CN104224405A - 复合式转盘气动多喷头生物3d打印成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，本系统包括：喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构、成形台以及控制系统。本发明提供的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，可实现自动化程度高、易控制、操作简单。

Description

复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法

技术领域

本发明涉及一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，能实现复杂三维材料梯度的生物活性复合支架，应用于机械制造和生物制造技术领域。

背景技术

组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素有细胞、生物材料支架及生长因子。

在多孔支架成形工艺方面，传统方法的工艺方法包括纤维粘合法、溶剂浇铸法/颗粒滤粒法、熔融法、气体发泡法、相分离法、烧结微球法等。这些传统方法虽然获得了较成功的多孔支架，但它们所得到的多孔支架的性能并不理想。主要表现在缺乏力学强度、孔隙的相互贯通程度底、孔隙率与孔分布的可控性差，这将影响到细胞的长入和组织的血管化。

3D打印技术（增量制造技术）是近年来发展的一种新型的机械制造技术，也是生物制造领域的一种新兴的技术，为组织工程学提供了有利的方法。增量制造技术是基于离散/堆积成形的原理，把三维模型变成一系列二维层片，再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码，最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，可以精确的复制出与生物体同样形状的形体。

气动挤出复合成形工艺将支架材料制成液态，在气动泵的压力下，经由喷头，将溶液以丝状挤出，然后进行静电纺丝喷射,在常温下堆积成形。

气动挤出复合成形的具体工艺过程为：

①    通过CT扫描后进行三维重建，补缺得到STL模型文件，然后通过前置处理系统处理

后生成加工路径文件，得到成形的坐标代码。

②    选择实验的材料，分别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无菌注射器中，计算机的控制软件来控制各喷头的

扫描运动和挤压/喷射运动。在常温成形室中，从喷头中出来的材料凝固且相互粘接在一起，堆积成形三维的支架，将含有细胞的材料进行电纺丝制备出具有生物活性的复合三维支架。

然而，人体中的复杂组织或器官一般是由两种或者两种以上不同材料组成的复合支架，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，多种不同材料梯度的三维复合支架的成形以及细胞的增殖提出了要求。原有的单一工艺无法满足科学发展及医学的要求，具有复合式多喷头生物3D打印成形系统的设计和研发成为了必然。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，该系统采用转盘式多喷头装置，静电纺丝装置与进行生物3D打印机构成一体化，具有装置简单可靠、制作成本低、工艺可控性好，自动化程度高等优点，能实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构、成形台以及控制系统，其特征在于：所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Z1轴运动机构上而随Z1轴运动滑块上下滑动；所述的静电纺丝装置安装在三维运动机构中Z2轴运动机构上而随Z2轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。

所述的喷射装置采用的转盘式多喷头喷射装置包括控制转盘电机、电机固定板、横梁、电机固定板、联轴器、驱动轴、上下固定板、弹簧卡扣、注射器活塞筒体、注射器针头、接近开关等；所述横梁固定安装在Z1轴运动滑块上；所述控制转盘电机通过螺丝固定安装在电机固定板上，电机轴朝下；电机轴与联轴器一端相连，联轴器另一端与驱动轴相连；驱动轴安装深沟球轴承，在深沟球轴承上安装驱动轴轴承上端盖和驱动轴轴承下端盖以及驱动轴固定板；再在驱动轴上依次安装上固定板、套筒和下固定板。控制转盘电机运行带动电机轴旋转，同时带动上下固定板旋转运动，即带动注射器活塞筒体和注射器针头旋转；所述上下固定板上安装弹簧卡扣，将注射器活塞筒体安装到弹簧卡扣，注射器活塞筒体注入材料溶液；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体中的材料溶液从注射器针头中挤出；所述接近开关固定在联轴器罩，感应面与上固定板平行，当上固定板运转到接近开关时，即可停止固定板运动，即注射器针头到达指定的位置。

