ES2927780T3 - Aparato de electrohilado y microextrusión combinados - Google Patents

Abstract

Aparato combinado de electrohilado y microextrusión, que comprende un manipulador robótico (10) provisto de una pluralidad de grados de libertad, un efector final (20) soportado y móvil por el manipulador robótico (10), una pluralidad de extrusoras (30) alojadas en el extremo efector (20), estando provisto cada uno de los extrusores de una boquilla intercambiable (31) para la extrusión de al menos un material, un plano de trabajo (40) configurado para la deposición del material extruido, un circuito neumático (120) configurado para suministrar un flujo de fluido a las extrusoras (30) para controlar la extrusión del material, y un generador eléctrico (50) activable selectivamente para aplicar una diferencia de potencial entre las boquillas (31) de las extrusoras (30) y el plano de trabajo (40).), por lo que las extrusoras (30) son capaces de operar selectivamente en modo microextrusión con generador eléctrico inactivo o en modo electrohilado con generador eléctrico activo, de forma independiente entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de electrohilado y microextrusión combinados

La presente invención se refiere en general a las técnicas de nano- y microfabricación en el campo de la ingeniería de tejidos.

La ingeniería de tejidos es una ciencia multidisciplinar cuyo objetivo es la creación de sustitutos biológicos funcionales y biocompatibles, capaces de restaurar la función de un órgano o tejido dañado y posiblemente reemplazarlo. El tejido biológico mencionado anteriormente puede considerarse como una estructura heterogénea con una topología definida por elementos de escala nanométrica y micrométrica.

Dado que los tejidos biológicos están compuestos de elementos de micro- y nanoescala, una estructura (o andamio) capaz de reemplazarlos o repararlos es necesario que esté compuesta por diferentes tipos de materiales, procesados a múltiples escalas, con propiedades mecánicas y estructurales adecuadas, capaces de imitar el entorno fisiológico. La introducción de elementos a escala nanométrica es necesaria para aumentar la relación superficie-volumen de una estructura, promover la adhesión de células y garantizar la proliferación de las mismas.

De una manera diferente, los elementos a escala micrométrica definen el espacio tridimensional en el que se garantiza la eliminación de productos residuales celulares y un buen flujo de entrada de nutrientes.

Para garantizar las características mencionadas anteriormente dentro de una estructura, deben procesarse diferentes tipos de materiales por medio de diferentes técnicas que garantizan diversidad en la escala de resolución espacial dentro de la misma estructura.

Actualmente, el uso de tecnologías de fabricación aditiva es uno de los enfoques más prometedores para la fabricación de andamios con arquitectura controlada mediante el uso de una amplia gama de materiales naturales o sintéticos. Con tecnologías basadas en el enfoque mencionado anteriormente, comenzando a partir de un modelo tridimensional creado usando un software de CAD (diseño asistido por ordenador), es posible crear una estructura por medio de fabricación asistida por ordenador (CAM), que permite la construcción de la misma por medio de deposición de material capa por capa hasta que se forma completamente. Este enfoque también se conoce en la bibliografía como bioimpresión.

De gran interés son las estructuras híbridas obtenidas a través de la combinación de técnicas de fabricación aditiva con tecnología de electrohilado, que permite obtener filamentos continuos de material con un diámetro inferior a un micrómetro mediante el uso de un campo electrostático, que determina el estiramiento, elongación y reducción de la sección transversal del material que está procesándose. La presencia del campo electrostático mencionado anteriormente durante el uso de la técnica de electrohilado provoca la principal dificultad para crear un dispositivo que pueda combinar una técnica de este tipo con tecnología de extrusión. Este factor hace necesario usar protección en cualquier componente que pueda causar una perturbación en el campo eléctrico o comprometer la funcionalidad del mismo. Además, el uso de materiales no conductores y distancias de diseño apropiadas de los diversos elementos del dispositivo se vuelven necesarios para evitar cualquier interacción con el campo electrostático generado.

