CN110625924A - 用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统及监控方法，该监控系统包括用于对制造过程进行监控的监控模块，对监控信息进行采集和分析的处理模块，以及电喷制造控制器；监控模块包括至少两个数字显微摄像头，以分别监控从喷针喷出的电喷射流和基板上支架制造过程中的纤维沉积层；处理模块包括用于采集射流图像和纤维沉积图像的采集模块，以及用于识别电喷射流形态特征和纤维沉积层形貌特征的图像分析模块；电喷制造控制器根据处理模块的反馈信息，对电喷微纳生物支架制造装置和监控系统进行调控。整体设备结构简单，以合理的成本实现微纳生物支架制造各步骤的全覆盖、不间断监控，设备性价比高。

Description

用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统及监控方法

技术领域

本发明涉及一种用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统及监控方法，属于微纳米纤维支架制造工程领域。

背景技术

人体组织的细胞尺寸范围为几微米到几十微米。为了向药物筛选、组织工程和再生医学等应用提供接近人体细胞外间质的三维微环境以利于细胞三维繁殖培养，具有多样性孔径和孔形的微纳米级拓扑结构的电喷生物仿生支架成为研究热点。该支架应用移动路径导向的微米到纳米级的定向纤维，层层堆积制备。然而，电喷微射流的复杂属性以及生物支架微形貌的高要求增加了支架制造的难度。电喷微纳生物支架的制造受到喷针与基板之间的距离和电压、溶液进给速度、射流在飞行中的拉伸、基板移动速度、温度和湿度等多种参数的影响，并且该过程一般持续二至四小时，其间，生物支架结构的复杂性、溶液的不均匀性、环境扰动等不稳定因素，都会直接影响微纳支架的表面形貌，导致制造支架的微纳精准度降低、不同支架批次之间的可比性差。

现有生物微纳支架制造设备的监控方法，一种是应用高速相机对准高分子材料溶液喷头出口处的形态（泰勒锥）进行连续图像采集；再者是采用高清摄像方式监测纤维沉积层表面的成型效果，提示流涎、断丝等缺陷。这些常用监测方法的缺点是成本过高，且监控区域有限。由于电喷生物支架制造中采用高粘度流体，射流速度为50-400mm/s，所以性能可靠、价格适中的数字电子显微摄像头足以对微纳尺度的射流形态和纤维沉积过程进行清晰的捕捉，从而实现支架制造过程中，对射流到沉积实时全面监控。在此基础上，发展射流图像检测模块和纤维沉积图像检测模块，根据检测结果，进而自动调整电喷射流参数、沉积参数。

此外，电喷过程中的环境参数如温度和湿度直接影响电喷支架的制造。针对温湿度的调整，大多数生物支架制造设备只对温度进行了单点采集与控制，偶尔对湿度进行简单的人工干预，这种简单调控不利于微纳尺度生物支架的高精度制造；而带有压缩机的专用温湿度检测控制装置结构复杂且造价昂贵，不利于推广使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统及监控方法，在降低生物支架制造监控成本的同时有效地提升生物支架制造的精度与可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，所述电喷微纳生物支架制造装置包括高精度移动平台、设置在所述高精度移动平台上的基板、设置在所述基板上方的喷针和电喷生物高分子溶液进给单元、高压电源以及电喷制造控制器；

所述监控系统包括用于对制造过程进行监控的监控模块，以及对监控信息进行采集和分析的处理模块；所述监控模块包括至少一个对准所述喷针设置的第一数字显微摄像头和至少一个对准所述纤维沉积基板设置的第二数字显微摄像头，以分别监控从所述喷针喷出的电喷射流和基板上纤维沉积过程中的沉积层；

所述处理模块包括用于采集射流图像和纤维沉积图像的采集模块，以及用于识别所述电喷射流形态特征和沉积层形貌特征的图像分析模块；

所述电喷制造控制器连接所述高精度移动平台、电喷生物高分子溶液进给单元、高压电源和监控模块，所述控制器内设有调节模块，所述调节模块根据所述处理模块的反馈信息，对所述电喷微纳生物支架制造装置和参数进行调控。