所述的静电纺丝装置由横梁、微量泵、注射器活塞筒体、注射器针头、高压电源及控制器组成。

所述的三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构、Z1轴运动机构和Z2轴运动机构联接成一体，Z1轴运动机构通过横梁与喷射装置连接，Z2轴运动机构通过横梁与静电纺丝装置连接。

所述X轴运动机构包括X轴运动导轨与X轴运动滑块滑配；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨与Y轴运动滑块滑配；所述Z1轴运动机构包括Z1轴运动导轨与Z1轴运动滑块滑配；所述Z2轴运动机构包括Z2轴运动导轨与Z2轴运动滑块滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Z1轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板上，Y轴运动导轨平行也固定在底板上。

所述的成形台是一个成形平台，成形平台与所述的X轴运动机构固连。

所述的控制及数据处理系统包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。

一种利用上述系统进行生物3D打印成形方法，实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制备的方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

a．在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将注射器活塞筒体分别安装在上下固定板以及微量泵上；

c.将转盘式多喷头喷射装置、静电纺丝装置与三维运动机构连接在一起，分别安装在Z1轴和Z2轴运动滑块上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制固定板转动，通过接近开关来确定注射器针头的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体中液体挤出，从而控制注射器针头的输出液流的速度；用微量泵的控制器来控制注射器针头的输出液流的速度。

d．根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制品。

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.本发明采用转盘来构造多喷头的周向排列方式，可以实现喷头间的自由切换，自动化程度高，可用于非均质多种材料支架的成形。

2.对于支架成形的编程控制来说，只须通过电机的转动来控制转盘来换喷头，不受喷头位置参数的影响。

3.本发明实现了通过控制喷头来成形支架，操作简单，增加了喷头喷丝的稳定性。

4.本发明实现了两种以上的各种不同性能的组织支架材料在成形台上快速堆积和喷射成形过程。

5.本发明实现了多喷头挤出成形工艺与细胞静电纺丝工艺的复合,制备出了具有生物活性的支架。

综上所述，本发明所述系统利用转盘式多喷头喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构以及控制系统综合实现了非均质多种材料的生物活性复合支架的成形。该系统具有结构简单可靠、自动化程度高、易控制等优点，适用于组织工程中具有复杂三维结构的非均质多种材料的生物活性复合支架成形。

附图说明

图1是本发明提供的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统的实施例的结构示意图。

图2是喷射装置的结构示意图。

图3是喷射装置的剖视图。

图4是静电纺丝装置的结构示意图。

图5是整个系统复合的简易工艺流程。

在图1至图4中：

1—X轴运动机构，        11—X轴运动控制电机，     12—X轴丝杠（外壳内部），

13—X轴运动滑块，

2—Y轴运动机构，    21—Y轴运动控制电机（外壳内部）， 22—Y轴丝杠（外壳内部），

23—Y轴光杆，       24—Y轴运动滑块一，       25—Y轴运动滑块二，

3—Z1轴运动机构，   31—Z1轴运动控制电机，32—Z1轴丝杠（外壳内部），

33—Z1轴运动滑块，

4—Z2轴运动机构，    41—Z2轴运动控制电机，       42—Z2轴丝杠（外壳内部），

43—Z2轴运动滑块，

5—成形台，

6—喷射装置，         61—控制转盘电机，            62—电机固定板，

63—联轴器，          64—联轴器罩，                65—多喷头装置挂板，

66—驱动轴轴承上端盖，67—深沟球轴承，              68—驱动轴固定板，

69—驱动轴轴承下端盖，81—驱动轴，                  82—上固定板，

83—套筒，            84—弹簧卡扣，                85—下固定板，

86—接近开关，        87—横梁，                    88—注射器活塞筒体，

89—注射器针头，

7—静电纺丝装置，     75—横梁，                    76—微量泵，

77—注射器活塞筒体，          78—注射器针头，

8—计算机系统，       

9—底板，              91—基座1，                  92—基座2。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例进行进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程内容：

