载体，需要保证骨细胞有粘附成长和增殖的生存空间，要有与外界进行营养交换和物质代谢的通道，而且本身要具有生物活性、可降解性及必要的力学性能。因此，骨支架构建除了使用的材料本身能够提供必要的力学性能、生物活性及可降解性外，支架的结构需要满足多尺度要求，即宏观上要满足缺损骨修复的轮廓要求，材料成形尺度一般在500微米到200微米之间，微观上要满足细胞粘附，分化，增殖等要求，材料成形尺度一般在200微米到10纳米之间。

然而，目前传统的骨支架制备工艺存在以下问题：（1）对材料的可控性差，难于制造复杂非均质多孔结构的骨支架；（2）孔隙结构、孔隙间的位置关系和连通关系无法精确实现；（3）采用手工制造方法，无法保证支架的精确外形结构。与传统方法相比，3D打印技术具有独特优势。该技术可根据缺损形态设计所需的支架，并通过适当调整加工参数实现按需调控支架的外轮廓形状、内部宏观孔隙结构。不过目前的3D打印工艺方法成形精度受限，成形设备加工所依赖的建模结构中无法有效包含纳米级的微观尺度结构，因而无法在加工过程中被信息驱动和控制优化。这些问题都导致目前3D打印技术很难成形200微米以下的微孔。为此，基于电纺丝的骨支架成形技术成了近两年国外发展最为迅速的生物制造技术。电纺丝技术是利用强电场的作用使得聚合物溶液或熔体形成喷射流来进行纺丝加工，是一种制备纳米纤维的新型加工方法之一，其应用已涉及到生命科学、组织工程、光电器件、航天器材等领域。利用电纺丝技术可以喷射出亚微米级甚至纳米级的纤维，从而构成三维相互贯通的微孔结构，适用于细胞的粘附和生长。但利用电纺丝技术喷出的纤维所构成的支架，其外形结构类似于无序状的无纺布，很难实现支架外形的精确控制。不难看出，目前单项工艺方法都无法实现多尺度的成形，因而无法同时满足骨支架的宏观轮廓成形要求和微观孔隙成形要求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的弊端，提供一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统和方法，将3D打印技术与电纺丝技术和冷冻干燥技术相结合。本发明将有效推动生物制造技术及其装备的发展，使众多由于疾病、事故、战争等原因导致的骨组织缺损患者完全治愈成为可能，给越来越多的患者带来希望。

为达到上述目的，本发明的构思是：

（一）骨支架3D打印综合成形工艺方法

本发明提出的骨支架3D打印综合成形工艺方法的技术路线如附图1所示。接收平台处于工位A位置，在压强P的作用下3D打印成形喷头（5）连续挤出支架宏观结构的一层材料，同时接收平台（8）按照预定的轨迹进行可控运动，经过压力场和温度场的共同作用一段时间后，高分子溶液材料会快速地干燥而固化；然后，接收平台（8）移动到工位B位置，在压力F和静电场力的共同作用下，电纺丝喷头（1）喷射出纳米级的纤维丝，形成一层纳米级纤维网。接收平台（8）在两个工位之间往返运动，两个喷头交替涂覆材料，可以制造出外形轮廓可控、宏观孔隙可控、力学性能良好，并且内部具有能有效模拟细胞外基质环境的纳米纤维网结构的再生骨支架（6）。最后对支架进行交联并冷冻干燥，宏观支架结构表面由于水分的蒸发，会明显获得微纳米级尺度的形貌特征，从而进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

由于本发明提出的方法中采用了基于3D打印原理的挤出成形技术制备支架的宏观结构，有效弥补了电纺丝技术的不足，提高了支架的力学性能和轮廓外形的精确度；采用电纺丝工艺在支架宏观结构的每两层之间电纺一层纳米纤维网，有效弥补了3D打印挤出成形技术难以制造出符合骨组织工程要求的微孔结构的缺陷。需要指出，本发明提出的工艺路线中，支架宏观结构成形时，根据采用材料的特性，成形环境中的温度场可以按需调节，保证材料能够按需干燥及固化，这在很大程度上扩展了该工艺对生物材料的适用范围。此外，支架成形后进行的冷冻干燥后处理步骤，能够使支架宏观结构材料中水分充分挥发，从而在支架宏观结构材料表面形成微纳米级的形貌特征，这将进一步优化支架对细胞的粘附，攀爬，扩增的性能。

（二）骨支架3D打印综合成形系统

为了实现上述提出的骨支架3D打印综合成形工艺，构建的成形系统的架构如图2所示，主要由检测模块、控制器模块、执行模块和被控模块四部分构成。以下具体阐述系统架构所包含的四个模块的作用：

1）控制器模块（Ⅱ）

控制器模块（Ⅱ）是整个系统的核心，实现对综合成形过程的控制，包括可建模部分的成形路径规划，宏观结构成形以及与电纺丝复合过程的集中监控与管理，喷头切换，变量集中管理等等。该控制器模块组成包括上位机（PC）和下位机，其中上位机部分包括基于iFIX的监控与管理界面、可建模部分成形路径规划的前置处理系统、宏观结构成形程序的后置处理系统；下位机是可编程多轴运动控制卡Turbo PMAC2。控制器模块是综合成形系统实现成形工艺方法的关键，使各执行模块按照预定工艺流程进行动作。