Existen varios dispositivos conocidos que utilizan las técnicas de electrohilado y extrusión con estaciones de procesamiento separadas, que limitan la calidad de la estructura que va a fabricarse, cuyo proceso de construcción se interrumpe continuamente porque los dispositivos mencionados anteriormente deben mover automáticamente el plano de trabajo entre las diversas estaciones presentes para combinar las técnicas de fabricación mencionadas anteriormente. La presencia de estaciones de procesamiento separadas dentro de los dispositivos mencionados anteriormente aumenta el volumen global de la máquina, así como el tiempo de trabajo, corriendo el riesgo de perturbar la estructura durante la construcción.

Por lo tanto, existe la necesidad de fabricar dispositivos capaces de combinar diferentes técnicas en el mismo espacio de trabajo, evitando el uso de dispositivos separados, y la obligación de tener que mover la pieza en construcción desde el espacio de trabajo de un dispositivo al de otro dispositivo.

Por lo tanto, el objeto de la invención es un aparato de electrohilado y microextrusión combinados, que comprende

un manipulador robótico dotado de una pluralidad de grados de libertad,

un efector terminal soportado y que puede moverse por el manipulador robótico,

una pluralidad de extrusoras alojadas en el efector terminal, estando cada una de dichas extrusoras dotada de una boquilla intercambiable para la extrusión de al menos un material,

un plano de trabajo configurado para la deposición del material extruido,

un circuito neumático configurado para suministrar un flujo de fluido a las extrusoras para controlar la extrusión del material, y

un generador eléctrico que puede activarse selectivamente para aplicar una diferencia de potencial entre las boquillas de las extrusoras y el plano de trabajo, mediante lo cual las extrusoras son capaces de funcionar selectivamente en modo de microextrusión con generador eléctrico inactivo o en modo de electrohilado con generador eléctrico activo, de manera independiente entre sí.

La invención mencionada anteriormente resuelve el problema de la presencia de estaciones separadas en el mismo dispositivo ya que las múltiples extrusoras mencionadas anteriormente se alojan en el único efector terminal del manipulador robótico. Las extrusoras comprenden boquillas intercambiables que permiten, a través de un reemplazo simple y rápido de las mismas, una variación de escala de la resolución espacial de la estructura que va a construirse, incluso durante el procesamiento de la misma. En modo de microextrusión, es posible obtener estructuras con dimensiones características de hasta el orden del micrómetro (10-100 micrómetros), mientras que en el modo de electrohilado es posible obtener estructuras de nanofibras con un diámetro de fibra de aproximadamente 50-100 nanómetros.

La posibilidad de procesamiento por medio de la técnica de electrohilado y microextrusión usando una sola estación permite que se aumente la velocidad de fabricación y estas técnicas se combinen de manera simple y rápida sin tener que mover la estructura durante la etapa de construcción.

Además, la alta movilidad del manipulador en el espacio proporciona la posibilidad de fabricar diferentes estructuras al mismo tiempo en el mismo plano de trabajo.

Características y ventajas adicionales de la invención serán más evidentes en la siguiente descripción detallada de una realización de la invención, hecha con referencia a los dibujos adjuntos, proporcionados para ser puramente ilustrativos y no limitantes, en los que

la figura 1 es una vista en perspectiva de un manipulador robótico de un aparato según la invención;

la figura 2 es una vista en alzado lateral del manipulador de la figura 1;

la figura 3 es una vista en perspectiva del manipulador dentro de una estructura de aislamiento;

las figuras 4 y 5 son vistas en perspectiva, respectivamente desde la parte inferior y la parte superior de un efector terminal del manipulador de la figura 1;

la figura 6 es un diagrama de bloques de un aparato según la invención; y

la figura 7 es una vista en sección transversal del efector de las figuras 4 y 5.

Con referencia inicialmente a las figuras 1 y 2, un aparato de electrohilado y microextrusión comprende un manipulador robótico 10, que en la realización ilustrada se basa en un sistema robótico con una arquitectura de tipo paralelo, capaz de garantizar precisión y velocidad en los movimientos de su efector terminal 20, indicado a continuación en el presente documento también como una plataforma móvil. El efector terminal 20 puede alojar un número de extrusoras neumáticas 30 para la deposición de material, visible, por ejemplo, en la figura 2.