实施例一：

参见图1~图4，本复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置(Ⅰ)、静电纺丝装置(Ⅱ)、三维运动机构(Ⅲ)、成形台(Ⅳ)和控制及数据处理系统(Ⅴ)，其特征在于：所述的喷射装置(Ⅰ)采用转盘式多喷头喷射装置(6)，设置在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z1轴运动机构(3)上而随一个Z1轴运动滑块(33)上下滑动；所述的静电纺丝装置(Ⅱ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z2轴运动机构(4)上而随一个Z2轴运动滑块(43)上下滑动；所述的成形台(Ⅳ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中X轴运动滑块(13)上；所述的控制及数据处理系统(Ⅴ)是联接控制转盘式多喷头喷射装置(6)和三维运动机构(Ⅲ)的电机。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的喷射装置(Ⅰ)采用的转盘式多喷头喷射装置(6)包括控制转盘电机(61)、电机固定板(62)、联轴器(63)、驱动轴(81)、上固定板(82)、弹簧卡扣(84)、下固定板(85)、接近开关(86)、横梁(87)、注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)；所述横梁(87)安装在Z1轴运动滑块(33)上；所述控制转盘电机(61)通过螺丝固定安装在电机固定板(62)上，电机轴朝下；电机轴与联轴器(63)一端相连，联轴器(63)另一端与驱动轴(81)相连；驱动轴(81)安装两个深沟球轴承(67)，在深沟球轴承(67)上安装一个驱动轴轴承上端盖(66)和一个驱动轴轴承下端盖(69)以及一个驱动轴固定板(68)；再在驱动轴(81)上依次安装所述上固定板(82)、一个套筒(83)和所述下固定板(85)；下固定板(85)连接驱动注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)；控制转盘电机(61)运行带动电机轴旋转，同时带动上固定板(82)、下固定板(85)旋转运动，即带动注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)旋转；所述上固定板(82)、下固定板(85)上安装弹簧卡扣(84)，将注射器活塞筒体(88)安装到弹簧卡扣(84)，注射器活塞筒体(88)注入材料溶液，注射器活塞筒体(88)上方安装4个连接管，有气泵提供气体；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体(88)中的材料溶液从注射器针头(89)中挤出；所述接近开关(86)固定在一个联轴器罩(64)上，联轴器罩(64)安装在电机固定板(62)与驱动轴固定板(68)之间，接近开关(86)的感应面与上固定板(82)平行，当上固定板(82)运转到接近开关(86)时，即可停止上固定板(82)和下固定板运动(85)转动，即注射器针头(89)到达指定的位置。

所述的控制转盘电机(61)为步进电机或伺服电机；所述上下固定板(82、85)为扇形；所述上下固定板(82、85)上分别安装为4个弹簧卡扣(84)，均匀分布在上下固定板(82、85)上。

所述的静电纺丝装置(Ⅱ)由横梁(75)、微量泵(76)、注射器活塞筒体(77)、注射器针头(78)、高压电源及控制器组成，所述横梁(75)与一端Z2轴运动滑块(43)固定连接，而另一端与微量泵(76)固定连接，微量泵(76)上安装注射器活塞筒体(77)，注射器活塞筒体(77)匹配注射器针头(78)。

所述的三维运动机构(Ⅲ)由一个X轴运动机构(1)、一个Y轴运动机构(2)、所述Z1轴运动机构(3)和所述Z2轴运动机构(4)联接成一体，Z1轴运动机构(3)通过横梁(62)与喷射装置(Ⅰ)连接，Z2轴运动机构(4)通过横梁(75)与静电纺丝装置(Ⅱ)连接。

所述X轴运动机构(1)包括一个X轴运动导轨与一个X轴运动滑块(13)滑配；所述Y轴运动机构(2)包括一个Y轴运动导轨与一个Y轴运动滑块滑配；所述Z1轴运动机构(3)包括一个Z1轴运动导轨与一个Z1轴运动滑块(33)滑配；所述Z2轴运动机构(4)包括一个Z2轴运动导轨与一个Z2轴运动滑块(43)滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Z1轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板(9)上，Y轴运动导轨(24、25)平行也固定在底板(9)上；所述X、Y、Z轴上各有一个运动控制电机，该电机均为步进电机或伺服电机。

