CN104494151A - 一种用于生物3d打印的液压挤出供料系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统和方法，液压挤出供料系统包括压力源、液管、喷头装置、蓄液箱、电液比例溢流阀、控制器和上位计算机；所述压力源包括微量注射泵和医用注射器；所述液管连接喷头装置，蓄液箱，电液比例溢流阀，构成挤出回路和调压回路；所述控制器通过数据线连接微量注射泵和电液比例溢流阀，并通过上位计算机控制整个液压供料系统的工作。本发明可以实现材料挤出的实时控制和快速响应，适用于各种挤出成形的生物3D打印设备，不受材料和工艺的限制。

Description

一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统和方法

技术领域

本发明涉及一种组织工程支架3D打印成形技术，尤其涉及一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统和方法，属于生物制造技术领域。

背景技术

3D打印技术是利用材料的逐层堆积，从无到有构建三维形体的一种新型加工成形技术，如今在加工制造和快速建模等方面得到越来越多的应用。而在生物制造和组织工程领域3D打印的技术优势更为凸显，应用也更加广泛。由于用于组织修复具的组织工程支架有优良的性能，人们对其制造方法进行了广泛的研究，包括冷冻干燥法、粒子沥滤发、模具浇注成型法等。其中，利用挤出成形方法可以制造出一般方法难以制造的支架纤维和孔径，并且方向可控，是现今3D打印技术研究的重要内容。随着研究的快速发展和逐渐深入，人们对组织工程支架的要求也越来越高，特别是外形结构、内部尺寸和孔隙率，以及支架的结构梯度、材料梯度和多材料与多尺度复合等。

挤出成形制备组织工程支架主要包含两部分内容：材料的供料挤出和材料的堆积成形。其中材料的供料挤出直接影响了成形材料的可控性，并影响支架的纤维和孔隙尺寸以及整体的成形效果，因此供料精度高、可控性强的供料系统和方法对成形良好的组织工程支架具有重要意义。制备组织工程支架常用的生物材料为熔融的聚合物或水凝胶悬浮液，挤出方式为压力挤出。目前，常用的供料方法有：螺杆挤出式供料、活塞挤出式供料和气动式供料。螺杆挤出式供料和活塞挤出式供料都是通过步进电机驱动，将旋转运动转化为直线运动来推压材料，其挤出压力大，能够实现较大粘度材料的挤出成形，但其无法实现开环控制，影响供料精度，供料柔性较差，低粘度的材料还会出现流涎；气动供料采用稳压气源作为压力源，压力稳定持续，原理简单、操作方便，是生物3D制造领域广泛使用的方法，但是气动挤出的压力较小，由于气体的压缩性大，气压变化会有很大的延时性，可控性不强，使材料挤出无法实时控制，会出现支架形状不规整、材料过堆积严重等问题。

液压系统能够根据装备需求，对位置、速度、力等被控制量进行控制，并且能抵抗一定的外部干扰，稳定、准确地工作，具有传递压力大、压力稳定、响应速度快和控制精度高等突出优点，广泛应用与各类工程机械设备、各种加工机床中。但是在目前的生物3D打印设备，特别是挤出供料装置中很少应用，因为尚未有一套完整的，便于控制和操作的液压供料系统。

发明内容

为了实现生物3D打印工艺中材料的可控挤出，本发明目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统和方法，使不同性质的生物材料都能顺利挤出，供料的启停能够快速响应、实时控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统，包括压力源，液管，喷头装置，蓄液箱，电液比例溢流阀，控制器和上位计算机；所述压力源、喷头装置和电液比例溢流阀通过液管连接，构成挤出回路；所述蓄液箱通过液管与电液比例溢流阀连接，构成液压回路；所述控制器通过数据线连接微量注射泵和电液比例溢流阀，并连接上位计算机控制液压挤出供料系统的工作。

所述压力源包括微量注射泵和医用注射器。

所述喷头装置包括压力腔，连杆和供料腔；所述压力腔和供料腔通过螺栓连接，所述连杆设置于压力腔和供料腔内，传递供料压力，所述连杆由长杆和短杆组成，长杆和短杆通过滑扣固定和分离。