La realización con arquitectura robótica de tipo paralelo comprende varios enlaces cinemáticos que conectan una plataforma 11 superior fija a la plataforma 20 móvil que constituye el efector terminal del aparato. Esta plataforma 11 superior está unida y anclada a la pared superior 13a (véase la figura 3) de una estructura 13 en la que se aloja el manipulador 10. La unión de la plataforma 11 superior mencionada anteriormente se hace posible por medio de un soporte 12 hecho de material no conductor. En los lados de la misma plataforma 11 superior están dispuestos los alojamientos 11 a para los accionadores 11 b, uno por enlace cinemático, que permiten el accionamiento de los movimientos del sistema articulado.

Cada enlace cinemático comprende dos elementos estructurales hechos de material no conductor: el brazo 11c superior y el paralelogramo articulado 11d. El brazo 11c superior permite la conexión del enlace cinemático al accionador 11b respectivo. El brazo 11c está conectado al paralelogramo articulado 11d posterior por medio de dos juntas esféricas 11e. Los paralelogramos articulados 11d también están hechos de material no conductor. Cada paralelogramo articulado 11d está conectado al efector terminal 20 mediante juntas esféricas 11f. Las juntas esféricas 11e y 11f están hechas de material no conductor. Estas juntas hacen más simple la estructura al facilitar la fluidez de los movimientos según los múltiples grados de libertad de la máquina. Más generalmente, todos los componentes están unidos con conexiones hechas de material no conductor, para evitar componentes metálicos cercanos al plano de trabajo del dispositivo, que podrían crear variaciones en el campo eléctrico producido durante la etapa de electrohilado.

Un plano de trabajo, o plataforma de deposición 40, mostrado, por ejemplo, en la figura 2, está compuesto por material conductor. El plano de trabajo 40 está configurado para ser fácilmente intercambiable; por ejemplo, este plano puede proporcionar un soporte sobre el cual se coloca una lámina de material conductor guiada por rodillos. El plano de trabajo 40 mencionado anteriormente permite la deposición controlada durante la etapa de microextrusión y la deposición de nanofibras durante la etapa de electrohilado, durante la cual se aplica una diferencia de potencial entre las boquillas 31 asociadas con las extrusoras 30 y el plano de trabajo 40 mencionado anteriormente para crear un campo electrostático capaz de electrohilar el material contenido en los depósitos 32 de las extrusoras 30. Con el fin de aplicar esta diferencia de potencial, se prevé que las boquillas 31 dotadas de una aguja hecha de material conductor estén equipadas con terminales 33 respectivos conectados a un generador de tensión 50. El generador de tensión 50 proporciona el potencial constante requerido para el uso de la tecnología de electrohilado.

La estructura 13 donde se alojan el manipulador 10 y el plano de trabajo 40 puede adoptar una forma cilíndrica y tiene paredes laterales 13b hechas de material no conductor que evitan la dispersión del campo eléctrico al exterior durante la etapa de electrohilado. La estructura 13 está dotada de un sistema 13c de acceso, tal como una puerta u orificio, que también está hecho de material no conductor. Tal estructura 13 tiene un sistema de visualización desde el exterior que permite observar la etapa de trabajo del dispositivo contenido en la misma. Este sistema de visualización puede consistir simplemente en las paredes laterales 13b de la estructura 13 que están hechas de material ópticamente transparente.

La estructura de alojamiento 13 puede proporcionar un sistema de seguridad para garantizar un manejo seguro, una detención en caso de fallos de funcionamiento o bien automáticos o bien manuales y un sistema de alarma audible y visual (indicado en 13d en la figura 3). La posible presencia de un sistema de recirculación de aire (indicado en 13e en la figura 3) evita la fuga desde la estructura de cualquier residuo causado por la evaporación de disolventes durante el proceso de electrohilado, y la instalación de posibles luces protegidas garantizaría una excelente visibilidad incluso en el caso de una iluminación externa deficiente.

Además, un sistema de control de descarga eléctrica permite un funcionamiento seguro durante la etapa de electrohilado. El sistema mencionado anteriormente detiene la etapa de trabajo en curso si se detectan corrientes eléctricas anómalas causadas por tales descargas dentro del espacio de trabajo.