 2）检测模块（Ⅱ）

检测模块的作用是用于现场信号采集并传送给上位机(PC)，包括接收子系统对试验台绝对原点的判定、材料和成形环境温度的检测、供料压力的检测、泰勒锥大小的判定，主要由高速CCD、压力传感器、限位开关组成，分别起到监测、反馈和保护的作用。

 3）执行模块（Ⅰ）

执行模块是按照控制器指令驱动相应的执行元件进行找原点、供料、沉积、接收、调整电压和温度等动作。该模块的硬件主要包括十字滑台和Z轴相应配套的步进电机、供料装置配套的步进电机、喷嘴配套的电磁阀、高压直流电源配套的电压调整模块、控制温度场的压缩机、电热丝等。执行模块中涉及到的硬件是实现各子系统功能的基础。

 4）被控模块（Ⅲ）

被控模块包括接收装置即十字滑台和Z轴、3D打印成形喷头、静电纺丝喷头、高压电源。被控模块是实现系统的运动、供料、电压、温度等功能的载体。

基于本发明建立的骨支架3D打印综合成形系统，依照以下步骤进行骨支架制备：

1）利用上位机管理与集成界面设置初始工艺参数：利用工控机，通过人机交互界面，如图5所示在线完成对骨支架成形和电纺丝制备及收集的工艺参数设定，包括成形材料信息参数、设备参数、支架孔径参数、供料参数以及制备电纺丝的纺丝接收距离、电压，电纺丝供料速度和泰勒锥锥高。

2）驱动运动控制卡的加工文件生成：运动控制卡的驱动文件是符合运动控制卡运动程序格式，并可以驱动电机按照骨支架模型文件的加工信息制备出骨支架并复合电纺丝的一类文件。驱动文件的生成步骤如附图6所示，包括前置处理系统和后置处理系统。

前置处理系统：

前置处理系统的算法流程图如附图7所示，可以分为以下步骤。

u      STL模型文件读取：读取最初建立或CT扫描获得真实骨修复部位的STL模型。

u      特征参数输入：读取STL模型文件后，根据骨支架成形要求，输入每条成形纤维间的间距和每层的层高这两个成形参数，为下一步对STL模型文件分层做好准备。

u      STL模型文件分层：采用基于三角面片的位置信息的分层处理算法，这个算法将三角面片以z值的大小进行分类和排序，在分层的过程中，对面片进行相交关系的判断，当分层面的高度小于面片的                                                ，则对排列在这个面片后的面片无需进行相交关系的判断；同理，当分层平面的高度大于某个三角面片的，则对排列在这个面片之前的面片无需进行相交关系的判断。当（为截交面的z值）时，则进行求交计算。三角面片与截交面的求交计算实际是三角面片的三条边与截交面求交的计算。对给定的三角面片，不会存在三条边都和截交面相交的情况，一般情况下只有两条线段会和截交面相交。假设(，，)和(，，)为三角面片中某条线段的两个端点坐标，则交点的坐标()可由式（1.1）获得。

                             (1.1)

在分层的过程中，截交面的z值从整个STL中的按照分层的厚度一直增加到。对给定的截交面完成分层后，都会得到一系列的无序线段，这些线段的z值相同，将这些z值相同的线段放在一个数组内。

u      层面交点生成：完成STL的分层后，每个截交面内的线段都是无序排列的，不是一个封闭的环，必须将这些单独的线段按照一定顺序排列，组成一个闭合环。如附图8所示， 从STL文件分层得到有序的PA，PB，PC，PD，PE，PF截交面交点，可以构成闭合的轮廓环。从某一方向，如从平行于x方向，确定扫描线1，2，3，….，n，最低扫描线与x轴重合，平行扫描线的间距如式（1.2）所示。

                                              (1.2)

式中，λ为相邻纤维间距。即扫描线间距为相邻纤维间距的一半；(2)将平行扫描线与轮廓交点P1，P2，P3，,…，Pn找出，在处理扫描线与轮廓交点时，采用相邻点构成线段与其所能相交的扫描线求交点的方式，找到一条轮廓线段的交点后，再进行下一相邻的线段求交，如此循环，直至所有轮廓边都完成交点计算。以线段PAPB为例，能与之相交的极限扫描线如式（1.3）所示：

               (1.3)

式中，scanline_start和scanline_end为与该线段相交的起始与终点扫描线。

求交计算时，PA、PB两点坐标为设为 (x1，y1)，(x2，y2)，且x1< x2，若此时扫描线scanline_real的值为y0，当线段PAPB与扫描线重合时，记交点为(x1，y0)，不重合时，记交点为(x0，y0)，其中x0如式（1.4）所示，

                             (1.4)

