CN105904733B - 一种骨生物材料3d生物打印装置及方法 - Google Patents

一种骨生物材料3d生物打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种骨生物材料3D生物打印装置及方法，所述骨生物材料3D生物打印装置包括超净台单元和3D打印单元，所述3D打印单元包括运动组件、喷头模块、控制模块和稳压控制箱，所述喷头模块包括喷嘴及其上方的恒温搅拌室，所述稳压控制箱与恒温搅拌室相连，在控制模块的驱动下，所述恒温搅拌室和稳压控制箱保持恒温搅拌室中的骨生物材料在恒温、恒压状态下从喷嘴中挤出，完成骨形态的打印塑形。本发明的装置及方法能保证骨生物材料的均匀稳定挤出与成型，提高骨生物材料模型的打印精度和强度，打印出的骨生物材料具有良好的生物相容性和无毒性，具有广阔的临床应用前景。

Description

一种骨生物材料3D生物打印装置及方法
技术领域
本发明属于生物材料3D打印技术领域，尤其涉及一种骨生物材料3D生物打印装置及方法。
背景技术
生物医用材料的发展和应用对当代医疗技术的革新、降低医疗费用和促进医疗卫生事业的发展具有引导作用。不仅使疾病得以早期发现和有效治疗，显著降低心血管病、癌症、创伤及其他疾病的死亡率，延长了寿命，增进了健康，同时可大幅度降低医疗费用，这对于个人医疗费用的负担超过60％以上的中国来说，显得更加重要。3D打印技术的出现以及在组织工程中的运用，使得构建复杂三维结构模型成为可能。生物材料在3D打印中的应用可以分为三个层次：假体的制造，细胞三维间接组装制造，细胞三维的直接制造。体外假体是一种结构，它是从结构解剖学上的数据取下来，把这个数据通过快速成形3D打印，体外假体不植入体内，因而不需要生物的相容性，用以做辅助手术、手术的规划等。组织工程就是要做成一个支架，或者叫它基质，这个中心很复杂，多孔性，带有梯度的结构，材料的梯度和结构的梯度不是均值的，最后这个细胞在身体里降解消失掉，细胞占据的位置就成了一个躯干的部分，虽然很早就开始有组织工程，但是跟3D打印结合之后，它得到一个很大的动力，因为能够做出很精密的有材料梯度、由结构梯度的支架，设计以后制造用3D打印来做，诱导培育细胞，之后降解。所以，生物材料的3D打印是组织工程、载体支架和基质结构制造的最佳制造方法。细胞三维的直接制造是指把含有生命的比如说细胞，把它跟材料混合之后，用3D打印出来。
目前采用3D打印技术构建骨生物材料模型采用的是溶液成型与冷冻干燥技术相结合的方法，这种溶液成型骨生物材料打印存在工艺复杂、毒性溶液残留难以清除、生物材料力学性能差、生物材料容易污染等缺陷，严重妨碍了生物3D打印技术在骨生物材料成型中的应用。
此外，3D打印技术应用于医学领域依然存在打印机喷头挤出方式不匹配等问题也影响骨生物材料的堆积和成型。
发明内容
本发明提供了一种骨生物材料3D生物打印装置及方法，以解决背景技术中所提出的技术问题，能保证多种(或者一种)骨生物材料的均匀稳定挤出与成型，提高骨生物材料模型的打印精度和强度。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种骨生物材料3D生物打印装置，所述骨生物材料3D生物打印装置包括超净台单元和3D打印单元，所述3D打印单元包括运动组件、喷头模块、控制模块和稳压控制箱，所述喷头模块包括喷嘴及其上方的恒温搅拌室，所述稳压控制箱与恒温搅拌室相连，在控制模块的驱动下，所述恒温搅拌室和稳压控制箱保持恒温搅拌室中的骨生物材料在恒温、恒压状态下从喷嘴中挤出，完成骨形态的打印塑形。
所述运动组件包括打印工作台、Y轴导轨、Y轴滑块、Y轴驱动电机、X轴控制电机、X轴固定架、Z轴导向轴、Z轴丝杆、Z轴导向套、Z轴驱动电机；
所述喷头模块固定在X轴固定架上，所述Y轴驱动电机、X轴控制电机和Z轴驱动电机在所述控制模块的驱动下进行转动，带动运动组件动作，从而使得喷头模块按照设定的程序完成骨形态的打印塑形。
所述喷头模块的恒温搅拌室上方还设置有恒温搅拌室盖板，在所述恒温搅拌室盖板上插有加热棒，所述喷头模块还包括固定架、搅拌电机和搅拌轴，所述固定架用于固定安装所述搅拌电机，所述搅拌轴用于连接搅拌电机和位于恒温搅拌室内的搅拌片，所述搅拌电机在控制模块的驱动下通过搅拌轴带动恒温搅拌室内的搅拌片转动，使得骨生物材料受热均匀。