进一步地，所述处理模块设置在所述电喷制造控制器内，所述图像分析模块包括射流图像分析模块和沉积图像分析模块；所述射流图像分析模块分析所述射流图像，包括自动识别所述电喷射流形态特征，即泰勒锥形态；所述沉积图像分析模块检测分析所述沉积层形貌特征，包括自动识别和提取沉积层的纤维直径、孔径和沉积图案。

进一步地，所述泰勒锥形态包括破损、放电、干燥、过大、过小、分叉、半月形和标准，所述射流图像分析模块将所述电喷射流自动归类为所述泰勒锥形态中的任一种。

进一步地，所述沉积图像分析模块将所述沉积层形貌特征自动归类为直径过大、直径过小、断丝、流涎、图案不符或标准中的任一种。

进一步地，所述调节模块根据所述图像分析模块的分析结果对所述高精度移动平台、电喷生物高分子溶液进给单元、电源或监控模块中的一个或多个机构进行操控。

进一步地，所述调节模块包括电喷射流参数调节模块，所述电喷射流参数调节模块实现喷针与基板之间的距离控制、电压控制、进给速度控制、温湿度控制和工艺开关作用。

进一步地，所述监控系统还包括设置在所述电喷微纳生物支架制造装置内的温湿度传感器组网，所述电喷射流参数调节模块采用空间分布式检测，利用所述温湿度传感器组网自动形成可转换的制造区域空间均值信号。

进一步地，所述调节模块包括沉积参数调节模块，所述沉积参数调节模块实现高精度移动平台中沉积基板移动速度与路径的实时状态读取与控制，以及工艺开关作用。

进一步地，所述高精度移动平台选自四轴移动平台或六轴移动平台。

本发明还提供一种电喷微纳生物支架制造的监控方法，其采用所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，所述监控方法包括以下步骤：

启动所述监控模块，第一数字显微摄像头对准所述喷针的出口，以监控所述电喷射流，第二数字显微摄像头对准所述高精度移动平台中沉积基板，以监控纤维沉积中当前的沉积层；

电喷制造控制器内的处理模块采集并分析所述监控模块的图像信息，自动识别所述电喷射流形态特征和沉积层形貌特征，并将分析结果发送给调节模块；

控制器内的调节模块根据所述分析结果对电喷射流参数和纤维沉积参数进行调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.整体设备结构简单，以合理的成本实现微纳生物支架制造各步骤的全覆盖、不间断监控，设备性价比高；

2.基于图像识别和空间分布式环境参数检测的监控精准度高，可以根据微纳支架制造过程的监控信息，运用射流图像分析模块和沉积纤维图像分析模块，发展制造过程的快速调整，从而提高不同批次生物支架之间的重复性和可比性；

3.利用传感器组网进行制造空间自动均值检测并转换信号传输，降低空间检测误差和信号传输干扰误差；

4.结合实验发现仅需要进行加热和加湿处理，温湿度控制去除了不必要的制冷与除湿装置，大大降低设备成本，降低了循环气流对射流飞行的影响；

5.能够准确判断不适合继续制造的状态并自动中断制造过程，避免大量的时间损失和材料浪费，促进电喷微纳生物支架从试验性制造转向批量化工业生产；

6.在制造出现异常状况或完成时自动切断高压电源输出，提高微纳制造的安全性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的电喷微纳生物支架制造装置的结构示意图；

图2展示了常见的八种泰勒锥类型示意图；

图3为本发明一实施例中电喷生物支架制造中的沉积纤维形貌数字显微照片；

图4为本发明一实施例中实时监控方法中的射流图像监控线框图；

图5为本发明一实施例中实时监控方法中的沉积纤维监控线框图；

图6为本发明一实施例中实时监控方法中的高压电场控制线框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。

本发明的监控系统用于电喷微纳尺度生物支架制造，该制造过程主要包括电喷射流和纤维沉积两个过程。在电喷微纳生物支架制造装置内设有监控系统，其采用至少两个数字显微摄像头对电喷射流（对准喷针装置及其所喷出来的溶液细丝）和纤维沉积（对准纤维沉积中的当前沉积层）两个区域分别进行监控，通过数字显微摄像头进行图像采集和分析，应用图像处理模块分析采集图像，进而触发控制器内的调节模块对电喷生物支架制造进行调控。