将求交得出的交点依次使用Node.push_back()存入包含所有交点的vector Node中；

u      交点分类排序：此步进行分类与排序，即在该某一行扫描线（从第一条扫描线算起）上的同样纵坐标的点如P1，P2，P5，P6为扫描线点类，下一行的扫描线与轮廓交点如P3，P4，P7，P8将其称之为判断点类；

u      过渡线曲线拟合：根据上述对骨支架扫描特殊性论述，其过渡扫描线是形成复杂轮廓的关键，这也是上一步中生成判断点的原因，这里通过对过渡线的斜率进行判断，然后生成相应的过渡线。以直线上的判断点P4与曲线上的Q4为例,具体如附图9所示。

P2 与P4的斜率如表达式（1.5）所示。

                 (1.5)

P4与P6的斜率如表达式（1.6）所示。

                 (1.6)

然后做斜率判断，显然，对于直线上的点P4，此时k1=k2，则无需进行下一步判断，这里注意，当其中的判断点为某个顶点时，直接无需判断，因为此时k1必然不等于k2；而对曲线上的点Q4来说，显然k1≠k2此时，需要进行下一步判断，判断条件如表达式（1.7）所示，为

              (1.7)

式中u为范围参数，表示两段曲线的斜率近似度。

k1若在范围内，表示两条比较的线段线性逼近度很高，无需做处理，而在此范围之外时，则要进行曲线拟合，由Q2，Q4，Q6三点生成样条曲线，并将此信息保存，参数u具体值由实际路径规划时确定，直接影响了成形精度与扫描路径的复杂程度；

u      生成交点配对：最后进行交点配对，将P1与P2相连，Q1与Q2相连形成扫描线类，P2与P6相连，Q2，Q4，Q6以样条曲线形式相连，形成过渡线类；

u      加工路径文件生成：最终将各类扫描线储存，生成加工信息文件，以.TXT文档格式进行保存，作为前置处理和后置处理的接口，便于后置处理系统进行操作。

后置处理系统：

后置处理系统主要是针对前置处理系统生成的加工路径文件按照运动控制卡驱动程序的要求进行处理，从而可以生成直接驱动运动控制卡的程序文件。后置处理系统主要分为以下几个步骤，如附图10所示：

u      加工路径文件读取：读取包含加工坐标信息和加工标志的前置处理后输出的加工路径文件，并在后置处理系统的MFC图的编辑框中显示；前置处理后，加工标志和加工坐标信息的格式为：GOTO 10,20,30或RAPID GOTO 10,20,30。

u      功能代码翻译：在读取前置处理后的加工路径文件后，后置处理系统的功能代码翻译模块通过判断加工标志关键字GOTO/RAPID GOTO，确定关键字所在的位置，提取并转换关键字为G01/G00，在加工坐标数据前添加X、Y、Z坐标标志。功能实现的主要程序函数如下：

strText.Replace("RAPIDGOTO ","G00 X");//标志符号的替换

strText.Replace("GOTO ","G01 X");//标志符号的替换

douhao1Pos=strText.Find(_T(","),douhao1Pos+1); //判断第一个逗号的位置

douhao2Pos=strText.Find(_T(","),douhao1Pos+2); //判断第二个逗号的位置

strText.SetAt(douhao1Pos,'Y');//将逗号替换为Y

strText.SetAt(douhao2Pos,'Z');//将逗号替换为Z

进行过功能代码翻译后，加工路径文件变为：G01 X10 Y20 Z30或G00 X10 Y20 Z30。

u      硬件变量设置：根据PMAC运动控制卡的驱动特性，设置如下参数：Ix00，Ix02，Ix24，I7mn2，I7mn6，I7mn8，并通过“#A->X/Y/Z”命令将电机指向X、Y或Z轴，其中A代表的是电机的编号。

u      复合工艺标志添加：主要是在成形骨支架的过程中复合电纺丝工艺，通过判断加工坐标信息中Z值的大小来判断骨支架的成形层数，从而决定是否将成形骨支架的接收平台移动到电纺丝喷头下方进行骨支架与电纺丝的复合。该功能的实现通过在程序驱动文件里添加“M03”这一程序语言来调用一段子程序，该子程序的作用就是驱动相应的电机将接收平台由成形骨支架的工作位置运动到复合电纺丝的位置，即如附图1所示的由工位A移动到工位B。

u      驱动文件生成：完成上述模块的处理后，后置处理系统就可以生成一个完整的可以驱动PMAC运动控制卡控制相应的电机走出程序要求路径的驱动文件，将该文件保存为.CFG的格式，作为后置处理系统和PMAC运动控制卡的接口。

3）自动3D打印骨支架综合成形：运动控制卡的驱动文件生成后就可以通过上位机的人机交互界面Download到运动控制卡中，然后通过上位机发送“&x By R”命令（其中x为坐标系号，y为程序号），运动控制卡根据上位机设置好的骨支架综合成形工艺参数及驱动文件里的加工信息和路径，可以自动的制备出一款具有宏观轮廓结构和微观孔隙的更加适合细胞粘附和生长的骨支架。运动控制卡驱动相应硬件制备出骨支架的主要步骤如下所述：

u      确定坐标系绝对原点：PMAC运动控制卡通过检测模块中的限位开关反馈信号来判断电机运动的位置，然后让电机运动一定的距离，确定坐标系的绝对原点，作为成形路径文件中坐标的参考点。同时，通过判断Z轴上限位的反馈控制Z轴电机运动，从而确定喷头与接收板的距离。

u      控制XY轴电机联动成形宏观骨支架：运动控制卡控制电机找到绝对原点后，以此原点为参考点，电机以增量运动的方式按照驱动程序里的路径坐标成形骨支架。

u      复合电纺丝工艺：在运动控制卡控制XY轴电机联动成形骨支架的过程中，通过判断成形支架的层数来决定何时复合电纺丝工艺。复合电纺丝工艺时，运动控制卡驱动Y轴方向的电机使支架的成形工位移动到电纺丝喷头下方，进行复合电纺丝工艺。

