CN113830389A - 一种医用保温箱及其制备方法与应用 - Google Patents

一种医用保温箱及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医用保温箱及其制备方法与应用，属于增材制造技术和智能仿生技术领域。本发明中保温箱箱体侧壁分布有平行排列的脊脉和平行排列的凸起，任意相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；凸起的材料为形状记忆合金，使得凸起能够张开或闭合，从而使得保温箱侧壁能够形成与外界连通的孔隙或者孔隙消失，以调控箱体内部温度。当环境温度与箱体温度相差过大时，箱体侧壁特殊结构会发生相变而张开或闭合以调节箱体内部温度。本发明提供的医用保温箱可用于医用器官移植手术时器官的储存、新鲜血液的储存、疫苗的存储等，可以使之保持恒定温度，避免造成破坏。

Description

一种医用保温箱及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于增材制造技术和智能仿生技术领域，更具体地，涉及一种医用保温箱及其制备方法与应用，尤其是涉及基于4D打印技术的医用保温箱及其制备方法。
背景技术
药品是我们生活中不可或缺的。药品质量直接关系到我们的生命健康，因此从原料进口到成品进仓都必须严格把关。冷藏运输药品是最常用的方式，也就是我们所说的冷链运输。医药冷链作为物流业的一个分支，包括生产、运输、储存、使用等一系列环节。而作为其非常重要的运输环节更是不容忽视，需要特别的装置、注意运送过程、时间掌控和运输形态的特殊物流形式，需要严格符合国家《食品药品监督管理规范》。我国目前冷链物流存在的问题恰恰是，完整独立的药品冷链体系尚未成形，缺乏上下游的整体规则。特别是在低温运输上温度得不到保证，常常断链，使得生物制品的质量得不到保证。
目前很多人的去世都与器官衰竭有着千丝万缕的联系，而器官移植是目前治疗终末期器官衰竭最为有效的手段。有研究结果显示，供器官获取、保存及移植后缺血/再灌注损伤(ischemia reperfusion injury，IRI)是影响移植预后的重要因素。用于移植的器官被切断血液供应后，其中的细胞得不到氧和养料，很快就会死亡。因此，现在一般在0℃～4℃的低温下保存器官，以减缓细胞的代谢，减少其需氧量，并辅以模仿细胞内液的保存液，从而延长其保存时间。一旦温度超过4℃，就会对供器官造成不可逆的损伤，进而影响器官移植的成功率和患者的生存率。因此，如何保持供器官保存温度的恒定尤为重要。
现有技术的保温箱是由控制系统，温度系统，空气循环系统和传感器系统等组成的，在使用过程中通过电控制，会消耗电能，不节能，迫切需要开发出一种节能不消耗电能的保温箱。
发明内容
本发明解决了现有技术中保温箱需要用电能来控制保温，会消耗电能，不节能的技术问题，本发明提供了一种基于4D打印技术的医用保温箱及其制备方法，本发明中保温箱箱体侧壁分布有蝴蝶鳞片仿生结构，蝴蝶鳞片仿生结构包括平行排列的脊脉和凸起，相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；所述凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；所述凸起的材料为形状记忆合金，使得凸起能够张开或闭合，以调控箱体内部温度。
根据本发明第一方面，提供了一种保温箱，所述保温箱侧壁分布有平行排列的脊脉和平行排列的凸起，任意相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；所述凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；所述凸起的材料为形状记忆合金，使得凸起能够张开或闭合，从而使得保温箱侧壁能够形成与外界连通的孔隙或者使孔隙消失，以调控箱体内部温度。
优选地，所述形状记忆合金为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Sn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si中的任意一种。
优选地，所述保温箱的箱体和脊脉的材料为钛合金。
优选地，所述钛合金为TC4或TiAl。
优选地，各个脊脉单元中相邻的凸起等间距分布。
根据本发明另一方面，提供了任一所述的保温箱的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用三维建模软件对保温箱结构进行建模，得到三维数字模型；所述保温箱结构的侧壁分布有平行排列的脊脉和平行排列的凸起，相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；所述凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；
(2)采用多材料打印设备的激光选区熔化成形设备按照步骤(1)所述三维数字模型打印成形，其中将钛合金粉末用于保温箱除凸起以外的部分的3D打印，将形状记忆合金粉末用于保温箱凸起的4D打印。
优选地，所述钛合金粉末的打印参数为：激光功率200W-350W，激光扫描速度为200mm/s-800mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。
优选地，所述形状记忆合金粉末的打印参数为：激光功率为200W-300W，激光扫描速度为500mm/s-1000mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。
根据本发明另一方面，提供了任一所述的保温箱的应用，用于器官、血液或疫苗的储存。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明采用3D打印先进制造技术，首先克服了传统加工方法难加工具有复杂微结构的挑战，并采用智能材料增材制造成形的4D打印技术制备同样具有复杂微结构的保温箱，在制备方式上更加方便；其次，本发明的结构设计来源于大自然中的绿带翠凤蝶翅膀鳞片，将大自然几千万年进化出的结构服务于社会。