所述稳压控制箱包括恒压进气管、压力导管、稳压室、增压室、连接杆、转动丝杆、驱动电机、滑块、增压底座和仪表固定架，所述驱动电机在控制模块的驱动下带动转动丝杆转动，使得与之相连的滑块向前推动连接杆，导致增压室增压，再经稳压室稳压后通过压力导管和恒压进气管作用于恒温搅拌室，将受热均匀的熔融骨生物材料通过喷嘴挤出，所述恒压进气管与压力导管之间接有压力表显示当前压力值，所述压力表固定在仪表固定架上，所述增压室固定在增压底座上。
所述超净台单元设置有容纳3D打印单元的打印腔，所述打印腔的顶部设置有进气口，所述打印腔的底部设置有透气导流地板，加压的洁净空气从进气口泵入，流经3D打印单元并从透气导流地板吹出，保证3D打印单元的洁净。
所述打印腔的前后分别设置有前挡板和后挡板，所述前挡板和后挡板上分别设置有第一操作通道和第二操作通道。
进一步地，所述打印腔的前挡板和后挡板上方还设置有透明挡板，所述打印腔的前挡板和后挡板的外侧还设置有无菌挡板，所述无菌挡板通过无菌挡板导轨活动连接在超净台单元上。
所述超净台单元的底脚上设置有滚轮。
本发明还提出了一种骨生物材料3D生物打印方法，所述方法采用上述的骨生物材料3D生物打印装置进行3D生物打印，包括：
将骨生物材料加入恒温搅拌室中；
通过恒温搅拌室对其中的骨生物材料加热搅拌1-5分钟，加热到温度100℃-250℃；
通过稳压控制箱给恒温搅拌室加压到0.1Mpa～2Mpa；
在恒温、恒压状态下，将骨生物材料从喷嘴中挤出，完成骨形态的打印塑形。
进一步地，所述骨生物材料3D生物打印方法还包括：
将所述3D打印单元设置在百级洁净环境中进行3D打印。本发明通过将加压的洁净空气从进气口泵入，流经3D打印单元并从透气导流地板吹出，保证3D打印单元的洁净。
本发明提出的一种骨生物材料3D生物打印装置及方法，用于骨生物材料3D打印构建特定人体形状的骨模型，整个3D打印装置置于百级超净无菌的环境以保证打印过程的骨生物材料不会受到污染。通过恒温搅拌室和稳压控制箱对骨生物材料进行恒温、恒压处理，提供了一套集恒温、恒压、搅拌和进料于一体的打印喷头系统以实现骨生物材料的均匀稳定挤出和堆积，能保证多种(或者一种)骨生物材料的均匀稳定挤出与成型，提高骨生物材料模型的打印精度和强度，打印出的骨生物材料具有良好的生物相容性和无毒性，具有广阔的临床应用前景。
附图说明
图1为本发明骨生物材料3D生物打印装置整体外形图；
图2为本发明骨生物材料3D生物打印装置整体结构图；
图3为本发明骨生物材料3D生物打印装置内部结构图；
图4为本发明骨生物材料3D生物打印装置后部结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1和图2所示，本实施例骨生物材料3D生物打印装置主要包括超净台单元6和3D打印单元12两部分，3D打印单元12位于超净台单元6中部的打印腔内。
在打印腔的上方设置有进气口5，打印腔的下方设置有透气导流地板10。空气从进气口5泵入，流经3D打印单元12并从透气导流地板10吹出，保证3D打印单元12的洁净。打印腔内的气压大于外部气压，外面不干净的空气进不去，所以能够保证打印腔内的洁净。
在打印腔的前后分别设置有前挡板8和后挡板13，前挡板8和后挡板13上分别设置有第一操作通道9和第二操作通道14。可以在前挡板8和后挡板13上同时都设置第一操作通道9和第二操作通道14，也可以在前挡板8上设置第一操作通道9，在后挡板13上设置第二操作通道14，第一操作通道9和第二操作通道14主要是为了方便操作3D打印单元12。
在打印腔的前挡板8和后挡板13上方还设置有透明挡板4，打印腔的前挡板8和后挡板13的外侧还设置有无菌挡板2，无菌挡板2通过无菌挡板导轨3活动连接在超净台单元6上。透明挡板4通过第一螺钉7固定在超净台单元6上，透明挡板4可以向上掀起，便于试剂、骨生物材料等放入，以及维修等。
在操作时，将无菌挡板2沿着无菌挡板导轨3左右移动而打开，操作人员将手从前挡板8或后挡板13上的第一操作通道9或第二操作通道14伸入超净台单元6进行操作。