4）复合电纺丝的骨支架进行后置处理：对综合成形支架进行交联并冷冻干燥，宏观支架结构表面由于水分的蒸发，会明显获得微纳米级尺度的形貌特征，从而进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统，包括机械部分和控制部分，其特征在于：

1）所述机械部分为一个再生骨支架3D打印成形装置，该3D打印成形装置中的供料电机和供气泵作为供料的动力单元与3D打印成形喷头相连，电加热丝为了保持喷头内的温度，均匀地缠绕在3D打印成形喷头的外部，为了实现成形喷头的上下运动，3D打印成形喷头通过连接件固定在Z轴丝杠上，Z轴电机作为动力单元带动Z轴丝杠运动，实现成形喷头的上下运动，3D打印成形喷头、电加热丝、供料电机、供气泵、Z轴电机、Z轴丝杠共同构成了再生骨支架3D打印成形装置的供料部分，为骨支架成形提供成形材料；

该3D打印成形装置中的步进电机作为动力单元与十字滑台相连，实现十字滑台的联动，接收平台固定在十字滑台上接收3D打印成形喷头的供料，为了实现接收平台从接收支架材料的工位A到接收电纺丝的工位B的切换，旋转电机固定在接收平台的下方，通过旋转电机的旋转达到切换工位的目的；

为了制备电纺丝，该3D打印成形装置中的高压直流电源的一端与电纺丝喷头相连，另一端与接收平台相连，通过上位机PC控制驱动电路调节高压直流电源形成一个高压电场，从而制备电纺丝；为了形成低温成形环境，压缩机和成形室相连，该3D打印成形装置放入成形室进行骨支架的制备和电纺丝的收集。

2）所述控制部分包括检测模块和控制器模块，检测模块包括高速CCD、压力传感器和限位开关，其中高速CCD与控制器模块中的上位机PC相连，用于实时监测制备电纺丝时泰勒锥的状态；压力传感器与3D打印成形喷头相连，用于监测喷头内的压力；限位开关固定在十字滑台和滚珠丝杠的行程极限位置，用作寻找坐标原点和保护机械结构的作用。控制器模块包括上位机PC、运动控制卡、温控器和运动控制单元，其中上位机PC作为人机界面与温控器和运动控制卡相连，实时监控它们的状态；运动控制卡作为控制核心与运动单元、压力传感器和限位开关相连，控制它们进行动作；温控器作为温度控制的核心与压缩机、电加热丝相连，进行温度控制。

工作原理：3D打印成形喷头在压力的作用下和十字滑台及Z轴丝杠协同作用，完成骨支架的制备。在需要复合电纺丝工艺的时候，接收平台会由工位A移动到工位B来接收电纺丝，此时电纺丝喷头协同高压直流电源共同作用，从而在骨支架上形成一层纳米级纤维网，最终成形一款复合电纺丝的再生骨支架。

一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，采用上述基于3D打印综合成形系统进行骨支架制备，其特征在于：提出的骨支架3D打印综合成形的制备工艺为：接收平台处于工位A位置，在压强P的作用下3D打印成形喷头连续挤出支架宏观结构的一层材料，同时接收平台按照预定的轨迹进行可控运动，经过压力场和温度场的共同作用一段时间后，高分子溶液材料会快速地干燥而固化；然后，接收平台移动到工位B位置，在压力F和静电场力的共同作用下，电纺丝喷头喷射出纳米级的纤维丝，形成一层纳米级纤维网。接收平台在两个工位之间往返运动，两个喷头交替涂覆材料，制造出外形轮廓可控、宏观孔隙可控、力学性能良好，并且内部具有能有效模拟细胞外基质环境的纳米纤维网结构的再生骨支架。最后对支架进行交联并冷冻干燥，宏观支架结构表面由于水分的蒸发，会明显获得微纳米级尺度的形貌特征，从而进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

基于3D打印综合成形骨支架成形方法，其特征在于制备工艺操作步骤如下：

   1）利用上位机管理与集成界面设置初始工艺参数，包括成形材料信息参数、设备参数、支架孔径参数、供料参数以及制备电纺丝的纺丝接收距离、电压，电纺丝供料速度和泰勒锥锥高。

   2）驱动运动控制卡的加工文件生成：包括前置处理系统和后置处理系统。前置处理系统可以分为STL模型文件读取，特征参数输入，STL模型文件分层，层面交点生成，交点分类排序，过渡线曲线拟合，生成交点配对，加工路径文件生成几个步骤。后置处理系统可以分为加工路径文件读取，功能代码翻译，硬件变量设置，复合工艺标志添加,驱动文件生成几个步骤。