参见图1，本发明一较佳实施例所示的电喷生物支架制造装置包括恒温恒湿箱1，设置在恒温恒湿箱1内的高压电源2、生物高分子溶液进给单元3、喷针4、四轴移动平台5、基板6、第一数字显微摄像头7、第二数字显微摄像头8、加热装置（未图示）、加湿装置（未图示）、温湿度传感器组网（未图示），以及设置在恒温恒湿箱1外的控制器9。所述基板6设置在四轴移动平台5上，四轴移动平台5带动该基板6在水平面方向上进行移动，诚然，在其他实施例中，还可以采用三轴移动平台。所述生物高分子溶液进给单元3设置在基板6的上方，且与喷针4连接。所述高压电源2与生物高分子溶液进给单元3和四轴移动平台5连接并提供电能。所述电喷制造控制器9与生物高分子溶液进给单元3、高压电源2、四轴移动平台5、加热装置、加湿装置以及温湿度传感器组网连接，以起到控制作用。第一数字显微摄像头7和第二数字显微摄像头8组成监控系统中的监控模块，其中，第一数字显微摄像头7设置在喷针4附近，用于监控电喷射流区域；第二数字显微摄像头8设置在基板6的上方，用于监控沉积纤维区域。由于生物支架制造中采用高粘度流体，射流速度为50~400mm/s，所以性能可靠、价格适中的数字电子显微摄像头足以对射流形态和纤维沉积进行清晰的捕捉。再运用图像采集分析，融合两区域的监控信息，实现支架制造中从射流到沉积的全面分析监控。

本实施例中，四轴高精度移动平台5的载物台移动速度设置为50 mm/s~300 mm/s；喷针4的喷口到基板6顶面之间的距离设定为1.5 mm~5.0 mm；高压电源2输出电压为1.0 kV~5.0 kV；溶液进给单元3的溶液进给速率为0.1 μL/min~10.0 μL/min。所述电喷射流的泰勒锥宽度在50~300µm之间可调，射流总长度在1.5 mm~5.0 mm之间可调，射流速度在50 mm/s~300 mm/s之间可调。所述沉积纤维直径在200nm~40µm之间可调，沉积纤维结构的孔径在100~400µm之间可调，沉积纤维结构的厚度在50~500µm之间可调，沉积图案为四边形、三角形、五边形、六边形以及螺旋线等。

在电喷制造控制器9内设有检测模块和调节模块，检测模块与监控模块组成监控系统。具体的，检测模块包括图像采集模块和图像分析模块，其中，图像采集模块用于采集所述第一数字显微摄像头7所监控的射流图像，以及第二数字显微摄像头8所监控的纤维沉积图像，并将所述射流图像和纤维沉积图像输送给所述图像分析模块进行检测分析。调节模块再根据所述图像分析模块的分析结果对所述四轴移动平台5、生物高分子溶液进给单元3、高压电源2、监控模块、加热装置、加湿装置中的一个或多个机构进行操控。

具体的，上述的监控系统中，图像采集模块从第一数字显微摄像头7得到射流图像，图像分析模块中的射流图像分析模块对由于背景、光线、拍摄角度、操作等因素造成的图片质量退化现象进行锐化增强、变换、平滑去噪、滤波处理，对喷头处液滴进行阈值分割和边缘提取，进而完成泰勒锥周长、锥心、面积和射流直径等特征的提取。将所识别到的泰勒锥形态自动分为如图2所示的八类：破损、放电、干燥、过大、过小、分叉、半月形、标准，建立相应的标记数据集合。其中，过大是指泰勒锥长宽比大于等于2.0，过小是指泰勒锥长宽比为0.5~0.9。其分类结果供调节模块中的电喷射流参数调节模块使用。电喷射流参数调节模块，包括喷针与基板之间的距离控制、高压输出控制、溶液进给速度控制、温湿度实时检测与调节。根据所述射流泰勒锥形态分类结果自动调节各参数，即喷针与基板间的距离、高压电场电压、溶液进给速率、温度、湿度；或在必要时中止当前支架的制造，避免不合格支架的产生。

