CN113276249A - 一种多螺旋挤出装置及3d打印机 - Google Patents

一种多螺旋挤出装置及3d打印机 Download PDF

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吴婷婷
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Abstract

本发明公开了一种多螺旋挤出装置及3D打印机，其中多螺旋挤出装置包括料筒，料筒内设有至少一个隔板，隔板用于平均分隔料筒的内部形成至少两个腔体，本多螺旋挤出装置的料筒安装于3D打印机的打印头上，各腔体内储存浆料，并连接输出通道，通过驱动机构驱动料筒旋转，带动各输出通道旋转出料，各输出通道围绕料筒的旋转轴线周向分布，从而使各浆料相互缠绕形成多螺旋结构，经逐层叠加打印最终形成线条结构为多螺旋结构的支架，具有多螺旋线条结构的支架相对于目前的单层结构、双层结构和核壳结构等支架结构，具有更好的力学性能，支架具备更好的韧性，此发明涉及用于治疗骨组织缺损的3D打印支架技术领域。

Description

一种多螺旋挤出装置及3D打印机
技术领域
本发明涉及用于治疗骨组织缺损的3D打印支架技术领域，特别是涉及一种多螺旋挤出装置及3D打印机。
背景技术
3D打印可降解的陶瓷支架是当前治疗大面积骨组织缺损的新方法。相较于自体骨移植及异体骨移植，具有结构可控，制作快捷，来源广泛且不存在宿主排斥反应等特点，植入体内后能够可实现骨组织缺损填补，恢复病人组织结构的完整性，更重要的能促进新骨组织和新生血管的形成，最终实现病损骨组织的再生性修复。
在现代医学中，3D打印技术因其操作简单、打印支架精度高、打印过程可控等优势常用来制备骨修复支架。通过在三维设计软件中完成对需要打印支架结构的建模，将其导入到3D打印设备的电脑中，层层打印后固定，干燥，烧结等步骤得到所需要的骨移植支架。目前对于3D打印支架的结构设计主要集中于单层结构，双层结构，核壳结构以及中空(多孔)结构。
当前常见的3D打印支架结构，如单层结构、多层结构、多孔结构虽然制备工艺简单、浆料制备便捷，但均存在一定的缺点。单层或者双层结构的支架其浆料机械混合为主，其不同浆料的优势性能折中；核壳结构的支架在纤维形式上有所突破，但核壳结构存在与体液接触有先后秩序，其降解及与宿主作用的时间也存在快慢先后，且核壳界面对力学性能有一定的影响；中空结构则牺牲了力学性能以获得更大的孔隙率；此外，目前的载细胞组织支架存在成骨活性较高，但是其力学性能远低于常规骨的硬度。
因此，合适的支架结构、以及相应的打印支架的挤出装置、打印机十分重要。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种多螺旋挤出装置及3D打印机，能够打印出具有多螺旋线条结构的支架，以实现力学性能的改进等。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种多螺旋挤出装置，包括：料筒，所述料筒内设有至少一个隔板，所述隔板用于分隔所述料筒的内部形成至少两个腔体，所述腔体用于储存浆料，各所述腔体连接有输出通道；驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述料筒旋转，以带动各所述输出通道旋转出料，各所述输出通道围绕所述料筒的旋转轴线周向分布，以使各所述输出通道输出的浆料相互缠绕形成螺旋结构。
上述的多螺旋挤出装置至少具有以下有益效果：本多螺旋挤出装置的料筒安装于3D打印机的打印头上，料筒内设有至少一个隔板，隔板分隔料筒的内部形成至少两个腔体，各腔体内储存浆料，并连接输出通道，通过驱动机构驱动料筒旋转，带动各输出通道旋转出料，由于各所述输出通道围绕所述料筒的旋转轴线周向分布，从而使各浆料相互缠绕形成多螺旋结构，经逐层叠加打印最终形成线条结构为多螺旋结构的支架，具有多螺旋线条结构的支架相对于目前的单层结构、双层结构和核壳结构等支架结构，具有更好的力学性能，支架具备更好的韧性。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述多螺旋挤出装置还包括料筒盖，所述料筒盖与所述料筒的一端可拆卸连接，用以封闭所述腔体。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述驱动机构包括驱动组件和传动组件，所述传动组件传动连接所述驱动组件和所述料筒盖，所述驱动组件用于驱动所述传动组件动作，通过所述传动组件带动所述料筒盖和所述料筒旋转。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述传动组件包括第一传动轮和第二传动轮，所述第一传动轮与所述料筒盖连接，所述第二传动轮与所述第一传动轮传动配合，所述驱动组件可驱动所述第二传动轮旋转。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，第一传动轮和所述第二传动轮为锥齿轮。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述第一传动轮连接有支撑杆，所述第二传动轮连接有转轴，所述转轴横向支撑在所述支撑杆上。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述驱动组件包括滑块、滑杆和连接杆，所述连接杆的一端转动连接所述第二传动轮，所述连接杆的另一端转动连接所述滑块，所述滑块可沿所述滑杆做直线往复运动，以带动所述连接杆动作，进而带动所述第二传动轮旋转。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述驱动组件还包括驱动件，所述驱动件用于驱动所述滑块滑动，所述驱动件为气缸。
