CN105963049A - 可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统 - Google Patents

可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，它包括生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置，所述挤出驱动装置包括丝杠、驱动丝杠旋转的电机、以及电机驱动器，所述丝杠与生物针筒的轴线平行，丝杠上的滑块与生物针筒的活塞连接，所述电机驱动器包括用于在打印过程中驱动电机正转进而推动生物针筒的活塞挤出打印材料的正转控制模块、用于在打印过程中当针头经过不需要打印的地方时驱动电机反转使挤出的打印材料向针筒内回抽的反转控制模块、控制电机停转的停止控制模块、以及用于调节电机转速以调节单位时间内打印材料挤出量的速度调节模块。本系统不会造成细胞污染，能够避免拖丝，且能够修复打印失败的结构。

Description

可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统
技术领域
本发明属于生物医学领域，特别涉及一种可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统。
背景技术
3D打印起源于上世纪八十年代，又叫做增材制造，与传统的加工方式最大的区别就是传统的加工方式是将多余材料逐步减掉而完成工件加工，例如车铣刨磨等加工方式，而3D打印则通过逐渐增加材料来形成完成的结构。近几年由于电子计算机技术的飞速发展，3D建模软件以及自动切片生成路径软件的完善，而使得3D打印技术在各个领域有了新的扩展空间。而作为增材制造在生物领域的延伸和拓展，生物打印极大的丰富了3D打印的应用范围，相比于传统的生物加工方式，生物打印能够实现个性化定制，满足不同体型差异化要求；而传统的加工方式由于是工厂批量生产，没有办法解决个体差异化问题。另一方面，生物打印可以对活细胞进行精确排列，通过多种喷头联合的多种细胞的打印，可以完整的打印出器官结构模型，这为将来进行人造器官提供了极大的可能。作为生物打印里面执行增材的最关键部分，智能挤出系统尤其重要。
目前生物打印存在以下缺陷：1、挤出系统多采用气压的模式挤出，这个对于设备的要求高，需要空压机或者气瓶，占据空间较大，尤其是气体的洁净度无法保证，容易造成细胞污染。2、活塞推动的挤出结构中，只有单一的向下推动挤出，没有办法回抽，容易拖丝，使结构打印失败。3、只能定速挤出，没有办法在打印过程中无极变速调节挤出速率，结构一旦打印失败，没有办法通过改变挤出速率进行修复，使操作繁琐。4、没有独立运行(脱机)的能力，需要和电脑相连接才能工作，脱机时无法工作，不具有和三维运动平台结合实现3D打印的能力。5、针筒的夹具不具有通用性，更换针筒规格的时候需要更换夹具，过程繁琐，增加成本。6、一般采用的是加热棒加热，容易造成局部受热过高，温度不均匀，使材料的性能不均匀，易堵塞针头，在打印细胞时容易对细胞造成损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，以解决现有生物打印机存在的容易造成细胞污染、容易拖丝、无法修复打印失败的结构、成本高的问题。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，包括生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置，所述挤出驱动装置包括丝杠、驱动丝杠旋转的电机、以及电机驱动器，所述丝杠与生物针筒的轴线平行，丝杠上的滑块与生物针筒的活塞连接，所述电机驱动器包括用于在打印过程中驱动电机正转进而推动生物针筒的活塞挤出打印材料的正转控制模块、用于在打印过程中当针头经过不需要打印的地方时驱动电机反转使挤出的打印材料向针筒内回抽的反转控制模块、控制电机停转的停止控制模块、以及用于调节电机转速以调节单位时间内打印材料挤出量的速度调节模块。所述电机可以采用步进电机或者伺服电机。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述针筒固定装置包括挡板和板面相对的两个侧板，两个侧板通过可调节的螺杆连接，两个侧板均设置有纵向V形槽，生物针筒的筒身被夹持在两个侧板之间且部分筒身嵌于V形槽中，筒身的末端与所述挡板连接。该针筒固定装置能够固定不同规格的生物针筒，通用性好，简化了针筒更换过程，降低了成本。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述生物打印挤出系统还包括保温杯装置、温度传感器、循环液保温系统和上位机，所述保温杯装置包括针筒容纳腔和环绕在针筒容纳腔周围的液体循环通道，液体循环通道与循环液保温系统连接，所述温度传感器设置于所述V形槽的槽底，所述上位机与所述电机驱动器、温度传感器和循环液保温系统通讯连接。由于采用保温杯装置通过外置循环液保温系统导热，温度传输更加均匀，避免了局部过冷过热，有效克服了采用加热棒加热时温度不均匀，使材料的性能不均匀引起的易堵塞针头和在打印细胞时容易对细胞造成损伤的技术缺陷。此外，温度传感器的安装位置使得能够探测针筒表面的温度，使测温更准确。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述生物打印挤出系统实现挤出、回抽和暂停控制的模式包括手动、定时和通讯三种控制模式。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述生物打印挤出系统还包括三维运动平台，三维运动平台与所述上位机通讯连接，所述生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置安装于三维运动平台上，所述上位机通过3D打印软件控制生物针筒和三维运动平台实现生物组织打印。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述上位机包括控制循环液保温系统线性改变打印温度的模块，打印温度的调节范围为零下40度到200度。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述保温杯装置为双层金属容器，液体循环通道的进液口位于双层金属容器下部，出液口位于双层金属容器上部。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述生物打印挤出系统还包括上位机，上位机与所述电机驱动器通讯连接，由上位机控制所述电机驱动器进而控制电机驱动生物针筒实现打印材料的挤出和回抽。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，所述电机驱动器为PLC。
