CN112424403B - 组合的静电纺丝和微挤出装置 - Google Patents
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Abstract
组合的静电纺丝和微挤出装置，该组合的静电纺丝和微挤出装置包括：设置有多个自由度的机器人操纵器；由机器人操纵器支承并能够通过机器人操纵器而运动的末端执行器；容纳在末端执行器上的多个挤出机，挤出机中的每个挤出机都设置有用于对至少一种材料进行挤出的可互换的喷嘴；构造成用于对所挤出的材料进行沉积的工作平面；构造成将流体流供给至挤出机以用于对材料的挤出进行控制的气动回路；以及能够选择性地启用以在挤出机的喷嘴与工作平面之间施加电势差的发电机，从而挤出机能够选择性地在发电机未使用的情况下以微挤出模式操作，或者在发电机启用的情况下以静电纺丝模式操作，微挤出模式和静电纺丝模式呈彼此独立的方式。
Description
技术领域
本发明总体上涉及组织工程领域中的纳米制造和微制造技术。
背景技术
组织工程学是一门多学科的科学，组织工程学的目的是创造功能性和生物相容性的生物替代品，该生物替代品能够恢复受损器官或组织的功能并可以替换受损器官或组织。前述生物组织可以被认为是具有由纳米和微米级元素限定的拓扑的异质结构。
由于生物组织由微米和纳米级元素组成，因此能够替代或修复生物组织的结构(或支架)需要由通过多种规模进行加工的具有能够模仿生理环境的适当机械和结构特性的不同类型的材料组成。引入纳米级元素对于增加结构的表面体积比是必要的，从而促进细胞粘附性并确保细胞的增殖。
微观元素以不同的方式限定了三维空间，在该三维空间中，可以确保消除细胞废物并确保营养物质的良好流入。
为了确保结构内的上述特征，必须借助于不同的技术来加工不同类型的材料，这些技术确保同一结构内的空间分辨率尺度的多样性。
当前，使用增材制造技术是通过使用多种天然或合成材料来制造具有可控架构的支架的最有前景的方法中的一种方法。使用基于上述方法的技术，从使用CAD(计算机辅助设计)软件创建的三维模型开始，可以借助于计算机辅助制造(CAM)来创建结构，该计算机辅助制造允许该结构的构建借助于逐层将材料沉积直到完全形成结构为止。这种方法在文献中也被称为“生物印刷”。
通过增材制造技术与静电纺丝技术的结合而获得的混合结构非常令人感兴趣，该结构允许通过使用静电场来获得直径小于微米的连续材料丝，该静电场决定所处理材料的拉伸、伸长率并减小横截面。在使用静电纺丝技术期间，上述静电场的存在导致了在创建可以将这种技术与挤出技术结合的装置方面的主要困难。该因素使得有必要在可能引起电场干扰或损害电场功能的任何部件上使用屏蔽。此外，有必要使用非导电材料以及设备的各个元件的适当设计距离来避免与所生成的静电场发生任何相互作用。
存在使用具有单独加工工位的静电纺丝和挤出技术的若干已知设备，该已知设备限制了要制造的结构的质量，该已知设备的构建过程不断地被中断，这是由于为了结合上述制造技术，上述设备必须使工作平面在存在的各个工位之间自动移动。在上述设备中存在单独的加工工位使机器的整体体积以及工作时间增加，从而有在构建期间干扰结构的风险。
因此，需要一种制造设备，该制造设备能够将不同的技术组合在同一工作空间中，从而避免使用单独的设备，并且避免了必须将正在构建的工件从一个设备的工作空间移动至另一设备的工作空间的需求。
发明内容
因此，本发明的目的是一种组合的静电纺丝和微挤出装置，该组合的静电纺丝和微挤出装置包括：
机器人操纵器，该机器人操纵器设置有多个自由度，
末端执行器，该末端执行器由机器人操纵器支承并能够通过机器人操纵器而运动，
多个挤出机，挤出机容纳在末端执行器上，所述挤出机中的每个挤出机都设置有可互换的喷嘴，以用于将至少一种材料挤出，
工作平面，该工作平面构造成用于对所挤出的材料进行沉积，
气动回路，该气动回路构造成将流体流供给至挤出机以用于对材料的挤出进行控制，以及
发电机，该发电机可以选择性地启用以在挤出机的喷嘴与工作平面之间施加电势差，从而使挤出机能够选择性地在发电机未使用的情况下以微挤出模式操作，或者在发电机启用的情况下以静电纺丝模式操作，微挤出模式和静电纺丝模式呈彼此独立的方式。