   3）自动3D打印骨支架综合成形，主要是由运动控制卡驱动相应硬件制备出骨支架，步骤包括确定坐标系绝对原点,控制XY轴电机联动成形宏观骨支架,复合电纺丝工艺。

   4）对3D打印综合成形的支架进行后置处理：交联并冷冻干燥，使宏观支架结构表面明显获得微纳米级尺度的形貌特征，进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

（1）提出的工艺方法突破了目前单项工艺方法都无法实现多尺度成形的瓶颈，可以同时满足骨支架的宏观轮廓成形要求和微观孔隙成形要求，更加适用于细胞的粘附和生长。

（2）提出的骨支架3D打印综合成形系统的数据处理方法包括采用平行往复扫描路径方法完成支架每层的填充搭接，对相邻纤维通过“过渡线”方法进行判别并进行曲线拟合，实现复杂轮廓边界成形，并经过特定的后置处理实现电纺丝成形与可建模结构的3D打印成形过程的自动集成管理，是实现再生骨支架的多尺度成形的技术关键，具有明显特色。

（3）提出的骨支架3D打印综合成形系统采用了模块化结构，便于维护和扩充，各模块间通过上位机交互界面进行参数的管理和传递，而且采用了高速CCD、压力传感器和限位开关作为反馈元件实现了整个成形工艺的闭环控制，提高了控制精度和自动化程度。

附图说明

图1 再生骨支架3D打印综合成形装置结构图。

图2 3D打印综合成形系统结构框图。

图3 3D打印综合成形系统机械结构框图。

图4 3D打印综合成形系统成形骨支架程序框图。

图5 上位机监控界面。

图6 运动控制卡的驱动文件生成流程。

图7 前置处理系统算法流程图。

图8 层面交点生成示意图。

图9 过渡线曲线拟合说明图。

图10 MFC后置处理系统图。

图11 实施例中成形的支架。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1、图2和图3，基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统，包括机械部分和控制部分，其中：

1）所述机械部分为一个再生骨支架3D打印成形装置，该3D打印成形装置中的供料电机和供气泵作为供料的动力单元与3D打印成形喷头相连，电加热丝为了保持喷头内的温度，均匀地缠绕在3D打印成形喷头的外部，为了实现成形喷头的上下运动，3D打印成形喷头通过连接件固定在Z轴丝杠上，Z轴电机作为动力单元带动Z轴丝杠运动，实现成形喷头的上下运动，3D打印成形喷头、电加热丝、供料电机、供气泵、Z轴电机、Z轴丝杠共同构成了再生骨支架3D打印成形装置的供料部分，为骨支架成形提供成形材料；

该3D打印成形装置中的步进电机作为动力单元与十字滑台相连，实现十字滑台的联动，接收平台固定在十字滑台上接收3D打印成形喷头的供料，为了实现接收平台从接收支架材料的工位A到接收电纺丝的工位B的切换，旋转电机固定在接收平台的下方，通过旋转电机的旋转达到切换工位的目的；

为了制备电纺丝，该3D打印成形装置中的高压直流电源的一端与电纺丝喷头相连，另一端与接收平台相连，通过上位机PC控制驱动电路调节高压直流电源形成一个高压电场，从而制备电纺丝；为了形成低温成形环境，压缩机和成形室相连，该3D打印成形装置放入成形室进行骨支架的制备和电纺丝的收集。

2）所述控制部分包括检测模块和控制器模块，检测模块包括高速CCD、压力传感器和限位开关，其中高速CCD与控制器模块中的上位机PC相连，用于实时监测制备电纺丝时泰勒锥的状态；压力传感器与3D打印成形喷头相连，用于监测喷头内的压力；限位开关固定在十字滑台和滚珠丝杠的行程极限位置，用作寻找坐标原点和保护机械结构的作用。控制器模块包括上位机PC、运动控制卡、温控器和运动控制单元，其中上位机PC作为人机界面与温控器和运动控制卡相连，实时监控它们的状态；运动控制卡作为控制核心与运动单元、压力传感器和限位开关相连，控制它们进行动作；温控器作为温度控制的核心与压缩机、电加热丝相连，进行温度控制。

工作原理：3D打印成形喷头在压力的作用下和十字滑台及Z轴丝杠协同作用，完成骨支架的制备。在需要复合电纺丝工艺的时候，接收平台会由工位A移动到工位B来接收电纺丝，此时电纺丝喷头协同高压直流电源共同作用，从而在骨支架上形成一层纳米级纤维网，最终成形一款复合电纺丝的再生骨支架。

实施例二：

参见图1~11，基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，采用上述基于3D打印综合成形系统进行骨支架制备，其特征在于：提出的骨支架3D打印综合成形的制备为：接收平台处于工位A位置，在压强P的作用下3D打印成形喷头连续挤出支架宏观结构的一层材料，同时接收平台按照预定的轨迹进行可控运动，经过压力场和温度场的共同作用一段时间后，高分子溶液材料会快速地干燥而固化；然后，接收平台移动到工位B位置，在压力F和静电场力的共同作用下，电纺丝喷头喷射出纳米级的纤维丝，形成一层纳米级纤维网。接收平台在两个工位之间往返运动，两个喷头交替涂覆材料，制造出外形轮廓可控、宏观孔隙可控、力学性能良好，并且内部具有能有效模拟细胞外基质环境的纳米纤维网结构的再生骨支架。最后对支架进行交联并冷冻干燥，宏观支架结构表面由于水分的蒸发，会明显获得微纳米级尺度的形貌特征，从而进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