在上述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统中，优选地，还包括LCD显示屏。
本发明具有以下有益效果：
由于采用了上述挤出驱动装置，不但不会造成细胞污染，而且能够实现回抽和无级变速调节挤出量，从而能够避免拖丝，能够修复打印失败的结构。同时，其电机驱动器能够独立(不连接上位机)控制实现挤出、回抽、停止以及控制挤出速度，该打印挤出系统可以安装于常规的三维运动平台(如机床、铣床、车床、三维滑台、雕刻机、龙门架等具有三维运动功能的平台)上组装成生物打印机，降低了投资成本和生物打印准入门槛。
附图说明
图1为一些实施例可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统的示意图；
图2为图1中A-A界面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一些实施例可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统包括生物针筒7、针筒固定装置以及挤出驱动装置。挤出驱动装置包括丝杠2、驱动丝杠2旋转的电机1、以及电机驱动器300。丝杠2与生物针筒7的轴线平行。丝杠2上设置滑块3，丝杆2正转时滑块3沿丝杆2向丝杆2一端滑动，反之，丝杆2反转时滑块3向丝杆2另一端滑动。生物针筒7的活塞通过固定件4与滑块3连接。电机驱动器300包括：用于在打印过程中驱动电机1正转进而推动生物针筒7的活塞挤出打印材料的正转控制模块；用于在打印过程中当针头经过不需要打印的地方时驱动电机1反转使挤出的打印材料向针筒7内回抽的反转控制模块，控制电机1停转的停止控制模块，以及用于调节电机转速以调节单位时间内打印材料挤出量的速度调节模块。电机1可以采用步进电机，也可以采用伺服电机。
相较于采用气压模式挤出的生物打印机。上述生物打印挤出系统采用了由电机1、丝杠2和滑块3、电机驱动器300等构成的挤出驱动装置，没有使用气体驱动，不用担心气体对细胞造成污染。同时，通过反转控制模块使得在三维打印过程中，在快速移动、不需要打印的地方，执行回抽命令，能够避免拖丝，提高打印质量。此外，还可以通过控制电机转速方便地实现无级变速调节挤出量，进而能够修复打印失败的结构。
电机驱动器300能够独立(不连接上位机100)控制实现挤出、回抽、停止以及控制挤出速度。将上述打印挤出系统安装于常规的三维运动平台(如机床、铣床、车床、三维滑台、雕刻机、龙门架等具有三维运动功能的平台)上就可以组装成简易的生物打印机，相较于现有的专用生物打印机，能够大大降低投资成本。
参照图1和图2，针筒固定装置包括挡板5以及板面相对的两个侧板6、8，两个侧板6、8通过可调节的螺杆(图中未示出)连接，两个侧板6、8均设置有纵向V形槽，生物针筒7的筒身被夹持在两个侧板6、8之间且部分筒身嵌于V形槽中，筒身的末端与所述挡板5连接。上述构造的针筒固定装置能够固定不同规格的生物针筒，通用性好，简化了针筒更换过程，降低了成本。使用时，通过调节螺杆调整两个侧板6、8的间距将生物针筒7夹持固定，挡板5则限制针筒不会上下移动。可以采用灭菌包装的注射器代替生物针筒7，进一步减少生物打印过程中染菌概率。
一些实施例的生物打印挤出系统进一步还包括保温杯装置10、温度传感器9、循环液保温系统400和上位机100。保温杯装置10包括针筒容纳腔和环绕在针筒容纳腔周围的液体循环通道，液体循环通道与循环液保温系统400连接，温度传感器9设置于构成针筒固定装置的侧板6的V形槽的槽底。上位机100与电机驱动器300、温度传感器9和循环液保温系统400通讯连接。温度传感器9给予温度反馈，循环液保温系统400执行调整温度命令。循环液从循环液保温系统5中从智能挤出保温杯模块10的底部进入，再上面流出到循环液保温系统5。相较于加热棒加热方式，上述生物打印挤出系统采用保温杯装置10通过外置循环液保温系统400导热，温度传输更加均匀，避免了局部过冷过热引起的易堵塞针头的问题，也避免了在打印细胞时容易对细胞造成损伤的问题。此外，温度传感器的安装位置使得能够探测针筒7表面的温度，使测温更准确。
一些实施例中，生物打印挤出系统实现挤出、回抽和暂停控制的模式包括手动、定时和通讯三种控制模式。手动控制可以实现随时执行挤出、暂停、回抽命令，可以实现不同速度单位下的无极变速调节，毫米每秒(0.01mm/s-0.21mm/s)，毫米每分钟(0.01mm/m-12.50mm/m)，毫米每小时(0.01mm/h-99.99mm/h)。定时工作时可以设定连续工作时间最长为17个小时。通讯控制模式是指由上位机100实现控制的控制模式，与上位机100连接(联机)工作时，电机驱动器300接收来自上位机100的正传、反转、暂停脉冲信号，执行挤出、回抽和暂停动作，循环液保温系统400接收来自上位机100的温度指令，调控保温杯模块10中的温度，并且通过温度传感器9得到温度反馈，整个智能生物打印挤出系统可以在3D打印软件的配合下，可以按照需要执行在不同温度下的打印命令。
进一步，上述生物打印挤出系统还可以包括三维运动平台，将三维运动平台与所述上位机通讯连接，所述生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置安装于三维运动平台上，所述上位机通过3D打印软件控制生物针筒和三维运动平台实现生物组织打印。
上位机100进一步还包括用于控制循环液保温系统400线性改变打印温度的模块，打印温度的调节范围为零下40度到200度。
上述保温杯装置10可以是双层金属(不锈钢、铝合金、铜)容器，液体循环通道的进液口位于双层金属容器下部，出液口位于双层金属容器上部。
电机驱动器300可以为PLC(可编程逻辑控制器)，也可以是单片机。当没有上位机100，仅仅用电机驱动器300控制时，最好设置LCD显示屏200，以显示速度等信息。
本发明中所述的打印材料指生物材料、细胞或者细胞+生物材料。
上述生物打印挤出系统用电机1、丝杠2和滑块3推动针筒7的活塞将生物材料或者活细胞从下面挤出。整个生物打印挤出用循环液来控制温度，可以实现-40度到200度的打印。除了在常温下打印具有剪切稀化特性的材料外，可以打印温敏性生物材料；对于活细胞打印，可以使温度精确到0.01度，避免过低或者过高的温度对细胞造成的损伤。