所述挤出回路不限于单个喷头装置，通过电磁阀连接多个喷头装置，实现多材料复合挤出成形。

一种用于生物3D打印的液压挤出供料方法，利用上述的装置，包括以下步骤：

1）选择适于制备组织工程支架的生物可降解材料，利用溶剂溶解的方法配置成用于挤出成形的水凝胶溶液；

2）将生物材料溶液装入料筒中，并安装固定好喷头装置；

3）在整个液压回路的液管中填充液压介质，调整电液比例溢流阀的工作压强；在需要材料挤出立即开始时，控制增大电液比例溢流阀的工作压强至200-1000KPa，使液压回路的压强大于材料挤出所需压强，液压回路的内部压强很快增大，挤出压力达到供料所需，供料开启；在需要材料挤出暂时停止时，控制减小电液比例溢流阀的工作压强至50-100KPa，使液压回路的压强小于材料挤出所需压强，溢流阀主阀芯打开，液压回路的内部压强通过溢流阀卸掉，材料挤出压力减小，供料暂停；

4）通过上位计算机控制压力源的微量注射泵打开，供料流率为200-500ul/min，将材料按需挤出，用于支架打印；

5）支架打印完成时结束供料，将电液比例溢流阀工作压强调至最小，卸载掉整个液压回路中的液体内部压力，供料立即停止，同时关闭微量注射泵。

本发明的原理如下：

本发明采用液压的方式挤出材料，利用液压原理将挤出压力传递到材料中；由于材料的挤出流率很低，液压系统可以看作是液体静压力的传递；根据帕斯卡原理密闭容器内静止液体的压力可以等值地向液体中各点传递，因此利用微量注射泵提供材料挤出所需压力，利用电液比例溢流阀实时控制液压系统的压力大小；因为液体的体积压缩因数很小，系统传递的液压仅有几百千帕，可以认为液体不可压缩，微量泵的供料速率即为材料的挤出流率；利用计算机控制整个系统的工作，实现供料控制智能化，可与组织工程支架的成形工艺软件集成，实现支架打印的自动化，提高支架的成形质量。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

1.本发明利用液压系统驱动生物材料的挤出，具有电机直接驱动挤出压力大的特点，又排除了供料精度不高、柔性差，容易流涎等缺陷，具有气动供料方式持续挤出、压力稳定的特点，又避免了气体压缩产生的延时、响应速度慢等缺陷；

2.本发明提高了生物3D打印中材料挤出的可控性，实现了供料启停的实时控制，且控制方法简单有效；

3.本发明结构紧凑，装配简单，避免了现有供料装置体积大、有噪音、操作不便的缺点，具有模块化设计特征和较高的自动化，可集成性好，适用于各种生物3D打印设备。

附图说明

图1为液压挤出供料系统示意图。

图2为喷头装置的结构示意图。

图3为利用液压挤出供料系统消除组织工程支架加工冗余路径示意图。

图4为在液压挤出供料系统中加入的多喷头装置示意图。

具体实施方式

本发明优选实施例结合附图详述如下：

如图1和图2所示，一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统，包括压力源1，液管2，喷头装置3，蓄液箱4，电液比例溢流阀5，控制器6和上位计算机7；所述压力源1、喷头装置3和电液比例溢流阀5通过液管2连接，构成挤出回路；所述蓄液箱4通过液管2与电液比例溢流阀5连接，构成液压回路；所述控制器6通过数据线连接微量注射泵1和电液比例溢流阀5，并连接上位计算机7控制液压挤出供料系统的工作。所述压力源1包括微量注射泵和医用注射器。所述喷头装置3包括压力腔8，连杆9和供料腔10；所述压力腔8和供料腔10通过螺栓连接，所述连杆9设置于压力腔8和供料腔10内，传递供料压力，所述连杆9由长杆11和短杆12组成，长杆11和短杆12通过滑扣固定和分离。所述挤出回路不限于单个喷头装置3，通过电磁阀连接多个喷头装置3，实现多材料复合挤出成形。

实施例1

一种利用液压挤出供料系统进行生物3D打印的液压挤出供料方法，包括以下步骤：

配制20%明胶水溶液和5%壳聚糖溶液，混合得到明胶-壳聚糖混合溶液10ml，静置得到稳定均一的水凝胶溶液，装入供料腔10中，并安装到喷头装置3，组装液压供料系统，如图1所示；通过上位计算机7启动微量注射泵和电液比例溢流阀5，控制微量注射泵的供料速率为400ul/min和电液比例溢流阀5的调控压强为200KPa，使水凝胶材料挤出并按照加工路径打印支架；完成一层支架的打印后控制电液比例溢流阀5的调控压强为100KPa，液压系统内部压力降低，喷头供料停止，喷头依照加工路径运动到下一层的加工起点，如图3（B）所示；喷头到达下一层的加工起点时，控制电液比例溢流阀5的调控压强为200KPa，液压系统内部压力提高，喷头供料开启；与图3（A）所示的原始加工路径相比，图3（B）所示的喷头回加工起点的过程中没有材料挤出，利用液压供料系统的快速调控消除了加工冗余路径。