如图4所示，所述电喷参数调节模块根据所述射流图像分析模块对射流图像的分析结果，判断锥体和射流是否适合支架制造，进而调节电喷射流参数，即喷针与沉积基板的距离、溶液进给速率、电场电压、温度、湿度。具体地，如图2所示，如果对泰勒锥的图像识别结果为破损、放电、分叉或半月形，则立即切断高压电场，暂停制造，待造成破损、放电或半月形的原因被排除后再恢复该支架的制造过程；如果对泰勒锥的图像识别结果为过大、过小，则适度调节电场电压；如果对泰勒锥的图像识别结果为干燥，则相应地提高环境湿度；如果对泰勒锥的图像识别结果为标准，则按照既定参数继续制造。

上述的电喷射流参数中环境参数（即温度、湿度）的调节，与其相关的装置为恒温恒湿箱，由于生物支架制造特性要求，其主要工况为加热与加湿。所述加热装置由普通的电热元件实现，如加热丝或白炽灯，所述加湿装置由普通的加湿元件实现，如空气加湿器，所述加热、加湿元件选择范围宽泛的优点是降低成本。所述加热、加湿元件的驱动由可控硅实现。而所述温湿度调节效果由闭环控制保证，即实时检测温湿度并反馈给可控硅控制器。所述可控硅控制器根据所述实时检测值来自动调整施加于加热、加湿元件上的输出功率。

发明人通过实验发现，所述温度调节，其范围为室温18~40.0℃，检测精度为0.1℃，实际温度控制的稳定性为波动峰值不超过1.5℃，温度控制响应时间为每提升1℃不超过一分钟。以室温25℃、目标温度30℃，加热元件为两只功率为275W的白炽灯为例，其温控响应时间不超过8分钟。所述湿度调节，其控制范围为40%RH~80%RH，控制精度为5%RH，以加湿元件为功率70W、出雾量800mL/H的普通空气加湿器在室温25℃条件下为例，其控制响应时间为湿度每提升5%RH所需时间不超过一分钟。

本实施例中，所述温湿度实时检测，采用空间分布式检测取代传统的单点检测，由四颗同类传感器沿射流与沉积区域周围空间布置并组网连接形成电桥，实现对制造区域的温湿度检测，并由于组网特性而无需在信号转换器内再计算处理，自动生成均值，既降低了成本，又避免了单点温湿度检测的缺点。所述均值信号经过信号转换器转换为4~20mA电流信号传入可控硅控制器，以利于防电磁干扰传输。所述温度检测的精度为0.1℃，所述湿度检测的精度为5%RH。

如图5所示，图像采集模块从第二数字显微摄像头8得到沉积纤维图像，图像分析模块中的沉积图像分析模块自动识别和提取沉积层纤维直径、孔径和沉积图案等形貌特征，如图3所示，并将图像分析结果自动归类为直径过大、直径过小、断丝、流涎、图案不符、标准，其结果供调节模块中的沉积参数调节模块使用。所述沉积参数调节模块，包括高精度移动平台中沉积基板移动速度与路径的实时状态读取与控制调节单元。根据纤维沉积图像识别分类结果自动调节沉积参数（即高精度移动平台中沉积基板的移动速度和路径），以提高生物支架制造的一致性和可比性；或在必要时中止当前支架的制造，避免不合格支架的产生。具体地，如果沉积图像分析结果为沉积纤维直径过大或过小，则自动调整高精度移动平台中沉积基板移动速度；如果纤维沉积图案与设计预期不符，则调整高精度移动平台中沉积基板的移动路径和速度；如果沉积图像分析结果为断丝等，则需暂停当前制造步骤；如果沉积图像分析结果与标准图像相符，则按照既定参数继续制造。

如图6所示，调节模块中还根据需要还设有高压电场控制模块，其根据射流图像和沉积纤维图像分析的结果，决定是否切断、调节或维持当前的高压电源输出。所述高压电场控制模块；在生物支架正常制造的过程中，维持高压电源输出或根据图像分析结果自动调节高压电源输出；在电流异常、制造暂停或制造完成时，立即自动切断高压电源输出，以保证安全。所述高压电场控制，以切断高压电源输出为例，其控制响应时间约20ms。所述高压电源，以输出3.0kV为例，其输出端口在执行切断命令后1秒内电压由3.0kV将为1.0kV，降约66%。

综上所述：

整体设备结构简单，以合理的成本实现微纳生物支架制造各步骤的全覆盖、不间断监控，设备性价比高；

基于图像识别和空间分布式环境参数检测的监控精准度高，可以根据微纳支架制造过程的监控信息，运用射流图像分析模块和沉积纤维图像分析模块，发展制造过程的快速调整，从而提高不同批次生物支架之间的重复性和可比性；

