CN118238407A - 仿生脏器制作装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生脏器制作技术领域，具体涉及一种仿生脏器制作装置及制作方法，包括打印喷头、喷头驱动部件、基材驱动部件和控制部件，其中，所述喷头驱动部件包括Z轴运动部件和X轴运动部件，所述基材驱动部件包括Y轴运动部件、A轴运动部件和C轴运动部件，使装置能够进行五自由度3D打印；五自由度的3D打印装置打印血管及脏器阳模时，得益于更自由的打印路径规划，在制作形状复杂的分支部血管时，通过A轴运动部件摆动调整倾斜角度，并配合C轴运动部件调整旋转角度，使分支部的打印截面始终垂直于打印喷头出料方向，能够通过以保形方式打印，这种方式能够在打印过程中保持形状的同时构建连续的结构，提高阳模表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及仿生脏器制作技术领域，具体而言涉及一种仿生脏器制作装置及制作方法。
背景技术
仿生脏器能够为医疗工作者提供安全且较为真实的平台，起到训练的作用，同时，可以利用核磁共振数据制作出患者的仿生脏器，进行术前的模拟，提高手术效率，降低手术风险，仿生脏器的制作过程需要考虑其形状、尺寸、结构、功能等多方面的因素，以满足不同的临床需求。
传统的仿生脏器制作是采用三轴3D打印机构建仿生脏器模型，然后使用硅胶翻模制作脏器阴模，最后再使用透明硅胶灌注脏器阴模制作出透明的脏器模型。
而传统的3D打印机通常仅提供有限的自由度，并采用传统的逐层堆叠方式打印，限制了在三维空间内创建复杂结构的能力，在实现结构复杂加工件时，受制于打印自由度，打印路径的规划受限，打印过程中需要创建大量的辅助支撑结构，导致脏器阳模表面粗糙，且由于脏器结构的复杂性，尤其是血管阳模的结构精细且复杂，传统的制作方法无法复刻脏器内部的血管，与真实肝脏差距较大，能够提供的训练价值小。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的第一方面提出一种仿生脏器制作装置，包括：
打印喷头；
喷头驱动部件，所述喷头驱动部件设有两个自由度；
基材驱动部件，所述基材驱动部件设有三个自由度；
控制部件，用于控制所述打印喷头、喷头驱动部件和基材驱动部件动作，使装置能够进行五自由度3D打印。
其中，所述喷头驱动部件包括Z轴运动部件和X轴运动部件，所述打印喷头连接到所述X轴运动部件上，所述X轴运动部件连接到所述Z轴运动部件上，所述Z轴运动部件和所述X轴运动部件的运动方向相互垂直；
所述基材驱动部件包括Y轴运动部件、A轴运动部件和C轴运动部件，所述A轴运动部件连接到所述Y轴运动部件上，所述C轴运动部件连接到所述A轴运动部件上，所述Y轴运动部件的运动方向同时垂直于所述Z轴运动部件、X轴运动部件的运动方向，所述A轴运动部件绕所述Y轴运动部件的运动方向摆动，所述C轴运动部件绕所述Z轴运动部件的运动方向旋转；
所述打印喷头用于喷出熔融的可溶性材料，并在C轴运动部件的表面按照先打印形成主干部，再在主干部的表面打印形成分支部的顺序打印形成血管阳模，其中，在打印主干部或分支部时，保持当前打印结构与竖直方向的偏斜角度小于30°。
优选的，所述Z轴运动部件包括两个对称布置且能够同步运行的伺服滑台。
优选的，所述X轴运动部件和Y轴运动部件均为直线伺服滑台。
优选的，所述A轴运动部件包括支座、摆动臂和驱动电机，所述支座连接到所述Y轴运动部件上，所述摆动臂的两端转动连接到所述支座上，所述驱动电机固定在所述支座上，所述驱动电机的输出端与所述摆动臂连接并驱动所述摆动臂摆动。
优选的，所述C轴运动部件包括伺服旋转平台。
本发明第二方面提出一种技术方案，一种制作仿生脏器的方法，包括以下步骤：
S1、制作血管阳模，选择需要的血管片段，利用上述仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出所述血管阳模；
S2、制作血管模型；
S2.1、使用硅胶原液、色母和固化剂混合，配置硅胶溶液；