由于上述多个挤出机被容纳在机器人操纵器的仅末端执行器上，因此上述发明解决了在同一设备中存在单独工位的问题。挤出机包括可互换的喷嘴，该喷嘴允许通过对喷嘴的简单且快速的替换而使待构建的结构的空间分辨率发生比例变换，即使在对结构的加工期间也是如此。在微挤出模式下，可以获得具有高达微米级(10微米至100微米)数量级的特征尺寸的结构，而在静电纺丝模式下，可以获得具有约50纳米至100纳米的纤维直径的纳米纤维结构。
借助于使用单个工位的微挤出和静电纺丝技术进行加工的可能性允许提高制造速度，并且以简单、快速的方式将这些技术组合在一起，而不必在构建阶段期间移动结构。
此外，操纵器在空间中的高移动性提供了在同一工作平面上同时制造不同结构的可能性。
附图说明
通过以下参照仅以示例性和非限制性提供的附图对本发明的实施方式作出的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得更加明显，在附图中
图1是根据本发明的装置的机器人操纵臂的立体图；
图2是图1的操纵臂的侧视图；
图3是位于绝缘结构内的操纵臂的立体图；
图4和图5分别是从图1的操纵臂的末端执行器的底部和顶部观察的立体图；
图6是根据本发明的装置的框图；以及
图7是图4和图5的执行器的横截面图。
具体实施方式
首先参考图1和图2，微挤出和静电纺丝装置包括机器人操纵器10，在所示的实施方式中，该机器人操纵器10是基于具有并联型架构的机器人系统的，该并联型架构能够确保并联型架构的末端执行器20运动的精度和速度，该末端执行器20在下文中还表示为可移动平台。末端执行器20可以容置用于沉积材料的多个气动挤出机30，气动挤出机30例如在图2中可见。
具有并联型机器人架构的实施方式包括若干运动学连杆，该运动学连杆将固定的上部平台11连接至构成装置的末端执行器的可移动平台20。该上部平台11附接并锚固至结构13的上壁13a(参见图3)，操纵器10容纳在结构13中。上述上部平台11的附接可以借助于由非导电材料制成的支承件12实现。在同一上部平台11的侧部上布置有用于致动器11b的壳体11a，每个运动学连杆布置有一个致动器11b，该致动器11b允许对铰接系统的运动进行致动。
每个运动学连杆包括由非导电材料制成的两个结构元件：上臂11c和铰接式平行四边形件11d。上臂11c允许运动学连杆连接至相应的致动器11b。臂11c借助于两个球形接头11e连接至随后的铰接式平行四边形件11d。铰接式平行四边形件11d也由非导电材料制成。每个铰接式平行四边形件11d通过球形接头11f连接至末端执行器20。球形接头11e和11f由非导电材料制成。这些接头根据机械的多个自由度通过促进运动的流动性而使结构更简单。更一般地，所有部件都附接有由非导电材料制成的连接部，以避免金属部件靠近设备的工作平面，这可能在静电纺丝阶段期间产生电场变化。
例如在图2中示出的工作平面或沉积平台40由导电材料组成。工作平面40被构造为易于是可互换的；例如，该平面可以提供支承件，在该支承件上定位有由辊引导的一片导电材料。前述工作平面40允许在微挤出阶段期间进行受控沉积并且在静电纺丝阶段期间进行纳米纤维沉积，在此期间，在与挤出机30相关联的喷嘴31与前述工作平面40之间施加电势差以产生能够对包含在挤出机30的储存器32中的材料进行静电纺丝的静电场。为了施加该电势差，可以设想，设置有由导电材料制成的针状部的喷嘴31配备有与电压发生器(voltage generator)50连接的相应端子33。电压发生器50提供使用静电纺丝技术所需的恒定电势。
可以设想容纳有操纵臂10和工作平面40的结构13呈筒形形状并且具有侧壁13b，侧壁13b由非导电材料制成以防止在静电纺丝阶段期间电场扩散至外部。结构13设置有观察系统(access system)13c、比如门或观察口，该观察系统也由非导电材料制成。这样的结构13具有允许人们从外部对包含在结构13中的设备的工作阶段进行观察的可视化系统。该可视化系统可以仅由结构13的由光学透明材料制成的侧壁13b组成。
容纳结构13可以提供：确保安全处理的安全系统；在发生自动或手动故障的情况下的止动操作；以及听觉和视觉警报系统(在图3中以13d表示)。可以存在空气再循环系统(图3中以13e表示)，从而避免在静电纺丝期间由于溶剂蒸发而造成的任何残留物从结构中泄漏，并且可以安装遮光器(shielded light)，从而确保出色的可视性，即使在外部照明不良的情况下也确保出色的可视性。另外，放电控制系统允许在静电纺丝阶段期间进行安全操作。如果在工作空间内检测到由这种放电引起的异常电流，则上述系统停止正在进行的工作阶段。