基于3D打印综合成形骨支架成形方法，其特征在于制备工艺的操作步骤如下：

   1）利用上位机管理与集成界面设置初始工艺参数，包括成形材料信息参数、设备参数、支架孔径参数、供料参数以及制备电纺丝的纺丝接收距离、电压，电纺丝供料速度和泰勒锥锥高。

   2）驱动运动控制卡的加工文件生成：包括前置处理系统和后置处理系统。前置处理系统可以分为STL模型文件读取，特征参数输入，STL模型文件分层，层面交点生成，交点分类排序，过渡线曲线拟合，生成交点配对，加工路径文件生成几个步骤。后置处理系统可以分为加工路径文件读取，功能代码翻译，硬件变量设置，复合工艺标志添加,驱动文件生成几个步骤。

   3）自动3D打印骨支架综合成形，主要是由运动控制卡驱动相应硬件制备出骨支架，步骤包括确定坐标系绝对原点,控制XY轴电机联动成形宏观骨支架,复合电纺丝工艺。

   4）对3D打印综合成形的支架进行后置处理：交联并冷冻干燥，使宏观支架结构表面明显获得微纳米级尺度的形貌特征，进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

实施例三：

本实施例以制备一款具有宏观轮廓结构和微观孔隙结构的骨支架为例。采用医用明胶+去离子水，在60℃配制20%明胶水溶液；将壳聚糖溶于1%乙酸溶液中，配制成5%壳聚糖溶液；再在60℃水浴环境中，将5%壳聚糖溶液与20%明胶水溶液混合，制备明胶-壳聚糖混合溶液，以此溶液作为制备宏观骨支架的材料。静电纺丝所用的材料是4%的PCL溶液，溶剂是二氯甲烷与乙醇，二者的比例为7:3。交联剂选用戊二醛。

下面结合附图1到附图11来详细阐述制备一款具有多尺度结构的骨支架的具体实施过程。

1）利用上位机管理与集成界面设置初始工艺参数：通过人机交互界面在线完成对骨支架成形和电纺丝制备及收集的工艺参数设定，此处设置成形材料信息参数为明胶-壳聚糖混合溶液、制备电纺丝的纺丝的高压电源的电压为10kv，电纺丝供料速度为0.082ml/min，泰勒锥锥高为0.89mm。

2）驱动运动控制卡的加工文件生成：以CAD软件最初建立或CT扫描获得真实骨修复部位的STL模型作为前置处理的数字文件源，本实施例选用长方体支架模型为数字文件输入，在前置处理系统中设置骨支架模型的分层层高为0.8mm，成形纤维间的间距为400um，参数设置完成后，前置处理系统就对骨支架的STL模型进行分层、生成层面交点、交点排序连接，最后输出包好加工标志和加工路径坐标信息的.txt路径加工文件。后置处理系统读取.txt路径加工文件进行后置处理：功能代码翻译->硬件变量设置->复合工艺标志添加，最后生成可以直接驱动PMAC运动控制卡的.CFG格式的程序驱动文件。

3）自动3D打印骨支架综合成形：上位机管理和集成界面通过PMAC运动控制卡的动态链接库与PMAC实现通讯和在线控制，通过上位机将.CFG格式的程序驱动文件Download入PMAC运动控制卡，然后通过上位机在线发送“&x By R”命令（其中x为坐标系号，y为程序号），运动控制卡根据上位机设置好的骨支架综合成形工艺参数及驱动文件里的加工信息和路径，驱动相应的硬件。运动控制卡驱动硬件自动的制备出一款具有宏观轮廓结构和微观孔隙的更加适合细胞粘附和生长的骨支架的工艺步骤如下：

u      确定绝对原点：运动控制卡根据驱动程序进行运动，直至X轴、Y轴、Z轴电机运动到X、Y、Z方向上的限位开关位置，运动控制卡接收到限位开关信息后控制相应的电机向相对方向运动50mm，并以此坐标点作为成形骨支架坐标系的绝对原点，后面的运动以此绝对原点为初始点，以增量运动的方式执行接下来的运动程序。Z轴电机在触发限位开关后，反方向运动48mm,保证喷头与接收板的距离为1.2mm。

u      宏观骨支架成形：在运动控制卡确定坐标系的绝对原点后，运动控制卡控制X轴和Y轴电机联动，按照规划好的路径进行成形骨支架。骨支架成形一层后，运动控制卡控制Z轴电机运动，将喷头提高1.2mm，进行下一层成形。通过这样循环往复，最终制备出具有宏观结构的骨支架。

u      宏观骨支架复合电纺丝：在宏观骨支架成形的过程中，设置每成形4层后为支架复合电纺丝。通过在成形过程中判断Z值的大小来自动判断成形的支架层数，每成形四层，运动控制卡的程序中加入“M03”这一函数，通过M03函数来调用复合电纺丝工艺的子程序，子程序的运行将驱动Y轴方向的电机，将成形支架的接收平台移动200mm至电纺丝喷头的下方。此时，根据上位机预设置好的成形参数，电纺丝可以稳定接收在骨支架上，接收电纺丝时间设置为30s。这样循环往复，最终成形复合电纺丝的具有宏观轮廓结构和微观孔隙结构的支架。