所述的成形台(Ⅳ)是一个成形平台(5)，成形平台(5)与所述的X轴运动机构(1)固连。

所述的控制及数据处理系统(Ⅴ)包括一个计算机系统(8)联接一个控制系统，控制系统联接控制转盘式多喷头喷射装置(6)和三维运动机构(Ⅲ)的电机。

实施例三：

参见图5，利用上述系统进行生物3D打印成形方法，实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制备的方法，操作步骤如下：

a．在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体(88、77)中，消除注射器活塞筒体(88、77)中的气泡，再将注射器活塞筒体(88、77)分别安装在上固定板(82)和下固定板(85)、以及微量泵(76)上；

c.将转盘式多喷头喷射装置(6)、静电纺丝装置(Ⅱ)与三维运动机构(Ⅲ)连接在一起，分别安装在Z1轴和Z2轴运动滑块(33、43)上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构(Ⅲ)以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制上固定板(82)和下固定板(85)转动，通过接近开关(86)来确定注射器针头(89)的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体(88)中液体挤出，从而控制注射器针头(89)的输出液流的速度；用微量泵(76)的控制器来控制注射器针头(78)的输出液流的速度；

d．根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制品。

实施例四：

本复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统的实施例，如图1～图4所示，所述系统包括喷射装置(Ⅰ)、静电纺丝装置(Ⅱ)、三维运动机构(Ⅲ)、成形台(Ⅳ)、控制及数据处理系统(Ⅴ)。所述的喷射装置(Ⅰ)采用转盘式多喷头喷射装置(6)，该转盘式多喷头喷射装置(6)包括控制转盘电机(61)、电机固定板(62)、联轴器(63)、驱动轴(81)、上固定板(82)、弹簧卡扣(84)、下固定板(85)、接近开关(86)、横梁(87)、注射器活塞筒体(88)、注射器针头(89)等；所述转盘式多喷头装置(6)设置在三维运动机构中Z1轴运动机构(3)上，与Z1轴运动滑块(33)上下滑动；所述成形台(Ⅲ)安装在三维运动机构中X轴运动滑块(13)上。

本发明中，所述上固定板(82)和下固定板(85)为扇形。

图1为本发明三维运动机构的机构示意图，所述三维运动机构(Ⅱ)包括X轴运动机构(1)、Y轴运动机构(2)、Z1轴运动机构(3)、Z2轴运动机构(4)；所述X轴运动机构(1)包括X轴运动导轨及X轴运动滑块(13)；所述Y轴运动机构(2)包括Y轴运动导轨及Y轴运动滑块；所述Y轴运动导轨包括Y轴丝杠(22)和Y轴光杆(23)；Y轴运动滑块包括Y轴运动滑块一(24)和Y轴运动滑块二(25)；所述X轴丝杠(12)固连在所述Y轴运动滑块一(24)和Y轴运动滑块二(25)上；X轴运动滑块(13)套接在所述X轴运动导轨上；X轴运动控制电机(11)的电机轴与X轴丝杠(12)固连；X轴运动控制电机(11)转动时，X轴运动滑块(13)做X轴平动；所述Y轴运动轨迹包括Y轴丝杠(22)和Y轴光杆(23)；所述Y轴丝杠(22)和Y轴光杆(23)固接在所述底板(9)上；所述Y轴运动滑块一(24)和Y轴运动滑块二(25)分别套接在Y轴丝杠(22)和Y轴光杆(23)上；所述Y轴运动控制电机(21)的电机轴与Y轴丝杠(22)固连；Y轴运动控制电机(21)转动时，所述Y轴运动滑块做Y轴平动；所述Z1轴运动机构和Z2轴运动机构分别固连在基座1(91)、基座2(92)上，所述Z1轴运动机构(3)包括Z1轴运动导轨及Z1轴运动滑块(33)；所述Z2轴运动机构(4)包括Z2轴运动导轨及Z2轴运动滑块(43)；Z1轴运动滑块(33)套接在所述Z1轴运动导轨上；Z1轴运动控制电机(31)的电机轴与Z1轴丝杠(32)固连；Z1轴运动控制电机(31)转动时，Z1轴运动滑块(33)做Z1轴平动；Z2轴运动滑块(43)套接在所述Z2轴运动导轨上；Z2轴运动控制电机(41)的电机轴与Z2轴丝杠(42)固连；Z2轴运动控制电机(41)转动时，Z2轴运动滑块(43)做Z2轴平动；所述成形平台(5)可以随着X轴运动机构(1)、Y轴运动机构(2)一起做X、Y二维方向运动。