S2.2、在所述血管阳模表面涂抹脱模剂；
S2.3、用毛刷将步骤S2.1中配置好的硅胶溶液涂于所述血管阳模表面，静置晾干，五分钟后，再厚涂一层，并置于通风处静置两小时晾干；
S2.4、使用超声装置加热水溶解所述血管阳模，得到血管模型；
S3、制作脏器阳模，选择需要制作的脏器，利用上述仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出脏器阳模；
S4、制作脏器阴模；
S4.1、使用硅胶原液、硅胶油、固化剂和稀释剂混合，配置硅胶溶液；
S4.2、翻模脏器阴模，将步骤S4.1中配置好的硅胶溶液倒入容器中，并完全覆盖脏器阳模，等待硅胶固化，完全固化后形成所述脏器阴模；
S5、制作仿生脏器模型；
S5.1，使用硅胶原液、硅油和着色剂混合，配置硅胶溶液；
S5.2，将步骤S4中制作的所述脏器阴模打开，然后将步骤S2中制作的血管模型置于所述脏器阴模内，并定位；
S5.3，将所述脏器阴模合模，并在阴模顶部开口，由开口将步骤S4.1中配置的硅胶溶液注入所述脏器阴模内，等待硅胶固化后，打开所述脏器阴模，并取出模型，得到最终的仿生脏器模型；
其中，所述步骤S1中，打印喷头在C轴运动部件的表面依次打印出主干部和分支部形成血管阳模，在打印过程中，根据主干部和分支部的空间角度，通过调整所述A轴运动部件摆动调整倾斜角度，并配合所述C轴运动部件调整旋转角度和倾斜度，使主干部和分支部被打印时的打印截面始终与水平方向的夹角小于30度。
优选的，所述步骤S1和S3中，血管阳模、脏器阳模打印完成后，用毛刷沾PVA水溶液涂抹模型表面，处理表面打印纹路。
优选的，所述步骤S4.2中，硅胶固化形成脏器阴模后，在阴模两侧倒入石膏，待石膏固化后，在脏器阴模形成硬质石膏板，加固脏器阴模。
优选的，所述硬质石膏板的厚度为1.0-2.0cm。
优选的，所述步骤S5.1中，硅胶溶液混合完成后，使用真空抽取机去除硅胶溶液中的气泡。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、利用五自由度的3D打印装置打印血管及脏器阳模时，得益于更自由的打印路径规划，在制作形状复杂的分支部血管时，通过A轴运动部件摆动调整倾斜角度，并配合C轴运动部件调整旋转角度，使分支部的打印截面始终垂直于打印喷头出料方向，能够通过以保形方式打印，这种方式能够在打印过程中保持形状的同时构建连续的结构，提高阳模表面质量。
2、利用五自由度的3D打印装置打印出血管及脏器阳模，然后利用血管及脏器阳模分别制作出硅胶血管模型和脏器阴模，并将硅胶血管模型置于脏器阴模内并定位，最后将脏器阴模合模浇注硅胶溶液中，待硅胶溶液凝固后，打开脏器阴模，取出仿生脏器，得到最终的仿生脏器模型，具有人体脏器的真实回弹触感以及可以填充血浆的优点，脏器的仿真度较高，有较高的训练价值，为医生提供一个安全且逼真的手术模拟平台。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明所示的仿生脏器制作装置结构示意图。
图2是本发明所示的血管阳模结构示意图
图3是本发明所示的血管模型被定位在脏器阴模内的结构示意图。
图中：10、打印喷头；20、Z轴运动部件；30、X轴运动部件；40、Y轴运动部件；50、A轴运动部件；51、支座；52、摆动臂；53、驱动电机；60、C轴运动部件；70、血管阳模；71、主干部；72、分支部；80、脏器阴模。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
【仿生脏器制作装置】
结合图1所示，本发明第一方面提供一种技术方案，一种仿生脏器制作装置，主要包括打印喷头10、喷头驱动部件、基材驱动部件和控制部件，喷头驱动部件设有两个自由度，基材驱动部件设有三个自由度，在控制部件的协同控制下，使装置能够进行五自由度3D打印。
打印喷头10采用泰坦微型送料机构进行送料。