可以存在环境控制系统(在图6中以60表示)，以允许对温度和湿度参数进行监测。这种控制允许人们基于所选择的材料和用于在要构建的结构中获得最佳成功的技术来设置设备的工作环境内的期望条件。
通过在微控制器80上实现的固件可以对设备的运动进行控制(图6中的附图标记70)，从而允许人们通过控制存在的致动器来利用设备的特征。外部控制系统可以由控制杆和按钮面板组成，以用于机器人操纵器的可移动平台的运动和旋转。存在于控制器80中的接口还允许借助于对电磁阀系统(附图标记100)进行自动调节来设置供气动挤出系统使用的最佳压力(图6中的附图标记90)。此外，这样的系统允许设置对于静电纺丝模式的正确操作有用的参数(附图标记110)。
前述可移动平台20或末端执行器在图4和图5中被示出，并且该可移动平台20或末端执行器容纳有若干气动挤出机30，这些气动挤出机30允许通过使用设置有喷嘴31的储存器32对材料进行沉积。每个挤出机30的结构包括用于安装相应的储存器32的坐置部。在所示出的示例中，该坐置部包括中央空心销30a和两个相对的侧面突出部30b，该坐置部允许通过储存器32的旋转而互锁和锁定，并确保轻松拆卸储存器以快速补充材料。
在上述可移动平台20(图5中所示)的上部部分上存在有与相应的中央空心销30a流体连通的连接器30c，该连接器30c允许气动回路120的管的连接，以通过调制空气流来控制气动挤出。
通过围绕中央空心销30a定位在相应凹部中的圆形垫圈30c以及通过置于上述储存器32的坐置部的基部处的垫圈30d确保了在挤出操作期间没有空气从储存器泄漏。由于在执行储存器的互锁和旋转之后，相对的侧面突出部30b将储存器32的基部(依次配装有相对的鳍状部32a；参见图7)推动成抵靠上述垫圈30d，因此30d确保了气密性。
用于控制气动挤出的气动回路120包括能够产生合适压力梯度的压力系统90和气流调制系统100。通过使用控制器80来设置精确的压力，可以通过上述调制系统100的控制来供给空气流(图7中的箭头A)，该空气流借助于固定至系统的可移动平台20的气动回路120的管120a、120b进入挤出机30而进入到储存器32内部以促进材料的沉积。借助于特殊的致动系统而对设备的运动学控制允许使用手动控制或者通过在整个工作周期进行通信来控制挤出材料的沉积，该工作周期由微控制器80通过保存在存储器中的固件来说明。
上述装置能够借助于在容纳有机器人操纵臂的结构13内部存在的仪器使用静电纺丝技术来工作。这些仪器包括恒定电压的电压发生器50和端子33，恒定电压的电压发生器50和端子33对于能够在喷嘴31与工作平面40之间施加电势差而言是必要的。
由于该装置被设计成在距可移动平台20上存在的挤出机30的喷嘴31足够远的距离处容置致动器11b，因此通过将电势施加至上述喷嘴31而产生的电场不干扰致动器的操作。电场线在工作平面40上闭合，该工作平面作用为电极，从而将该电极连接至已知电势，并确保对电场没有任何干扰。此外，上述气动挤出系统不包括任何金属部件，以避免上述电场干扰。
纳米纤维的静电纺丝及其随后在工作平面40上的沉积是通过在喷嘴31与工作平面40之间施加电势差以在喷嘴的针状部与前述平面之间产生静电吸引来进行的。施加至喷嘴的电势借助于控制器80来设置，该控制器80允许将装置中存在的静电纺丝系统致动。由于可以使末端执行器20沿着竖向轴线(图2中的z轴)的位置改变，因此可以基于针状部与工作平面之间的距离来产生具有不同厚度的纤维；具体地，增加该距离使静电纺丝纤维的厚度增加，从而获得具有可变纳米结构的结构。
使用本文的气动挤出机进行微挤出加工和静电纺丝加工，并且能够基于所使用的加工来选择确定尺寸的喷嘴，从而可以获得精确的结构分辨率，该结构分辨率在微挤出过程中可能从毫米变化成微米。在该过程中，使可移动平台20更靠近沉积表面40，以便获得在喷嘴与工作平面之间的最佳距离，从而允许通过挤出材料的逐层沉积来制造结构。在静电纺丝阶段期间，可以以使用者借助于手动控制或者通过在整个工作周期进行通信来设置的针状部与工作平台之间的距离来对静电纺丝纳米纤维进行沉积，该工作周期由微控制器80使用保存在存储器中的固件来说明。