图2、3为本发明喷射装置Ⅰ的结构示意图和剖视图，所述的喷射装置(Ⅰ)采用转盘式多喷头喷射装置(6)。该转盘式多喷头喷射装置(6)包括控制转盘电机(61)、电机固定板(62)、联轴器(63)、驱动轴(81)、上固定板(82)、弹簧卡扣(84)、下固定板(85)、接近开关(86)、横梁(87)、注射器活塞筒体(88)、注射器针头(89)等构成；所述横梁(87)安装在Z1轴运动滑块(33)上；所述控制转盘电机(61)通过螺丝固定安装在电机固定板(62)上，电机轴朝下；电机轴与联轴器(63)一端相连，联轴器(63)另一端与驱动轴(81)相连；驱动轴(81)安装深沟球轴承(67)，在深沟球轴承(67)上安装驱动轴轴承上端盖(66)和驱动轴轴承下端盖(69)以及驱动轴固定板(68)；再在驱动轴(81)上依次安装上固定板(82)、套筒(83)和下固定板(85)。控制转盘电机(61)运行带动电机轴旋转，同时带动上固定板(82)、下固定板(85)旋转运动，即带动注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)旋转；所述上固定板(82)、下固定板(85)上安装弹簧卡扣(84)，将注射器活塞筒体(88)安装到弹簧卡扣(84)，注射器活塞筒体(88)注入材料溶液，注射器活塞筒体(88)上方安装4个连接管，有气泵提供气体；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体(88)中的材料溶液从注射器针头(89)中挤出；所述接近开关(86)固定在联轴器罩(64)，感应面与上固定板(82)平行，当上固定板(82)运转到接近开关(86)时，即可停止上固定板(82)和下固定板运动(85)，即注射器针头(89)到达指定的位置。

图4为静电纺丝装置的结构示意图，所述的静电纺丝装置Ⅱ包括横梁(75)、微量泵(76)、注射器活塞筒体(77)、注射器针头(78)、高压电源及控制器组成；所述的微量泵(76)安装在横梁(75)上；所述的注射器活塞筒体(77)安装到微量泵(76)上。

本发明所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，所述控制及数据处理系统包括计算机系统(8)和控制系统。

在本实施例中，结合图1~图5，利用本实施例复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，该系统采用转盘式多喷头装置，静电纺丝装置与进行生物3D打印机构成一体化，能实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架，其非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制备的方法，叙述如下：

成形支架前，通过CT扫描后进行三维重建，补缺得到STL模型文件，然后通过前置处理系统处理后生成加工路径文件，得到成形的坐标G代码。将加工参数输入到计算机控制软件。

选择实验的材料，本实施例中用PLAG和TCP溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体88(a)中；用海藻酸钠和TCP溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体88(b)中；用明胶和壳聚糖溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体88(c)中；用PVA溶液和细胞悬液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体(77)中制备成形材料备用。