其中，喷头驱动部件包括Z轴运动部件20和X轴运动部件30，打印喷头10连接到X轴运动部件30上，X轴运动部件30连接到Z轴运动部件20上，Z轴运动部件20和X轴运动部件30的运动方向相互垂直。
进一步的，基材驱动部件包括Y轴运动部件40、A轴运动部件50和C轴运动部件60，A轴运动部件50连接到Y轴运动部件40上，C轴运动部件60连接到A轴运动部件50上，Y轴运动部件40的运动方向同时垂直于Z轴运动部件20、X轴运动部件30的运动方向，A轴运动部件50绕Y轴运动部件40的运动方向摆动，C轴运动部件60绕Z轴运动部件20的运动方向旋转。
如此，在Z轴运动部件20和X轴运动部件30的协同驱动下，分别在Z轴和X轴方向上控制打印喷头10的位置，同时，在Y轴运动部件40的驱动下，在Y轴方向上控制基材的位置，在A轴运动部件50的驱动下，使得基材能够摆动，在C轴运动部件60的驱动下，使得基材能够旋转，实现五轴运动，能够在多个方向上灵活调整打印头及基材的位置，从而规划更自由的打印路径，用以适应复杂形状的需求。
控制部件为duet2控制板与due5x扩展版协同工作，对喷头驱动部件、基材驱动部件、打印喷头10以及打印喷头10的送料电机(控制材料供给)进行精确控制，Duet2控制板主板搭载ARM Cortex-M4 ATSAM4E8E主芯片，运行主频高达120MHz，自带FPU浮点数运算单元，确保高效的运算和运动控制，主板还集成了WiFi模块，通过网页连接模块的IP进行远程控制和打印任务管理。
在可选的实施例中，Z轴运动部件20包括两个对称布置且能够同步运行的伺服滑台，X轴运动部件30和Y轴运动部件40均为独立的直线伺服滑台，采用同步运行的两个伺服滑台能够对X轴运动部件30的两端支撑，并同步驱动X轴运动部件30的两端移动，保持X轴运动部件30的水平，且伺服滑台的控制精度更高，能够精准控制打印喷头10或基材的移动。
结合图1所示，A轴运动部件50包括支座51、摆动臂52和驱动电机53，支座51连接到Y轴运动部件40上，摆动臂52的两端转动连接到支座51上，驱动电机53固定在支座51上，驱动电机53的输出端与摆动臂52连接并驱动摆动臂52摆动。
如此，支座51上的驱动电机53能够驱动摆动臂52摆动，实现基材的正负90°摆动。
进一步的，C轴运动部件60包括伺服旋转平台，基材打印托盘置于C轴运动部件60的输出端，通过伺服旋转平台驱动基材进行360°旋转，其采用伺服电机驱动，旋转精度高。
其中，打印喷头10用于喷出熔融的可溶性材料，并在C轴运动部件60的表面按照先打印形成主干部71，再在主干部71的表面打印形成分支部72的顺序打印形成血管阳模70，其中，在打印主干部71或分支部72时，保持当前打印结构与竖直方向的偏斜角度小于30°。
【仿生脏器的制作方法】
本发明第二方面提出一种技术方案，一种制作仿生脏器的方法，包括以下步骤：
S1、制作血管阳模70，选择需要的血管片段，利用上述仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出血管阳模70；
S2、制作血管模型；
S2.1、使用硅胶原液、色母和固化剂混合，配置硅胶溶液；
S2.2、在血管阳模70表面涂抹脱模剂；
S2.3、用毛刷将步骤S2.1中配置好的硅胶溶液涂于血管阳模70表面，静置晾干，五分钟后，再厚涂一层，并置于通风处静置两小时晾干；
S2.4、使用超声装置加热水溶解血管阳模70，得到血管模型；
S3、制作脏器阳模，选择需要制作的脏器，利用上述仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出脏器阳模；
S4、制作脏器阴模80；
S4.1、使用硅胶原液、硅胶油、固化剂和稀释剂混合，配置硅胶溶液；
S4.2、翻模脏器阴模80，将步骤S4.1中配置好的硅胶溶液倒入容器中，并完全覆盖脏器阳模，等待硅胶固化，完全固化后形成脏器阴模80；
S5、制作仿生脏器模型；
S5.1，使用硅胶原液、硅油和着色剂混合，配置硅胶溶液；
S5.2，将步骤S4中制作的脏器阴模80打开，然后将步骤S2中制作的血管模型置于脏器阴模80内，并定位；