根据本发明第一方面实施例所述的多螺旋挤出装置，所述多螺旋挤出装置包括加压部件，所述加压部件用于对所述腔体施加压力，以将所述浆料挤出所述输出通道。
根据本发明的第二方面实施例，提供一种3D打印机，包括上述的多螺旋挤出装置。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例多螺旋挤出装置的结构示意图；
图2是本发明实施例多螺旋挤出装置的平面结构简图；
图3是本发明实施例料筒的平面结构示意图，其中具有一个隔板；
图4是本发明实施例线条结构为双螺旋结构的支架的局部结构示意图；
图5是本发明实施例料筒的平面结构示意图，其中具有三个隔板；
图6是本发明实施例线条结构为三螺旋结构的支架的局部结构示意图；
附图标记：料筒10、腔体11、料筒盖20、隔板30、输出通道40、驱动机构50、驱动组件51、滑块511、滑杆512、连接杆513、传动组件52、第一传动轮521、第二传动轮522、支撑杆523、转轴524、转动轮525、第一浆料100、第二浆料200、第三浆料300。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图6，本发明实施例提供一种多螺旋挤出装置，包括料筒10，料筒10内设有至少一个隔板30，隔板30用于平均分隔料筒10的内部形成至少两个腔体11，腔体11用于储存浆料，各腔体11连接有输出通道40；驱动机构50，驱动机构50用于驱动料筒10旋转，以带动各输出通道40旋转出料，各输出通道40围绕料筒10的旋转轴524线周向分布，以使各输出通道40输出的浆料相互缠绕形成螺旋结构。
本实施例的多螺旋挤出装置的料筒10安装于3D打印机的打印头上，料筒10内设有至少一个隔板30，隔板30分隔料筒10的内部形成至少两个腔体11，各腔体11内储存浆料，并连接输出通道40，通过驱动机构50驱动料筒10旋转，带动各输出通道40旋转出料，由于各输出通道40围绕料筒10的旋转轴524线周向分布，从而使各浆料相互缠绕形成多螺旋结构，经逐层叠加打印最终形成线条结构为多螺旋结构的支架，具有多螺旋线条结构的支架相对于目前的单层结构、双层结构和核壳结构等支架结构，具有更好的力学性能，支架具备更好的韧性。
可以理解的是，隔板30的数量可以根据需要设置，具体地，参照图3，隔板30有1个，分隔料筒10的内部形成2个腔体11，如此，料筒10旋转使各输出通道40输出的浆料(分别为第一浆料100和第二浆料200)相互缠绕形成双螺旋结构，参照图4；参照图5，隔板30有3个，相邻两个隔板30之间的夹角为120°，分隔料筒10的内部形成3个腔体11，如此，料筒10旋转使各输出通道40输出的浆料(分别为第一浆料100、第二浆料200和第三浆料300)相互缠绕形成三螺旋结构，参照图6；当隔板30设置为n(n≥3)个时，分隔料筒10的内部形成n个腔体11，相邻两个隔板30之间的夹角为360°/n，料筒10旋转使各输出通道40输出的浆料相互缠绕形成n螺旋结构。因此，根据设置的隔板30数量，可以设置组成螺旋结构的线条数量。
具体地，各腔体11连接的输出通道40具体可采用管道或者针管。
具有多螺旋线条结构的支架具有以下优点：(1)、由于支架的螺旋结构使得多种浆料独立可控，其释放性能及促骨、血管生长的性能可实现单独调控；(2)、由于打印线条的多螺旋结构，其在受到外部载荷过程中存在内部互锁的机制(节点及内摩擦机制)，不仅可承受较大的外部载荷，而且支架的可压缩性好，使其在物理结构上就能实现力学性能的改进，并且具备更好的韧性；(3)、在此基础上，该结构还可以实现抗菌载药，金属离子添加等影响机制的单独调控、对比研究，是对当前3D打印骨修复支架结构设计理念的较大创新。
可以理解的是，各料筒10内的浆料的具体成分可以根据需要设置，各浆料的成分可以设置为相同或不同，具体可包括：生物陶瓷(羟基磷灰石，磷酸钙，硅酸钙)，聚合物(胶原，明胶，GelMA等各类水凝胶)，各种生物功能性细胞(成骨，成血管，成胶原等)，活性分子(BMP-2促骨生长类，VEGF促血管生长)等。浆料的多样化有利于支架的功能多样化，因此多螺旋支架的潜力巨大。
在本实施例中，多螺旋挤出装置包括加压部件(未图示)，加压部件用于对腔体11施加压力，以将浆料挤出输出通道40。具体地，加压部件采用蒸汽泵。
当然，可以理解的是，作为替代方案，加压部件可以采用气泵、活塞或者其他结构，只要能够实现浆料的挤出即可。
在本实施例中，多螺旋挤出装置还包括料筒盖20，料筒盖20与料筒10的一端可拆卸连接，用以封闭腔体11，防止浆料在装料后溢散或挥发，具体地，料筒10与料筒盖20通过螺纹连接，以方便拆卸，根据需要可更换不同的料筒10，以打印出具有不同螺旋结构的支架。