4）复合电纺丝的骨支架进行后置处理：骨支架成形后为了进一步改善支架的性能，将成形的支架在温度为-20℃，真空度<100Pa的环境中，真空冷冻干燥12小时后，放入一定量戊二醛溶液中浸泡12小时，进行交联；然后，在-20℃温度下再真空冷冻干燥20小时。获得的支架如附图11所示。

Claims (6)

1.一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形系统，包括机械部分和控制部分，其特征在于：

1）所述机械部分为一个再生骨支架3D打印成形装置，该3D打印成形装置中的一个供料电机（19）结合供气泵（20）作为供料的动力单元与一个3D打印成形喷头（5）相连；一根电加热丝（17）为了保持喷头内的温度，均匀地缠绕在3D打印成形喷头（5）的外部；为了实现3D成形喷头（5）的上下运动，3D打印成形喷头（5）通过连接件固定在一根Z轴丝杠（24）上，一个Z轴电机（23）作为动力单元带动Z轴丝杠（24）运动，实现成形喷头（5）的上下运动，3D打印成形喷头（5）、电加热丝（17）、供料电机（19）、供气泵（20）、Z轴电机（23）、Z轴丝杠（24）共同构成了再生骨支架3D打印成形装置的供料部分，为再生骨支架成形提供成形材料；

该3D打印成形装置中的一个步进电机（21）作为动力单元与一个十字滑台（22）相连，实现十字滑台（22）的联动；接收平台（8）固定在十字滑台（22）上接收3D打印成形喷头（5）的供料；为了实现接收平台（8）从接收支架材料的工位A到接收电纺丝的工位B的切换，一个旋转电机（25）固定在接收平台（8）的下方，通过旋转电机（25）的旋转达到切换工位的目的；

为了制备电纺丝，该3D打印成形装置中的一个高压直流电源（4）的一端与一个电纺丝喷头（1）相连，另一端与接收平台（8）相连，通过一个上位机PC（12）控制一个驱动电路（18）调节所述高压直流电源（4）形成一个高压电场，从而制备电纺丝；为了形成低温成形环境，一个压缩机（16）和一个成形室（7）相连，所述3D打印成形装置放入成形室（7）进行再生骨支架的制备和电纺丝的收集；

2）所述控制部分包括检测模块（Ⅰ）和控制器模块（Ⅱ），检测模块（Ⅰ）包括一个高速CCD（9）、一个压力传感器（10）和六个限位开关（11），其中高速CCD（9）与控制器模块（Ⅱ）中的上位机PC（12）相连，用于实时监测制备电纺丝时泰勒锥的状态；压力传感器（10）与3D打印成形喷头（5）相连，用于监测喷头内的压力；限位开关（11）固定在十字滑台（22）和滚珠丝杠（24）的行程极限位置，用作寻找坐标原点和保护机械结构的作用；控制器模块（Ⅱ）包括所述上位机PC（12）、一个运动控制卡（13）、一个温控器（14）和一个运动控制单元（15），其中上位机PC（12）作为人机界面与温控器（14）和运动控制卡（13）相连，实时监控它们的状态；运动控制卡（13）作为控制核心与运动单元（15）、压力传感器（10）和限位开关（11）相连，控制它们进行动作；温控器（14）作为温度控制的核心与所述压缩机（16）和电加热丝（17）相连，进行温度控制；

工作原理：3D打印成形喷头（5）在压力的作用下和十字滑台（22）及Z轴丝杠（24）协同作用，完成再生骨支架的制备；在需要复合电纺丝工艺的时候，接收平台（8）会由工位A移动到工位B来接收电纺丝，此时电纺丝喷头（1）协同高压直流电源（4）共同作用，从而在再生骨支架上形成一层纳米级纤维网，最终成形一款复合电纺丝的再生骨支架（6）。

2.一种基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，采用根据权利要求1所述的基于3D打印综合成形系统进行再生骨支架制备，其特征在于：再生骨支架3D打印综合成形的制备工艺为：接收平台处于工位A位置，在压强P的作用下3D打印成形喷头（5）连续挤出支架宏观结构的一层材料，同时接收平台（8）按照预定的轨迹进行可控运动，经过压力场和温度场的共同作用一段时间后，高分子溶液材料会快速地干燥而固化；然后，接收平台（8）移动到工位B位置，在压力F和静电场力的共同作用下，电纺丝喷头（1）喷射出纳米级的纤维丝，形成一层纳米级纤维网；接收平台（8）在两个工位之间往返运动，两个喷头（1、5）交替涂覆材料，制造出外形轮廓可控、宏观孔隙可控、力学性能良好，并且内部具有能有效模拟细胞外基质环境的纳米纤维网结构的再生骨支架；最后对支架进行交联并冷冻干燥，宏观支架结构表面由于水分的蒸发，会明显获得微纳米级尺度的形貌特征，从而进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，其特征在于所述制备工艺操的作步骤如下：