方案一：

开启三维运动机构(Ⅲ)的开关，通过计算机控制系统发出命令运行成形平台(5)到达指定位置，喷射装置(Ⅰ)中的注射器活塞筒体88(a)通过接近开关(86)到达成形台指定的位置，通过气泵提供气体来挤压注射器活塞筒体88(a)中的溶液，调整气压速度达到溶液均匀的针头挤出时，然后运行成形平台(5)，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体88(a)中的气体通过继电器停止供气，启动控制转盘电机(61)运行，通过接近开关(86)找到注射器活塞筒体88(b)指定的位置，此时接通注射器活塞筒体88(b)中的气体,调整气压速度达到均匀的针头挤出时，控制成形平台(5)程序继续运行，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体88(b)中的气体通过继电器停止供气，这样循环往复，制备出非均质多种材料梯度的支架，然后根据程序将成形平台(5)运行至静电纺丝装置(Ⅱ)下方，由控制器来控制微量泵(76)上的注射器针头(78)挤出速度，设置高压以及接受距离，对支架进行电纺丝成形，根据复合支架的要求，得到复杂三维结构的非均质多种材料的生物活性复合支架。

方案二：

开启三维运动机构(Ⅲ)的开关，通过计算机控制系统发出命令运行成形平台(5)到达指定位置，喷射装置(Ⅰ)中的注射器活塞筒体88(a)通过接近开关(86)到达成形台指定的位置，通过气泵提供气体来挤压注射器活塞筒体88(a)中的溶液，调整气压速度达到溶液均匀的针头挤出时，然后运行成形平台(5)，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体88(a)中的气体通过继电器停止供气，根据程序将成形平台(5)运行至静电纺丝装置(Ⅱ)下方，由控制器来控制微量泵(76)上的注射器针头(78)挤出速度，设置高压以及接受距离，对支架进行细胞电纺丝成形，成形一定的电纺丝后，成形平台(5)运行到成形支架的位置，启动控制转盘电机(61)运行，通过接近开关(86)找到注射器活塞筒体88(b)指定的位置，此时接通注射器活塞筒体88(b)中的气体,调整气压速度达到均匀的针头挤出时，控制成形平台(5)程序继续运行，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体88(b)中的气体通过继电器停止供气，这样循环往复,在成形支架中进行含有细胞的电纺丝成形，制备出复杂三维结构的非均质多种材料的生物活性复合支架。

在本实施例中，参见图1～图5，利用本实施例复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，通过成形平台(5)运动来制备出非均质多种材料梯度的生物活性复合支架。此外利用本发明提供的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，可实现自动化程度高、易控制，生产操作简单，工艺控制容易，生产效率高。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置(Ⅰ)、静电纺丝装置(Ⅱ)、三维运动机构(Ⅲ)、成形台(Ⅳ)和控制及数据处理系统(Ⅴ)，其特征在于：所述的喷射装置(Ⅰ)采用转盘式多喷头喷射装置(6)，设置在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z1轴运动机构(3)上而随一个Z1轴运动滑块(33)上下滑动；所述的静电纺丝装置(Ⅱ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z2轴运动机构(4)上而随一个Z2轴运动滑块(43)上下滑动；所述的成形台(Ⅳ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中X轴运动滑块(13)上；所述的控制及数据处理系统(Ⅴ)是联接控制转盘式多喷头喷射装置(6)和三维运动机构(Ⅲ)的电机。