在一些实施例中，驱动机构50包括驱动组件51和传动组件52，传动组件52传动连接驱动组件51和料筒盖20，驱动组件51用于驱动传动组件52动作，通过传动组件52带动料筒盖20和料筒10旋转。
在其中一些实施例中，传动组件52包括第一传动轮521和第二传动轮522，第一传动轮521与料筒盖20连接，第二传动轮522与第一传动轮521传动配合，驱动组件51可驱动第二传动轮522旋转，进而带动第一传动轮521和料筒盖20旋转，最终使料筒10旋转。
具体地，第一传动轮521和第二传动轮522为锥齿轮，如此，可以改变传动方向，使得驱动组件51可以沿料筒10和料筒盖20的长度方向布局，提高空间利用率。
在一些实施例中，第一传动轮521连接有支撑杆523，第二传动轮522连接有转轴524，转轴524横向支撑在支撑杆523上，转轴524的一端连接第二传动轮522，另一端连接一转动轮525。
在一些实施例中，驱动组件51包括滑块511、滑杆512和连接杆513，连接杆513的一端转动连接第二传动轮522，连接杆513的另一端转动连接滑块511，滑块511可沿滑杆512做直线往复运动，以带动连接杆513动作，进而带动第二传动轮522旋转。通过滑块511在滑杆512上的直线往复移动带动第二传动轮522单向旋转，将直线运动转化为旋转运动。
在一些实施例中，驱动组件51还包括驱动件，驱动件用于驱动滑块511滑动，驱动件具体为气缸，通过气缸对活塞的抽吸过程实现滑块511在滑杆512上的直线往复运动。
本实施例的驱动机构50，以气体作为动力源，将直线运动转化为旋转运动，结构简单，降低了制作成本，并且提高了空间利用率。
本发明实施例还提供一种3D打印机，包括上述的多螺旋挤出装置。包含上述多螺旋挤出装置的打印机，控制多螺旋挤出装置在X方向、Y方向和Z方向三个维度上移动动作并挤出浆料，实现线条结构为多螺旋结构的支架的打印成型。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种多螺旋挤出装置，其特征在于，包括：
料筒，所述料筒内设有至少一个隔板，所述隔板用于分隔所述料筒的内部形成至少两个腔体，所述腔体用于储存浆料，各所述腔体连接有输出通道；
驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述料筒旋转，以带动各所述输出通道旋转出料，各所述输出通道围绕所述料筒的旋转轴线周向分布，以使各所述输出通道输出的浆料相互缠绕形成螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述多螺旋挤出装置还包括料筒盖，所述料筒盖与所述料筒的一端可拆卸连接，用以封闭所述腔体。
3.根据权利要求2所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述驱动机构包括驱动组件和传动组件，所述传动组件传动连接所述驱动组件和所述料筒盖，所述驱动组件用于驱动所述传动组件动作，通过所述传动组件带动所述料筒盖和所述料筒旋转。
4.根据权利要求3所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述传动组件包括第一传动轮和第二传动轮，所述第一传动轮与所述料筒盖连接，所述第二传动轮与所述第一传动轮传动配合，所述驱动组件可驱动所述第二传动轮旋转。
5.根据权利要求4所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：第一传动轮和所述第二传动轮为锥齿轮。
6.根据权利要求5所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述第一传动轮连接有支撑杆，所述第二传动轮连接有转轴，所述转轴横向支撑在所述支撑杆上。
7.根据权利要求4所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述驱动组件包括滑块、滑杆和连接杆，所述连接杆的一端转动连接所述第二传动轮，所述连接杆的另一端转动连接所述滑块，所述滑块可沿所述滑杆做直线往复运动，以带动所述连接杆动作，进而带动所述第二传动轮旋转。
8.根据权利要求7所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述驱动组件还包括驱动件，所述驱动件用于驱动所述滑块滑动，所述驱动件为气缸。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的多螺旋挤出装置，其特征在于：所述多螺旋挤出装置包括加压部件，所述加压部件用于对所述腔体施加压力，以将所述浆料挤出所述输出通道。
10.一种3D打印机，其特征在于：包括权利要求1至9中任意一项所述的多螺旋挤出装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115887759A (zh) * 2022-12-08 2023-04-04 广东省科学院生物与医学工程研究所 一种螺旋压电支架及其制备方法和应用
CN116115829A (zh) * 2022-12-08 2023-05-16 广东省科学院生物与医学工程研究所 一种压电支架及其制备方法和应用

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