1）利用上位机（12）管理与集成界面设置初始工艺参数：包括成形材料信息参数、设备参数、支架孔径参数、供料参数以及制备电纺丝的纺丝接收距离、电压，电纺丝供料速度和泰勒锥锥高；

 2）驱动运动控制卡（13）的加工文件生成：包括前置处理系统和后置处理系统；前置处理系统为STL模型文件读取、特征参数输入、STL模型文件分层、层面交点生成、交点分类排序、过渡线曲线拟合、生成交点配对和加工路径文件生成几个步骤；后置处理系统为加工路径文件读取、功能代码翻译、硬件变量设置、复合工艺标志添加、驱动文件生成几个步骤；

 3）自动3D打印再生骨支架综合成形：主要是由运动控制卡（13）驱动相应硬件制备出再生骨支架，步骤包括确定坐标系绝对原点,控制XY轴电机联动成形宏观再生骨支架,复合电纺丝工艺；

  4）对3D打印综合成形的支架进行后置处理：交联并冷冻干燥，使宏观支架结构表面明显获得微纳米级尺度的形貌特征，进一步帮助细胞在支架上的攀附与生长。

4.根据权利要求3所述的基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，其特征在于：所述步骤（1）利用上位机管理与集成界面设置初始工艺参数：通过上位机管理与集成界面选择成形再生骨支架的生物材料，设置成形材料信息参数，如材料的水溶性、粘度等；通过选择成形再生骨支架的设备，设置设备参数，针对不同的成形再生骨支架设备，系统会选择不同的成形再生骨支架的工艺参数；支架的孔径参数影响成形再生骨支架的孔隙率和再生骨支架的连通性，通过上位机管理与集成界面可以针对再生骨支架不同的性能要求设置支架的孔径参数；供料参数决定成形再生骨支架的质量，包括供料压力、供料速度等，通过上位机管理与集成界面可以针对相应的材料信息参数和成形设备来设定合适的供料参数；为了能够在再生骨支架上复合电纺丝，需要通过上位机管理与集成界面设置接收距离、电压和泰勒锥锥高参数，从而稳定的接收高质量的电纺丝。

5.根据权利要求3所述的基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，其特征在于：所述步骤（2）驱动运动控制卡（15）的加工文件生成：前置处理系统读取最初建立或CT扫描获得真实骨修复的STL模型，读取STL模型文件后，根据再生骨支架成形要求，输入每条成形纤维间的间距和每层的层高这两个成形参数，在得到这两个参数后，系统采用基于三角面片的位置信息的分层处理算法对STL文件进行分层，完成STL分层后，每个截交面内的线段都是无序的，并不是一个封闭的环，为了求交点需要，必须将无序的线段按照一定的顺序组合成封闭的环，截交线段组合成封闭环的方法为：从中任选一个线段，假设被选线段为线段AB，则将A点和B点一次存入一个新的数组中，然后以B点为基准点在剩余的线段中找出和B点具有相同点的线段，BC线段符合要求，那么将C点放入数组中；按照这种方式循环往复，便可得到封闭图形ABC…，得到封闭图形后，进行交点排序连接，将具有相同纵坐标的点，即扫描线与轮廓的交点，放入同一数组，最后生成连续的扫描路径，并保存为加工路径文件供后置处理系统处理；后置处理系统读取前置处理系统的加工路径文件并通过判断加工关键字将加工关键字翻译为运动控制卡可以识别的G代码程序命令，为了保证运动控制卡能正常工作，还需要添加设置好的运动控制卡的变量信息，为了复合电纺丝，后置处理系统通过判断层数从而加入复合电纺丝的加工标志信息，保证再生骨支架在成形设定的层数后能调用复合电纺丝的子程序，最后后置处理系统会生成一个包含再生骨支架成形路径信息、运动控制卡变量信息、复合电纺丝加工标志信息的驱动文件。

6.根据权利要求3所述的基于3D打印综合成形的再生骨支架成形方法，其特征在于：所述步骤（3）自动3D打印再生骨支架综合成形：再生骨支架的成形路径取决于前置处理系统对STL模型文件进行路径规划后得到的加工路径文件，后置处理系统通过对加工路径文件进行处理从而得到可以驱动运动控制卡实现再生骨支架成形路径的驱动文件，运动控制卡在驱动文件指令的命令下驱动相应硬件系统成形再生骨支架；成形再生骨支架的3D打印综合成形系统通过触发十字滑台上的限位开关来找到3D打印综合成形系统坐标系的绝对原点，从而为每次制备再生骨支架提供一个固定的参考坐标点；为了在成形的再生骨支架上复合电纺丝，运动控制卡通过在驱动文件里添加加工标志信息来调用复合电纺丝的子程序，再生骨支架在成形一定的层数后运动控制卡会调用复合电纺丝子程序，从而使接收平台由3D打印成形喷头位置移动到电纺丝喷头位置，接收并复合电纺丝。