CN106515009B - 一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置，包括用于按照预设进给量排出熔融材料的给料针筒和用于吸引其排出的熔融材料并凝聚成泰勒锥的射流针头，以及设置于射流针头下方并按照预设路径在水平面内移动的打印板；打印板的底部设置有极性板，射流针头带有极性，且极性板与射流针头的极性相反，打印板接地。如此，由于熔融材料首先在给料针筒中熔融并排出，再由射流针头所吸引并凝聚，最后再对其赋予极性并定向喷射，避免了在射流针头中通过电加热方式对熔融材料进行加热的过程，消除了射流针头末端处熔融材料的电荷扰动，有利于射流激发后直径趋向于稳定，进而削弱射流激发过程中的鞭动现象，提高了射流落点的准确度和生物支架的打印精度。

Description

一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置

技术领域

本发明涉及组织工程和3D打印技术领域，特别涉及一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置。

背景技术

自组织工程的概念被提出后，随着静电纺丝的理论不断地被完善丰富，纺丝技术不断地得到改进，生物学家越发地坚定未来的器官组织移植的源少排斥反应大等难题将会由人造的无毒无排斥反应的组织器官解决。

组织工程的原理为：从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将细胞(又称种子细胞)从组织中分离出来在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解性和可吸收的生物材料(支架)按一定的比例混合，使细胞黏附在生物材料(支架)上形成细胞-材料复合物。将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。

生物材料支架所形成的三维结构不但为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个良好的环境。组织工程学的发展提供了一种组织再生的技术手段，将改变外科传统的“以创伤修复创伤”的治疗模式，迈入无创伤修复的新阶段。所谓的组织工程的三要素或四要素，主要包括种子细胞、生物材料、细胞与生物材料的整合以及植入物与体内微环境的整合。

支架在组织工程中有着至关重要的作用，需具备以下几个特点：

(1)具有较高的孔隙率和内部连通的三维网状结构，可以为细胞的黏附提供支撑点，并便于营养物质和代谢废物的运输；(2)具有良好的生物相容性、可控的降解性和可吸收性，可加工为三维结构；(3)具有适当的表面化学性质，以利于细胞的黏附、增殖、分化；(4)可根据不同组织的要求，调控合适的力学性能。

目前，常用的组织工程细胞支架制备工艺组要分为致孔法和冷冻干燥技术和静电纺丝工艺三大类。前两种均为通过平面培养组织细胞，具有较高的培养失败率与不可以移植性。而传统的溶液电纺制备的生物支架存在着有毒溶剂残留和回收成本高等问题限制了其在生物医学领域的应用。

近年来，熔融电纺被看作最理想的生物支架制作方法，原因在于其无毒性以及理论上纤维的直径的可控性。然而，现有技术中的熔融电纺装置，由于其熔融材料在射流针头中通过电加热方式实现熔融，电热的影响容易造成射流针头末端处的熔融材料产生电荷扰动，射流激发过程中存在鞭动现象，射流落点不稳定，导致打印偏差较大，成品质量较低。

因此，如何克服熔融材料在射流针头末端的电荷扰动，避免射流激发过程发生鞭动现象，提高射流落点准确度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置，能够克服熔融材料在射流针头末端的电荷扰动，避免射流激发过程发生鞭动现象，提高射流落点准确度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置，包括用于按照预设进给量排出熔融材料的给料针筒和用于吸引其排出的熔融材料并凝聚成泰勒锥的射流针头，以及设置于所述射流针头下方并按照预设路径在水平面内移动的打印板；所述打印板底部设置有极性板，所述射流针头带有极性，且所述极性板与射流针头的极性相反，所述打印板接地。