实施例2

一种利用液压挤出供料系统进行生物3D打印的液压挤出供料方法，包括以下步骤：

在液压挤出供料系统中通过一个两位三通电磁阀连接两个喷头装置，如图4所示；配制20%明胶水溶液和5%壳聚糖溶液，混合得到明胶-壳聚糖混合溶液10ml，静置得到稳定均一的水凝胶溶液；配置5%的海藻酸钠水溶液10ml，静置得到稳定均一的水凝胶溶液；将两种材料分别装入两个喷头装置中；通过上位计算机7启动微量注射泵和电液比例溢流阀5，控制微量注射泵的供料速率为400ul/min和电液比例溢流阀5的调控压强为200KPa；两位三通电磁阀首先接通明胶-壳聚糖材料的喷头装置，挤出材料打印支架；打印完特定的支架结构后，控制电液比例溢流阀5的调控压强为100KPa，液压系统内部压力降低，喷头供料停止；将电磁阀工位转到接通海藻酸钠的喷头装置，控制电液比例溢流阀5的调控压强为300KPa，液压系统内部压力提高，喷头供料开启，打印支架的海藻酸钠结构；多次反复，制备出具有两种材料梯度的复合骨组织工程支架。

Claims (5)

1.一种用于生物3D打印的液压挤出供料系统，其特征在于，包括压力源（1），液管（2），喷头装置（3），蓄液箱（4），电液比例溢流阀（5），控制器（6）和上位计算机（7）；所述压力源（1）、喷头装置（3）和电液比例溢流阀（5）通过液管（2）连接，构成挤出回路；所述蓄液箱（4）通过液管（2）与电液比例溢流阀（5）连接，构成液压回路；所述控制器（6）通过数据线连接微量注射泵（1）和电液比例溢流阀（5），并连接上位计算机（7）控制液压挤出供料系统的工作。

2.根据权利要求1所述的用于生物3D打印的液压挤出供料系统，其特征在于，所述压力源（1）包括微量注射泵和医用注射器。

3.根据权利要求1所述的用于生物3D打印的液压挤出供料系统，其特征在于，所述喷头装置（3）包括压力腔（8），连杆（9）和供料腔（10）；所述压力腔（8）和供料腔（10）通过螺栓连接，所述连杆（9）设置于压力腔（8）和供料腔（10）内，传递供料压力，所述连杆（9）由长杆（11）和短杆（12）组成，长杆（11）和短杆（12）通过滑扣固定和分离。

4.根据权利要求1所述的用于生物3D打印的液压挤出供料系统，其特征在于，所述挤出回路不限于单个喷头装置（3），通过电磁阀连接多个喷头装置（3），实现多材料复合挤出成形。

5.一种用于生物3D打印的液压挤出供料方法，利用如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

1）选择适于制备组织工程支架的生物可降解材料，利用溶剂溶解的方法配置成用于挤出成形的水凝胶溶液；

2）将生物材料溶液装入供料腔（10）中，并安装固定好喷头装置（3）；

3）在整个液压回路的液管（2）中填充液压介质，调整电液比例溢流阀（5）的工作压强；在需要材料挤出立即开始时，控制增大电液比例溢流阀（5）的工作压强至200-1000KPa，使液压回路的压强大于材料挤出所需压强，液压回路的内部压强很快增大，挤出压力达到供料所需，供料开启；在需要材料挤出暂时停止时，控制减小电液比例溢流阀（5）的工作压强至50-100KPa，使液压回路的压强小于材料挤出所需压强，溢流阀主阀芯打开，液压回路的内部压强通过溢流阀卸掉，材料挤出压力减小，供料暂停；

4）通过上位计算机（7）控制压力源（1）的微量注射泵打开，供料流率为200-500ul/min，将材料按需挤出，用于支架打印；

5）支架打印完成时结束供料，将电液比例溢流阀（5）工作压强调至最小，卸载掉整个液压回路中的液体内部压力，供料立即停止，同时关闭微量注射泵。