利用传感器组网进行制造空间自动均值检测并转换信号传输，降低空间检测误差和信号传输干扰误差；

结合实验发现仅需要进行加热和加湿处理，温湿度控制去除了不必要的制冷与除湿装置，大大降低设备成本，降低了循环气流对射流飞行的影响；

能够准确判断不适合继续制造的状态并自动中断制造过程，避免大量的时间损失和材料浪费，促进电喷微纳生物支架从试验性制造走向批量化工业生产；

在制造出现异常状况或完成时自动切断高压电源输出，提高微纳制造的安全性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，所述电喷微纳生物支架制造装置包括高精度移动平台、设置在所述高精度移动平台上的基板、设置在所述基板上方的喷针和电喷生物高分子溶液进给单元、高压电源以及电喷制造控制器；其特征在于：

所述监控系统包括用于对制造过程进行监控的监控模块，以及对监控信息进行采集和分析的处理模块；所述监控模块包括至少一个对准所述喷针设置的第一数字显微摄像头和至少一个对准所述纤维沉积基板设置的第二数字显微摄像头，以分别监控从所述喷针喷出的电喷射流和基板上纤维沉积过程中的沉积层；

所述处理模块包括用于采集射流图像和纤维沉积图像的采集模块，以及用于识别所述电喷射流形态特征和沉积层形貌特征的图像分析模块；

所述电喷制造控制器连接所述高精度移动平台、电喷生物高分子溶液进给单元、高压电源和监控模块，所述控制器内设有调节模块，所述调节模块根据所述处理模块的反馈信息，对所述电喷微纳生物支架制造装置和参数进行调控。

2.如权利要求1所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述处理模块设置在所述电喷制造控制器内，所述图像分析模块包括射流图像分析模块和沉积图像分析模块；所述射流图像分析模块分析所述射流图像，包括自动识别所述电喷射流形态特征，即泰勒锥形态；所述沉积图像分析模块检测分析所述沉积层形貌特征，包括自动识别和提取沉积层的纤维直径、孔径和沉积图案。

3.如权利要求2所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述泰勒锥形态包括破损、放电、干燥、过大、过小、分叉、半月形和标准，所述射流图像分析模块将所述电喷射流自动归类为所述泰勒锥形态中的任一种。

4.如权利要求2所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述沉积图像分析模块将所述沉积层形貌特征自动归类为直径过大、直径过小、断丝、流涎、图案不符或标准中的任一种。

5.如权利要求1所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述调节模块根据所述图像分析模块的分析结果对所述高精度移动平台、电喷生物高分子溶液进给单元、电源或监控模块中的一个或多个机构进行操控。

6.如权利要求5所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述调节模块包括电喷射流参数调节模块，所述电喷射流参数调节模块实现喷针与基板之间的距离控制、电压控制、进给速度控制、温湿度控制和工艺开关作用。

7.如权利要求6所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述监控系统还包括设置在所述电喷微纳生物支架制造装置内的温湿度传感器组网，所述电喷射流参数调节模块采用空间分布式检测，利用所述温湿度传感器组网自动形成可转换的制造区域空间均值信号。

8.如权利要求5或6所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述调节模块包括沉积参数调节模块，所述沉积参数调节模块实现高精度移动平台中沉积基板移动速度与路径的实时状态读取与控制，以及工艺开关作用。

9.如权利要求1所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，其特征在于，所述高精度移动平台选自四轴移动平台或六轴移动平台。

10.电喷微纳生物支架制造的监控方法，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的用于电喷微纳生物支架制造装置的监控系统，所述监控方法包括以下步骤：

启动所述监控模块，第一数字显微摄像头对准所述喷针的出口，以监控所述电喷射流，第二数字显微摄像头对准所述高精度移动平台中沉积基板，以监控纤维沉积中当前的沉积层；

电喷制造控制器内的处理模块采集并分析所述监控模块的图像信息，自动识别所述电喷射流形态特征和沉积层形貌特征，并将分析结果发送给调节模块；

控制器内的调节模块根据所述分析结果对电喷射流参数和纤维沉积参数进行调节。