使用上述装置，可以分别使用微挤出和静电纺丝技术，或将微挤出和静电纺丝技术组合使用，使用不同的材料并逐层交替进行本文中的这两种制造技术以获得有用地应用于组织工程中的多尺度和多材料结构。
Claims (9)
1.一种组合的静电纺丝和微挤出装置，所述组合的静电纺丝和微挤出装置包括：
机器人操纵器(10)，所述机器人操纵器(10)设置有多个自由度，
末端执行器(20)，所述末端执行器(20)由所述机器人操纵器(10)支承并能够通过所述机器人操纵器(10)而运动，
多个挤出机(30)，所述挤出机(30)容纳在所述末端执行器(20)上，所述挤出机中的每个挤出机都设置有相应的可互换的喷嘴(31)，所述喷嘴(31)用于将至少一种材料挤出，
工作平面(40)，所述工作平面(40)构造成用于对所挤出的材料进行沉积，
气动回路(120)，所述气动回路(120)构造成将流体流供给至所述挤出机(30)，以用于对所述材料的挤出进行控制，以及
电压发生器(50)，所述电压发生器(50)能够选择性地启用以在所述挤出机(30)的所述喷嘴(31)与所述工作平面(40)之间施加电势差，从而使多个所述挤出机(30)中的每个单独的挤出机能够选择性地采取微挤出模式或静电纺丝模式，在所述微挤出模式中，单独的所述挤出机的所述喷嘴与所述电压发生器断开连接，并且单独的所述挤出机构造成用于以微挤出的方式将所述至少一种材料挤出，在所述静电纺丝模式中，所述电压发生器在单独的所述挤出机的可互换的所述喷嘴与所述工作平面之间施加电势差，并且单独的所述挤出机构造成用于以静电纺丝的方式将所述至少一种材料挤出，
其中，所述挤出机能够以彼此独立的方式操作。
2.根据权利要求1所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，所述挤出机(30)中的每个挤出机包括用于所述材料的储存器(32)，所述储存器能够以可拆卸的方式安装在所述末端执行器(20)上并承载相应的所述喷嘴(31)。
3.根据权利要求2所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，每个储存器能够安装在所述末端执行器(20)的下侧上，在所述末端执行器(20)的上侧上设置有相应的连接器(30c)以将所述储存器(32)放置成与所述气动回路(120)流体连通。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，所述组合的静电纺丝和微挤出装置包括：由非导电材料制成的绝缘结构(13)，所述绝缘结构(13)构造成接纳所述机器人操纵器(10)和所述工作平面(40)；控制器(80)，所述控制器(80)用于对所述机器人操纵器(10)、所述气动回路(120)和所述电压发生器(50)进行控制；以及可视化系统(13b)，所述可视化系统(13b)用于能够从绝缘结构(13)的外部看到所述机器人操纵器(10)和所述工作平面(40)。
5.根据权利要求4所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，所述控制器(80)配置成对由所述电压发生器(50)在所述喷嘴(31)与所述工作平面(40)之间施加的电势差进行调节。
6.根据权利要求4所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，所述控制器(80)配置成对施加在所述挤出机(30)上的流体压力进行调制。
7.根据权利要求4所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，所述控制器(80)还配置成对所述绝缘结构(13)内的湿度和温度参数进行调节。
8.根据权利要求4所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，所述组合的静电纺丝和微挤出装置还包括空气再循环系统(13e)，所述空气再循环系统(13e)用于将由于在使用所述组合的静电纺丝和微挤出装置的过程中采用的溶剂而产生的蒸气从所述绝缘结构(13)移除。
9.根据权利要求4所述的组合的静电纺丝和微挤出装置，其中，所述控制器(80)还配置成在操作异常的情况下将所述组合的静电纺丝和微挤出装置停止。
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