S5.3，将脏器阴模80合模，并在阴模顶部开口，由开口将步骤S4.1中配置的硅胶溶液注入脏器阴模80内，等待硅胶固化后，打开脏器阴模80，并取出模型，得到最终的仿生脏器模型；
其中，步骤S1中，打印喷头10在C轴运动部件60的表面依次打印出主干部71和分支部72形成血管阳模70，在打印过程中，根据主干部71和分支部72的空间角度，通过调整所述A轴运动部件50摆动调整倾斜角度，并配合所述C轴运动部件60调整旋转角度和倾斜度，使主干部71和分支部72被打印时的打印截面始终与水平方向的夹角小于30度。
利用五自由度的3D打印装置打印血管及脏器阳模时，得益于更自由的打印路径规划，在制作形状复杂的分支部72时，通过A轴运动部件50摆动调整倾斜角度，并配合C轴运动部件60调整旋转和倾斜角度，使主干部71和分支部72的打印截面始终垂直于打印喷头10出料方向，并且保持主干部71和分支部72结构的延伸方向尽量平行于竖直方向，以避免因重力导致的结构变形，这种方式能够在打印过程中保持形状的同时构建连续的结构，提高阳模表面质量。
进一步的，步骤S1和S3中，血管阳模70、脏器阳模打印完成后，用毛刷沾PVA水溶液涂抹模型表面，去除表面打印纹路，提高后续翻模的质量。
上述步骤S4.2中，当硅胶固化形成脏器阴模80后，在阴模两侧倒入石膏，待石膏固化后，在脏器阴模80两侧形成硬质石膏板，然后再将阴模取出打开，由于硅胶固化形成的脏器阴模80质地较软，而硬质石膏板能够起到加固脏器阴模80的作用，在阴模后续合模浇注硅胶时，能够通过硬质石膏板将阴模夹紧，避免出现漏液的现象。
在可选的实施例中，硬质石膏板的厚度为1.0-2.0cm，优选硬质石膏板的厚度为2.0cm，从而保证硬质石膏板的强度，避免夹紧时石膏板断裂。
上述步骤S5.1中，硅胶溶液混合完成后，使用真空抽取机去除硅胶溶液中的气泡，提高模型的制作质量。
结合以上实施例，利用五自由度的3D打印装置打印血管及脏器阳模时，得益于更自由的打印路径规划，在制作形状复杂的分支部72时，通过A轴运动部件50摆动调整倾斜角度，并配合C轴运动部件60调整旋转角度，使分支部72的打印截面始终垂直于打印喷头10出料方向，能够通过以保形方式打印，这种方式能够在打印过程中保持形状的同时构建连续的结构，提高阳模表面质量；
利用五自由度的3D打印装置打印出血管及脏器阳模，然后利用血管及脏器阳模分别制作出硅胶血管模型和脏器阴模，并将硅胶血管模型置于脏器阴模内并定位，最后将脏器阴模合模浇注硅胶溶液中，待硅胶溶液凝固后，打开脏器阴模，取出仿生脏器，得到最终的仿生脏器模型，具有人体脏器的真实回弹触感以及可以填充血浆的优点，脏器的仿真度较高，具有较高的训练价值，为医生提供一个安全且逼真的手术模拟平台。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种仿生脏器制作装置，其特征在于，包括：
打印喷头(10)；
喷头驱动部件，所述喷头驱动部件设有两个自由度；
基材驱动部件，所述基材驱动部件设有三个自由度；
控制部件，用于控制所述打印喷头(10)、喷头驱动部件和基材驱动部件动作，使装置能够进行五自由度3D打印；
其中，所述喷头驱动部件包括Z轴运动部件(20)和X轴运动部件(30)，所述打印喷头(10)连接到所述X轴运动部件(30)上，所述X轴运动部件(30)连接到所述Z轴运动部件(20)上，所述Z轴运动部件(20)和所述X轴运动部件(30)的运动方向相互垂直；
所述基材驱动部件包括Y轴运动部件(40)、A轴运动部件(50)和C轴运动部件(60)，所述A轴运动部件(50)连接到所述Y轴运动部件(40)上，所述C轴运动部件(60)连接到所述A轴运动部件(50)上，所述Y轴运动部件(40)的运动方向同时垂直于所述Z轴运动部件(20)、X轴运动部件(30)的运动方向，所述A轴运动部件(50)绕所述Y轴运动部件(40)的运动方向摆动，所述C轴运动部件(60)绕所述Z轴运动部件(20)的运动方向旋转；