优选地，所述给料针筒的出料口邻近所述射流针头的针尖，且两者间距在2～4mm内。

优选地，还包括与所述给料针筒相连、用于对其排出的熔融材料赋予极性的电源件，且所述给料针筒排出的熔融材料与所述射流针头的极性相反。

优选地，所述射流针头垂直于所述打印板的表面。

优选地，所述射流针头具体为钨针头。

优选地，所述打印板具体为绝缘板。

优选地，所述射流针头的极性为负，且所述极性板的极性为正。

本发明所提供的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，主要包括给料针筒、射流针头、打印板和极性板。其中，给料针筒内盛装有加热到一定温度的熔融材料，主要用于在作业时按照预设进给量逐渐排出熔融材料。射流针头设置在给料针筒附近，并且射流针头的针尖朝向给料针筒的出料口，主要用于在给料针筒排出熔融材料时，将熔融材料吸引到自身的针尖上，并在吸引一定量熔融材料之后凝聚形成泰勒锥。打印板设置在射流针头下方，主要用于接收来自射流针头的射流，在作业时，打印板按照预设路径在水平面上移动。极性板设置在打印板的底部，其自身带有电荷，呈极性，同时射流针头也带有极性，并且两者的极性相反，而打印板接地，不呈极性。如此，本发明所提供的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，在进行作业时，射流针头和极性板由于均呈极性且相反，因此在两者之间形成电场。给料针筒按照预设进给量逐渐排出熔融材料，射流针头将熔融材料吸引到针尖上，使得该部分熔融材料也带上了和自身相同的极性，一定时间后在电场力的作用下，凝聚在射流针头的针尖上的“液滴”被拉长形成泰勒锥。之后，带有极性的熔融材料在电场力和重力的作用下形成射流，从射流针头中喷射出，并撞击到打印板上，射流在打印板上消除极性并成型。而打印板按照预设路径在水平面内移动，如此通过FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型)技术层层逐渐打印出生物支架所需结构。期间，由于熔融材料首先在给料针筒中熔融并排出，再由射流针头所吸引并凝聚，最后再对其赋予极性并定向喷射，避免了在射流针头中通过电加热方式对熔融材料进行加热的过程，因此消除了射流针头末端处的熔融材料由于射流针头进行电加热造成的电荷扰动，有利于射流激发后的直径趋向于稳定，进而大幅削弱了射流激发过程中的鞭动现象，提高了射流落点的准确度和生物支架的打印精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

其中，图1中：

给料针筒—1，射流针头—2，打印板—3，极性板—4，电源件—5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，熔融电纺射流激发稳定性改善装置主要包括给料针筒、射流针头、打印板和极性板。

其中，给料针筒内盛装有加热到一定温度的熔融材料，主要用于在作业时按照预设进给量逐渐排出熔融材料。一般的，该给料针筒可呈圆筒状，并且为了方便内部盛装的熔融材料排出，可在筒状结构上设置直径较小的管状结构，专用于按照预设进给量排出熔融材料。

射流针头设置在给料针筒附近，并且射流针头的针尖朝向给料针筒的出料口，主要用于在给料针筒排出熔融材料时，将熔融材料吸引到自身的针尖上，对其赋予与自身相同的极性，并在吸引一定量熔融材料之后凝聚形成泰勒锥。

打印板设置在射流针头下方，主要用于接收来自射流针头的射流，在作业时，打印板按照预设路径在水平面上移动，从而使得接收的射流在其表面上形成预设的平面图形。如此射流层层打击在打印板上，射流中的熔融材料逐渐堆叠，并最终形成三维立体结构。

极性板设置在打印板的底部，比如可紧贴在其底部等，极性板其自身带有电荷，呈极性，同时射流针头也带有极性，并且两者的极性相反，而打印板接地，不呈极性，比如，可将射流针头的极性设置为负，同时将极性板的极性设置为正，具体可通过电源件等部件将其负极与射流针头相连，同时正极与极性板相连。当然，极性板与射流针头的极性设置与上述刚好相反也同样可行，均能够使射流在电场力的作用下朝向打印板而运动。

如此，本发明所提供的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，在进行作业时，射流针头和极性板由于均呈极性且相反，因此在两者之间形成电场。给料针筒按照预设进给量逐渐排出熔融材料，射流针头将熔融材料吸引到针尖上，使得该部分熔融材料也带上了和自身相同的极性，一定时间后在电场力的作用下，凝聚在射流针头的针尖上的“液滴”被拉长形成泰勒锥。之后，带有极性的熔融材料在电场力和重力的作用下形成射流，从射流针头中喷射出，并撞击到打印板上，射流在打印板上消除极性并成型。而打印板按照预设路径在水平面内移动，如此通过FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积成型)技术层层逐渐打印出生物支架所需结构。