2.根据权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的喷射装置(Ⅰ)采用的转盘式多喷头喷射装置(6)包括控制转盘电机(61)、电机固定板(62)、联轴器(63)、驱动轴(81)、上固定板(82)、弹簧卡扣(84)、下固定板(85)、接近开关(86)、横梁(87)、注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)；所述横梁(87)安装在Z1轴运动滑块(33)上；所述控制转盘电机(61)通过螺丝固定安装在电机固定板(62)上，电机轴朝下；电机轴与联轴器(63)一端相连，联轴器(63)另一端与驱动轴(81)相连；驱动轴(81)安装两个深沟球轴承(67)，在深沟球轴承(67)上安装一个驱动轴轴承上端盖(66)和一个驱动轴轴承下端盖(69)以及一个驱动轴固定板(68)；再在驱动轴(81)上依次安装所述上固定板(82)、一个套筒(83)和所述下固定板(85)；下固定板(85)连接驱动注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)；控制转盘电机(61)运行带动电机轴旋转，同时带动上固定板(82)、下固定板(85)旋转运动，即带动注射器活塞筒体(88)和注射器针头(89)旋转；所述上固定板(82)、下固定板(85)上安装弹簧卡扣(84)，将注射器活塞筒体(88)安装到弹簧卡扣(84)，注射器活塞筒体(88)注入材料溶液，注射器活塞筒体(88)上方安装4个连接管，有气泵提供气体；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体(88)中的材料溶液从注射器针头(89)中挤出；所述接近开关(86)固定在一个联轴器罩(64)上，联轴器罩(64)安装在电机固定板(62)与驱动轴固定板(68)之间，接近开关(86)的感应面与上固定板(82)平行，当上固定板(82)运转到接近开关(86)时，即可停止上固定板(82)和下固定板运动(85)转动，即注射器针头(89)到达指定的位置。

3.根据权利要求2所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的控制转盘电机(61)为步进电机或伺服电机；所述上下固定板(82、85)为扇形；所述上下固定板(82、85)上分别安装为4个弹簧卡扣(84)，均匀分布在上下固定板(82、85)上。

4. 根据权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的静电纺丝装置(Ⅱ)由横梁(75)、微量泵(76)、注射器活塞筒体(77)、注射器针头(78)、高压电源及控制器组成，所述横梁(75)与一端Z2轴运动滑块(43)固定连接，而另一端与微量泵(76)固定连接，微量泵(76)上安装注射器活塞筒体(77)，注射器活塞筒体(77)匹配注射器针头(78)。

5. 根据权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的三维运动机构(Ⅲ)由一个X轴运动机构(1)、一个Y轴运动机构(2)、所述Z1轴运动机构(3)和所述Z2轴运动机构(4)联接成一体，Z1轴运动机构(3)通过横梁(62)与喷射装置(Ⅰ)连接，Z2轴运动机构(4)通过横梁(75)与静电纺丝装置(Ⅱ)连接。

6.根据权利要求5所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述X轴运动机构(1)包括一个X轴运动导轨与一个X轴运动滑块(13)滑配；所述Y轴运动机构(2)包括一个Y轴运动导轨与一个Y轴运动滑块滑配；所述Z1轴运动机构(3)包括一个Z1轴运动导轨与一个Z1轴运动滑块(33)滑配；所述Z2轴运动机构(4)包括一个Z2轴运动导轨与一个Z2轴运动滑块(43)滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Z1轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板(9)上，Y轴运动导轨(24、25)平行也固定在底板(9)上；所述X、Y、Z轴上各有一个运动控制电机，该电机均为步进电机或伺服电机。

7.根据权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的成形台(Ⅳ)是一个成形平台(5)，成形平台(5)与所述的X轴运动机构(1)固连。

8.根据权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，其特征在于：所述的控制及数据处理系统(Ⅴ)包括一个计算机系统(8)联接一个控制系统，控制系统联接控制转盘式多喷头喷射装置(6)和三维运动机构(Ⅲ)的电机。

9.一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形方法利用权利要求1所述的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统进行操作，实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架的制备，其特征在于操作步骤如下：

a．在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；

b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体(88、77)中，消除注射器活塞筒体(88、77)中的气泡，再将注射器活塞筒体(88、77)分别安装在上固定板(82)和下固定板(85)、以及微量泵(76)上；

c.将转盘式多喷头喷射装置(6)、静电纺丝装置(Ⅱ)与三维运动机构(Ⅲ)连接在一起，分别安装在Z1轴和Z2轴运动滑块(33、43)上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构(Ⅲ)以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制上固定板(82)和下固定板(85)转动，通过接近开关(86)来确定注射器针头(89)的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体(88)中液体挤出，从而控制注射器针头(89)的输出液流的速度；用微量泵(76)的控制器来控制注射器针头(78)的输出液流的速度；

d．根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制品。