所述打印喷头(10)用于喷出熔融的可溶性材料，并在C轴运动部件(60)的表面按照先打印形成主干部(71)，再在主干部(71)的表面打印形成分支部(72)的顺序打印形成血管阳模(70)，其中，在打印主干部(71)或分支部(72)时，保持当前打印结构与竖直方向的偏斜角度小于30°。
2.根据权利要求1所述的仿生脏器制作装置，其特征在于，所述Z轴运动部件(20)包括两个对称布置且能够同步运行的伺服滑台。
3.根据权利要求1所述的仿生脏器制作装置，其特征在于，所述X轴运动部件(30)和Y轴运动部件(40)均为直线伺服滑台。
4.根据权利要求1所述的仿生脏器制作装置，其特征在于，所述A轴运动部件(50)包括支座(51)、摆动臂(52)和驱动电机(53)，所述支座(51)连接到所述Y轴运动部件(40)上，所述摆动臂(52)的两端转动连接到所述支座(51)上，所述驱动电机(53)固定在所述支座(51)上，所述驱动电机(53)的输出端与所述摆动臂(52)连接并驱动所述摆动臂(52)摆动。
5.根据权利要求1所述的仿生脏器制作装置，其特征在于，所述C轴运动部件(60)包括伺服旋转平台。
6.一种制作仿生脏器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作血管阳模(70)，选择需要的血管片段，采用权利要求1-5中任意一项所述的仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出所述血管阳模(70)；
S2、制作血管模型；
S2.1、使用硅胶原液、色母和固化剂混合，配置硅胶溶液；
S2.2、在所述血管阳模(70)表面涂抹脱模剂；
S2.3、用毛刷将步骤S2.1中配置好的硅胶溶液涂于所述血管阳模(70)表面，静置晾干，五分钟后，再厚涂一层，并置于通风处静置两小时晾干；
S2.4、使用超声装置加热水溶解所述血管阳模(70)，得到血管模型；
S3、制作脏器阳模，选择需要制作的脏器，利用上述仿生脏器制作装置使用可溶解耗材打印出脏器阳模；
S4、制作脏器阴模(80)；
S4.1、使用硅胶原液、硅胶油、固化剂和稀释剂混合，配置硅胶溶液；
S4.2、翻模脏器阴模(80)，将步骤S4.1中配置好的硅胶溶液倒入容器中，并完全覆盖脏器阳模，等待硅胶固化，完全固化后形成所述脏器阴模(80)；
S5、制作仿生脏器模型；
S5.1，使用硅胶原液、硅油和着色剂混合，配置硅胶溶液；
S5.2，将步骤S4中制作的所述脏器阴模(80)打开，然后将步骤S2中制作的血管模型置于所述脏器阴模(80)内，并定位；
S5.3，将所述脏器阴模(80)合模，并在阴模顶部开口，由开口将步骤S4.1中配置的硅胶溶液注入所述脏器阴模(80)内，等待硅胶固化后，打开所述脏器阴模(80)，并取出模型，得到最终的仿生脏器模型；
其中，所述步骤S1中，打印喷头(10)在C轴运动部件(60)的表面依次打印出主干部(71)和分支部(72)形成血管阳模(70)，在打印过程中，根据主干部(71)和分支部(72)的空间角度，通过调整所述A轴运动部件(50)摆动调整倾斜角度，并配合所述C轴运动部件(60)调整旋转角度和倾斜度，使主干部(71)和分支部(72)被打印时的打印截面始终与水平方向的夹角小于30度。
7.根据权利要求6所述的制作仿生脏器的方法，其特征在于，所述步骤S1和S3中，血管阳模(70)、脏器阳模打印完成后，用毛刷沾PVA水溶液涂抹模型表面，处理表面打印纹路。
8.根据权利要求6所述的制作仿生脏器的方法，其特征在于，所述步骤S4.2中，硅胶固化形成所述脏器阴模(80)后，在阴模两侧倒入石膏，待石膏固化后，在所述脏器阴模(80)形成硬质石膏板，加固所述脏器阴模(80)。
9.根据权利要求8所述的制作仿生脏器的方法，其特征在于，所述硬质石膏板的厚度为1.0-2.0cm。
10.根据权利要求6所述的制作仿生脏器的方法，其特征在于，所述步骤S5.1中，硅胶溶液混合完成后，使用真空抽取机去除硅胶溶液中的气泡。
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