需要说明的是，上述超净台单元6的各部件的设置均为优选的方案，本技术领域人员也可以在此基础上，通过其他构造来达到同样的技术效果，例如打印腔前后只安装整面的前挡板和后挡板，实现打印腔的封闭。
本实施例超净台单元6的底脚上设置有滚轮1，方便整个装置的移动和固定。
如图3、图4所示：3D打印机单元12包括运动组件、喷头模块、控制模块和稳压控制箱15。
其中运动组件包括：工作台Y轴导轨16；打印工作台17；X轴控制电机20；Z轴导向轴23；Z轴丝杆24；X轴固定架29；Z轴导向套30；Z轴驱动电机41；Y轴滑块42；Y轴驱动电机43。
喷头模块包括：喷嘴18；恒温搅拌室19；恒温搅拌室盖板21；加热棒22；固定架25；搅拌电机26；搅拌轴27；第二固定螺钉28。
在工作中，Y轴驱动电机43通过Y轴滑块42控制打印工作台17在工作台Y轴导轨16上前后移动。
X轴控制电机2控制固定在X轴固定架29上的喷头模块整体沿X轴固定架29左右移动。Z轴驱动电机41带动Z轴丝杆24转动，Z轴导向轴23协同Z轴丝杆24带动Z轴导向套30上下移动，从而就带动了与Z轴导向套30相连的喷头模块上下移动。
最终，实现了X、Y、Z轴的三维运动。
恒温搅拌室19下方为喷嘴18，作为骨生物材料的挤出通道，恒温搅拌室19上方为通过第二固定螺钉28固定的恒温搅拌室盖板21，减少恒温搅拌室19内热量散失。而在恒温搅拌室盖板21上插有加热棒22，用于骨生物材料的加热熔融。与此同时，固定架25用于固定安装搅拌电机26，搅拌轴27用于连接搅拌电机26和位于恒温搅拌室19内的搅拌片，搅拌电机26在控制模块的驱动下通过搅拌轴27带动恒温搅拌室19内的搅拌片转动，使得骨生物材料受热均匀，整个恒温搅拌室19保持恒定的温度。
稳压控制箱15包括：恒压进气管11；压力表31；压力导管32；稳压室33；增压室34；连接杆35；转动丝杆36；驱动电机37；滑块38；增压底座39；仪表固定架40。
驱动电机37在控制模块的驱动下带动转动丝杆36转动，使得与之相连的滑块38向前推动连接杆35，导致增压室34增压，再经稳压室33稳压后通过压力导管32和恒压进气管11作用于恒温搅拌室19，将受热均匀的熔融骨生物材料通过喷嘴18挤出。恒压进气管11与压力导管32之间接有压力表31显示当前压力值，压力表31固定在仪表固定架40上，增压室34固定在增压底座39上。
本实施例3D打印单元12的控制模块通过编程控制Y轴驱动电机43、X轴控制电机20和Z轴驱动电机41，以及搅拌电机26，以及驱动电机37动作，在恒温、恒压状态下，带动喷头模块按照设定的程序完成骨形态的打印塑形。
容易理解的是，本实施例的3D打印单元12的各部件仅为一种优选的实施方案，例如其他可替代的运动组件也能实现带动喷头模块运动，进行打印，又例如直接以加热棒作为搅拌工具进行搅拌，又例如采用稳压的气泵来作为稳压控制箱等。因此在机械机构上进行一些微小的变动，并不影响本发明的技术效果，
本发明提供了一套集恒温、恒压、搅拌和进料于一体的骨生物材料3D生物打印装置，以实现骨生物材料的均匀稳定挤出和堆积，使得成型的骨生物材料模型具有更高的精度和强度。
本实施例还提出了基于上述骨生物材料3D生物打印装置的一种骨生物材料3D生物打印方法，包括：
将骨生物材料加入恒温搅拌室中；
通过恒温搅拌室对其中的骨生物材料加热搅拌1-5分钟，加热到温度100℃-250℃；
通过稳压控制箱给恒温搅拌室加压到0.1Mpa～2Mpa；
在恒温、恒压状态下，将骨生物材料从喷嘴中挤出，完成骨形态的打印塑形。
本实施例骨生物材料3D生物打印方法还包括：
将所述3D打印单元设置在百级洁净环境中进行3D打印。本发明通过将加压的洁净空气从进气口泵入，流经3D打印单元并从透气导流地板吹出，保证3D打印单元的洁净。