作业期间，由于熔融材料首先在给料针筒中熔融并排出，再由射流针头所吸引并凝聚，最后再对其赋予极性并定向喷射，避免了在射流针头中通过电加热方式对熔融材料进行加热的过程，因此消除了射流针头末端处的熔融材料由于射流针头进行电加热造成的电荷扰动，有利于射流激发后的直径趋向于稳定，进而大幅削弱了射流激发过程中的鞭动现象，提高了射流落点的准确度和生物支架的打印精度。

在关于给料针筒和射流针头的一种优选实施方式中，给料针筒的出料口与射流针头的针尖邻近，并且两者的间距范围处于2～4mm内，比如2、3、4mm等。如此设置，可提高射流针头对给料针筒中排出的熔融材料的吸引力和吸引速度，同时又可避免间距过大造成的吸引力不够导致熔融材料直接掉落等情况，或者间距过小造成的给料针筒直接与射流针头相连导致无法凝聚成泰勒锥的情况。

而在关于射流针头吸引熔融材料的一种优选实施方式中，射流针头可通过极性吸引力实现对熔融材料的吸引。具体的，本实施例中增设了电源件，该电源件与给料针筒相连，但不是将给料针筒赋予极性，而是主要对给料针筒排出的熔融材料赋予极性，并且重要的是，给料针筒排出的熔融材料被赋予的极性需要与射流针头的极性相反，比如电源件的正极可与给料针筒相连，使得熔融材料带上正电，同时电源件的负极可与射流针头相连，使其带上负电等。如此，由于射流针头的针尖与给料针筒的出料口相邻地足够近，而射流针头的极性与给料针筒排出的熔融材料的极性又相反，因此从给料针筒的出料口处排出的熔融材料能够迅速被射流针头所吸引，并迅速聚集在射流针头的针尖上。另外，虽然通过电源件为给料针筒排出的熔融材料赋予了极性，但是该极性是暂时性的，当该部分熔融材料脱离给料针筒而被吸引到射流针头上之后，其极性即表现为射流针头的极性。

需要说明的是，射流针头吸引给料针筒排出的熔融材料的方式，并不仅限于上述两者呈不同的极性通过正负极性相吸的方式完成，还可以通过微型风机对给料针筒的出料口进行精确送风以将其粘在射流针头上的方式实现。

另外，为尽量避免环境因素对射流稳定性的影响，可将射流针头垂直设置于打印板的表面上方，如此，凝聚成泰勒锥的熔融材料在喷射过程中，由于重力比重较大，且其方向垂直于打印板，因此可利用重力尽量修正其运动轨迹不稳定的影响。当然，若极性板与射流针头间的电场力足够强大时，也可将射流针头倾斜一定角度设置。

此外，还可将射流针头设置为钨针头，如此一方面可提高射流针头对熔融材料的耐热性和耐腐蚀性，另一方面钨针头的密度较低，质量较轻，可尽量减少自身质量对凝聚在其针尖处的泰勒锥的阻力影响。

不仅如此，考虑到极性板设置在打印板的底部，而打印板的主要作用之一为通过接地消除射流的极性，为此，可直接将打印板设置为绝缘板。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，包括用于按照预设进给量排出熔融材料的给料针筒(1)和用于吸引其排出的熔融材料并凝聚成泰勒锥的射流针头(2)，以及设置于所述射流针头(2)下方并按照预设路径在水平面内移动的打印板(3)；所述打印板(3)的底部设置有极性板(4)，所述射流针头(2)带有极性，且所述极性板(4)与射流针头(2)的极性相反，所述打印板(3)接地。

2.根据权利要求1所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，所述给料针筒(1)的出料口邻近所述射流针头(2)的针尖，且两者间距在2～4mm内。

3.根据权利要求2所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，还包括与所述给料针筒(1)相连、用于对其排出的熔融材料赋予极性的电源件(5)，且所述给料针筒(1)排出的熔融材料与所述射流针头(2)的极性相反。

4.根据权利要求3所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，所述射流针头(2)垂直于所述打印板(3)的表面。

5.根据权利要求4所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，所述射流针头(2)具体为钨针头。

6.根据权利要求5所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，所述打印板(3)具体为绝缘板。

7.根据权利要求1-6任一项所述的熔融电纺射流激发稳定性改善装置，其特征在于，所述射流针头(2)的极性为负，且所述极性板(4)的极性为正。