Claims (10)

1.一种可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，包括生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置，其特征在于：所述挤出驱动装置包括丝杠、驱动丝杠旋转的电机、以及电机驱动器，所述丝杠与生物针筒的轴线平行，丝杠上的滑块与生物针筒的活塞连接，所述电机驱动器包括用于在打印过程中驱动电机正转进而推动生物针筒的活塞挤出打印材料的正转控制模块、用于在打印过程中当针头经过不需要打印的地方时驱动电机反转使挤出的打印材料向针筒内回抽的反转控制模块、控制电机停转的停止控制模块、以及用于调节电机转速以调节单位时间内打印材料挤出量的速度调节模块。
2.如权利要求1所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述针筒固定装置包括挡板和板面相对的两个侧板，两个侧板通过可调节的螺杆连接，两个侧板均设置有纵向V形槽，生物针筒的筒身被夹持在两个侧板之间且部分筒身嵌于V形槽中，筒身的末端与所述挡板连接。
3.如权利要求2所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述生物打印挤出系统还包括保温杯装置、温度传感器、循环液保温系统和上位机，所述保温杯装置包括针筒容纳腔和环绕在针筒容纳腔周围的液体循环通道，液体循环通道与循环液保温系统连接，所述温度传感器设置于所述V形槽的槽底，所述上位机与所述电机驱动器、温度传感器和循环液保温系统通讯连接。
4.如权利要求3所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述生物打印挤出系统实现挤出、回抽和暂停控制的模式包括手动、定时和通讯三种控制模式。
5.如权利要求3所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述生物打印挤出系统还包括三维运动平台，三维运动平台与所述上位机通讯连接，所述生物针筒、针筒固定装置以及挤出驱动装置安装于三维运动平台上，所述上位机通过3D打印软件控制生物针筒和三维运动平台实现生物组织打印。
6.如权利要求3所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述上位机包括控制循环液保温系统线性改变打印温度的模块，打印温度的调节范围为零下40度到200度。
7.如权利要求3所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述保温杯装置为双层金属容器，液体循环通道的进液口位于双层金属容器下部，出液口位于双层金属容器上部。
8.如权利要求1所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述生物打印挤出系统还包括上位机，上位机与所述电机驱动器通讯连接，由上位机控制所述电机驱动器进而控制电机驱动生物针筒实现打印材料的挤出和回抽。
9.如权利要求1所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：所述电机驱动器为PLC。
10.如权利要求1所述的可以实时无级变速调节挤出量的智能生物打印挤出系统，其特征在于：还包括LCD显示屏。
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