本实施例骨生物材料可以为一种或多种，例如5种，将混合的骨生物材料放入恒温搅拌室，加热棒和搅拌电机开始工作，使恒温搅拌室内的熔融骨生物材料受热均匀，温度达到100℃-250℃。然后，稳压控制箱通过控制模块驱动电机转动，输出一定气压作用于恒温搅拌室内的熔融骨生物材料，实现熔融骨生物材料稳定挤出。稳压控制箱提供的气压范围为0.1Mpa～2Mpa，工程中也常用1-20公斤压力来表示。挤出的骨生物材料根据控制模块的控制完成骨形态的打印塑形。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述骨生物材料3D生物打印装置包括超净台单元(6)和3D打印单元(12)，所述3D打印单元(12)包括运动组件、喷头模块、控制模块和稳压控制箱(15)，所述喷头模块包括喷嘴(18)及其上方的恒温搅拌室(19)，所述稳压控制箱(15)与恒温搅拌室(19)相连，在控制模块的驱动下，所述恒温搅拌室(19)和稳压控制箱(15)保持恒温搅拌室(19)中的骨生物材料在恒温、恒压状态下从喷嘴(18)中挤出，完成骨形态的打印塑形；
所述超净台单元(6)设置有容纳3D打印单元(12)的打印腔，所述打印腔的顶部设置有进气口(5)，所述打印腔的底部设置有透气导流地板(10)，加压的洁净空气从进气口(5)泵入，流经3D打印单元(12)并从透气导流地板(10)吹出，保证3D打印单元(12)的洁净；
所述稳压控制箱(15)包括恒压进气管(11)、压力导管(32)、稳压室(33)、增压室(34)、连接杆(35)、转动丝杆(36)、驱动电机(37)、滑块(38)、增压底座(39)和仪表固定架(40)，所述驱动电机(37)在控制模块的驱动下带动转动丝杆(36)转动，使得与之相连的滑块(38)向前推动连接杆(35)，导致增压室(34)增压，再经稳压室(33)稳压后通过压力导管(32)和恒压进气管(11)作用于恒温搅拌室(19)，将受热均匀的熔融骨生物材料通过喷嘴(18)挤出，所述恒压进气管(11)与压力导管(32)之间接有压力表(31)显示当前压力值，所述压力表(31)固定在仪表固定架(40)上，所述增压室(34)固定在增压底座(39)上。
2.根据权利要求1所述的骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述运动组件包括打印工作台(17)、Y轴导轨(16)、Y轴滑块(42)、Y轴驱动电机(43)、X轴控制电机(20)、X轴固定架(29)、Z轴导向轴(23)、Z轴丝杆(24)、Z轴导向套(30)、Z轴驱动电机(41)；
所述喷头模块固定在X轴固定架(29)上，所述Y轴驱动电机(43)、X轴控制电机(20)和Z轴驱动电机(41)在所述控制模块的驱动下进行转动，带动运动组件动作，从而使得喷头模块按照设定的程序完成骨形态的打印塑形。
3.根据权利要求1所述的骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述喷头模块的恒温搅拌室(19)上方还设置有恒温搅拌室盖板(21)，在所述恒温搅拌室盖板(21)上插有加热棒(22)，所述喷头模块还包括固定架(25)、搅拌电机(26)和搅拌轴(27)，所述固定架(25)用于固定安装所述搅拌电机(26)，所述搅拌轴(27)用于连接搅拌电机(26)和位于恒温搅拌室(19)内的搅拌片，所述搅拌电机(26)在控制模块的驱动下通过搅拌轴(27)带动恒温搅拌室(19)内的搅拌片转动，使得骨生物材料受热均匀。
4.根据权利要求1所述的骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述打印腔的前后分别设置有前挡板(8)和后挡板(13)，所述前挡板(8)和后挡板(13)上分别设置有第一操作通道(9)和第二操作通道(14)。
5.根据权利要求4所述的骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述打印腔的前挡板(8)和后挡板(13)上方还设置有透明挡板(4)，所述打印腔的前挡板(8)和后挡板(13)的外侧还设置有无菌挡板(2)，所述无菌挡板(2)通过无菌挡板导轨(3)活动连接在超净台单元(6)上。
6.根据权利要求1所述的骨生物材料3D生物打印装置，其特征在于，所述超净台单元(6)的底脚上设置有滚轮(1)。
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