(2)本中的仿生结构的凸起采用形状记忆合金打印，使得使得凸起能够张开或闭合，以实现保温箱的与外界的热交换。当外部环境温度高于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生奥氏体转变，由张开变为闭合，减少内部与外部的热交换，保持箱体内部的温度；当外部环境温度低于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生马氏体转变，由闭合变为张开，增大内部与外部的热交换，降低箱体内部的温度。
(3)本发明的结构不消耗电能，依靠的是结构与材料的设计。
附图说明
图1是本发明实施例的医用保温箱示意图；其中：1-箱体、2-脊柱、3-凸起。
图2为本发明医用保温箱的微结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一种基于4D打印技术的医用保温箱，所述4D打印技术为激光选区熔化技术；所述医用保温箱侧壁上有蝴蝶鳞片处显微结构。图1是本发明实施例的医用保温箱示意图；所述保温箱箱体1侧壁分布有蝴蝶鳞片仿生结构，所述蝴蝶鳞片仿生结构包括平行排列的脊脉2和凸起3，相邻两条脊脉2构成一个脊脉单元；所述凸起3与所述脊脉1垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起3交错排列；所述凸起3的材料为形状记忆合金，使得凸起3能够张开或闭合，以调控箱体1内部温度。
所述保温箱主体结构材质为钛合金，具体为TC4、TiAl合金中的一种，经3D打印制备成形，其内部形状规则，可以用于医用器官移植手术时器官的储存、新鲜血液的储存、疫苗的存储等。
所述保温箱侧壁特殊结构材料为形状记忆合金，经4D打印制备成形，所述形状记忆合金为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Sn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等记忆合金体系中的一种。
本发明基于4D打印技术的医用保温箱的制备方法，包括以下步骤：
1)利用Magics、UG、solid works等三维建模软件对保温箱结构进行建模，采用激光选区熔化成形设备按照保温箱的三维数字模型打印成形；
2)所述激光选区熔化成形设备为多材料打印设备，将Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Sn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等记忆合金体系中的一种粉末用于保温箱侧壁特殊结构的4D打印成形，将TC4或TiAl粉末用于保温箱主体结构的3D打印成形。
图2为绿带翠凤蝶扫描电镜图，鳞片长宽比约为2：1，表面纹理特征明显，表面整齐分布着从基尾延伸至顶端的脊脉结构，脊脉平行，排列规律，脊脉之间没有相交的部分。两条脊脉间间隔分布着凸起结构，相邻凸起之间的距离基本上保持一致。
实施例1
一种基于4D打印技术的医用保温箱，所述4D打印技术为激光选区熔化技术；所述医用保温箱主要由箱体和侧壁仿蝴蝶鳞片的特殊结构组成。
优选地，所述保温箱主体为钛合金，具体为TC4合金，经3D打印制备成形，其内部形状规则，可以用于医用器官移植手术时器官的储存、新鲜血液的储存、疫苗的存储等。
优选地，所述保温箱侧壁特殊结构材料为形状记忆合金，经4D打印制备成形，所述形状记忆合金为Ti-Ni形状记忆合金。所属仿蝴蝶鳞片微结构在侧壁呈等间距分布。
优选地，本发明提供了上述一种基于4D打印技术的医用保温箱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用Magics、UG、solid works等三维建模软件对保温箱结构进行建模，采用激光选区熔化成形设备按照保温箱的三维数字模型打印成形；
2)所述激光选区熔化成形设备为多材料打印设备，将Ti-Ni形状记忆合金粉末用于保温箱侧壁特殊结构的4D打印成形，将TC4合金粉末用于保温箱主体结构的3D打印成形；
本实施例中TiNi形状记忆合金粉末工艺参数为激光功率为240W，激光扫描速度为700mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；TC4粉末的工艺参数为激光功率为250W，激光扫描速度为700mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm。
进一步地，该仪器的工作原理为：①当外部环境温度高于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生奥氏体转变，由张开变为闭合，减少内部与外部的热交换，保持箱体内部的温度；②当外部环境温度低于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生马氏体转变，由闭合变为张开，增大内部与外部的热交换，降低箱体内部的温度。
实施例2
一种基于4D打印技术的医用保温箱，所述4D打印技术为激光选区熔化技术；所述医用保温箱主要由箱体和侧壁仿蝴蝶鳞片的特殊结构组成。
优选地，所述保温箱主体为钛合金，具体为TiAl合金，经3D打印制备成形，其内部形状规则，可以用于医用器官移植手术时器官的储存、新鲜血液的储存、疫苗的存储等。
优选地，所述保温箱侧壁特殊结构材料为形状记忆合金，经4D打印制备成形，所述形状记忆合金为Ti-Ni形状记忆合金。所述仿蝴蝶鳞片微结构在侧壁呈等间距分布。
优选地，本发明提供了上述一种基于4D打印技术的医用保温箱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用Magics、UG、solid works等三维建模软件对保温箱结构进行建模，采用激光选区熔化成形设备按照保温箱的三维数字模型打印成形；
2)所述激光选区熔化成形设备为多材料打印设备，将Ti-Ni形状记忆合金粉末用于保温箱侧壁特殊结构的4D打印成形，将TiAl合金粉末用于保温箱主体结构的3D打印成形；
本实施例中TiNi形状记忆合金粉末工艺参数为激光功率为240W，激光扫描速度为700mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；TiAl粉末的工艺参数为激光功率为250W，激光扫描速度为600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm。
进一步地，该仪器的工作原理为：①当外部环境温度高于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生奥氏体转变，由张开变为闭合，减少内部与外部的热交换，保持箱体内部的温度；②当外部环境温度低于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生马氏体转变，由闭合变为张开，增大内部与外部的热交换，降低箱体内部的温度。
实施例3
一种基于4D打印技术的医用保温箱，所述4D打印技术为激光选区熔化技术；所述医用保温箱主要由箱体和侧壁仿蝴蝶鳞片的特殊结构组成。
优选地，所述保温箱主体为钛合金，具体为TiAl合金，经3D打印制备成形，其内部形状规则，可以用于医用器官移植手术时器官的储存、新鲜血液的储存、疫苗的存储等。
优选地，所述保温箱侧壁特殊结构材料为形状记忆合金，经4D打印制备成形，所述形状记忆合金为Cu-Al形状记忆合金。所属仿蝴蝶鳞片微结构在侧壁呈等间距分布。
优选地，本发明提供了上述一种基于4D打印技术的医用保温箱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用Magics、UG、solid works等三维建模软件对保温箱结构进行建模，采用激光选区熔化成形设备按照保温箱的三维数字模型打印成形；
2)所述激光选区熔化成形设备为多材料打印设备，将Cu-Al形状记忆合金粉末用于保温箱侧壁特殊结构的4D打印成形，将TiAl合金粉末用于保温箱主体结构的3D打印成形；
本实施例中，Cu-Al形状记忆合金粉末工艺参数为激光功率为280W，激光扫描速度为750mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；TC4粉末的工艺参数为激光功率为250W，激光扫描速度为700mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm。
进一步地，该仪器的工作原理为：①当外部环境温度高于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生奥氏体转变，由张开变为闭合，减少内部与外部的热交换，保持箱体内部的温度；②当外部环境温度低于保温箱内部温度时，侧壁的特殊结构发生马氏体转变，由闭合变为张开，增大内部与外部的热交换，降低箱体内部的温度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种保温箱，其特征在于，所述保温箱侧壁分布有平行排列的脊脉和平行排列的凸起，任意相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；所述凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；所述凸起的材料为形状记忆合金，使得凸起能够张开或闭合，从而使得保温箱侧壁能够形成与外界连通的孔隙或者使孔隙消失，以调控箱体内部温度。
2.如权利要求1所述的保温箱，其特征在于，所述形状记忆合金为Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Sn、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si中的任意一种。
3.如权利要求1或2所述的保温箱，其特征在于，所述保温箱凸起以外的部分的材料为钛合金。
4.如权利要求3所述的保温箱，其特征在于，所述钛合金为TC4或TiAl。
5.如权利要求1或2所述的保温箱，其特征在于，各个脊脉单元中相邻的凸起等间距分布。
6.如权利要求1-5任一所述的保温箱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用三维建模软件对保温箱结构进行建模，得到三维数字模型；所述保温箱结构的侧壁分布有平行排列的脊脉和平行排列的凸起，相邻两条脊脉构成一个脊脉单元；所述凸起与所述脊脉垂直，且间隔分布在各个脊脉单元中，相邻两个脊脉单元中的凸起交错排列；
(2)采用多材料打印设备的激光选区熔化成形设备按照步骤(1)所述三维数字模型打印成形，其中将钛合金粉末用于保温箱除凸起以外的部分的3D打印，将形状记忆合金粉末用于保温箱凸起的4D打印。
7.如权利要求6所述的保温箱的制备方法，其特征在于，所述钛合金粉末的打印参数为：激光功率200W-350W，激光扫描速度为200mm/s-800mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。
8.如权利要求6所述的保温箱的制备方法，其特征在于，所述形状记忆合金粉末的打印参数为：激光功率为200W-300W，激光扫描速度为500mm/s-1000mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。
9.如权利要求1-5任一所述的保温箱的应用，其特征在于，用于器官、血液或疫苗的储存。
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