La posible presencia de un sistema de control de entorno (indicado en 60 en la figura 6) permite la monitorización de parámetros de temperatura y humedad. Tal control permite establecer condiciones deseadas dentro del entorno de trabajo del dispositivo basándose en los materiales elegidos y las técnicas utilizadas para lograr un éxito óptimo en la estructura que va a construirse.

El control de los movimientos del dispositivo (referencia 70 en la figura 6) se hace posible mediante firmware implementado en un microcontrolador 80 que permite aprovechar las características del dispositivo controlando los actuadores presentes. Un sistema de control externo puede estar compuesto por una palanca de control y un panel de botones pulsadores para los movimientos y las rotaciones de la plataforma móvil del manipulador robótico. Una interfaz presente en el controlador 80 permite además establecer la presión óptima para el uso del sistema de extrusión neumático (referencia 90 en la figura 6) por medio de la regulación automática de un sistema de válvula solenoide (referencia 100). Además, un sistema de este tipo permite establecer los parámetros que son útiles para el funcionamiento correcto del modo de electrohilado (referencia 110).

La plataforma 20 móvil mencionada anteriormente, o efector terminal, se muestra en las figuras 4 y 5 y aloja varias extrusoras neumáticas 30 que permiten la deposición del material mediante el uso de depósitos 32 dotados de boquillas 31. La estructura de cada extrusora 30 comprende un asiento para la instalación del depósito 32 respectivo. En el ejemplo mostrado, este asiento comprende un pasador hueco central 30a y dos salientes laterales opuestos 30b, que permiten el enclavamiento y el bloqueo mediante la rotación del depósito 32 y garantizan una fácil retirada del depósito para una rápida reposición del material.

En la parte superior de la plataforma 20 móvil mencionada anteriormente (mostrada en la figura 5) hay conectores 30c en comunicación de fluido con los pasadores huecos 30a respectivos, que permiten la conexión de tubos de un circuito neumático 120 para controlar la extrusión neumática modulando un flujo de aire.

La ausencia de fugas de aire desde el depósito durante la operación de extrusión está garantizada por una junta circular 30c colocada alrededor del pasador central 30a en una ranura respectiva y por una junta 30d colocada en la base de los asientos de los depósitos 32 mencionados anteriormente. La junta 30d mencionada anteriormente garantiza la estanqueidad al aire debido a los salientes opuestos 30b que empujan la base del depósito 32 (equipada a su vez con aletas 32a opuestas; véase la figura 7) contra las mismas después de haber realizado el enclavamiento y la rotación del depósito.

El circuito neumático 120 para controlar la extrusión neumática comprende el sistema 90 de presión capaz de crear un gradiente de presión adecuado y el sistema 100 de modulación de flujo de aire. Al establecer una presión precisa, mediante el uso del controlador 80, es posible suministrar un flujo de aire (flechas A en la figura 7), controlado por el sistema 100 de modulación mencionado anteriormente, que entra en las extrusoras 30 dentro de los depósitos 32 por medio de los tubos 120a, 120b del circuito neumático 120 fijados a la plataforma 20 móvil del sistema, y promueve la deposición de material. El control cinemático del dispositivo por medio del sistema de accionamiento especial, permite que se dirija la deposición del material extruido, usando un control manual o a través de la comunicación de un ciclo de trabajo completo que se interpreta por el microcontrolador 80 debido al firmware guardado en la memoria.

El aparato descrito anteriormente es capaz de trabajar usando la técnica de electrohilado por medio de los instrumentos presentes dentro de la estructura 13 que aloja el manipulador. Estos instrumentos comprenden el generador de tensión 50 constante y los terminales 33 necesarios para poder aplicar la diferencia de potencial eléctrico entre las boquillas 31 y el plano de trabajo 40.

Dado que el aparato está diseñado para alojar los accionadores 11b a una distancia suficientemente alejada de las boquillas 31 de las extrusoras 30 presentes en la plataforma 20 móvil, el campo eléctrico producido por la aplicación del potencial a las boquillas 31 mencionadas anteriormente no perturba el funcionamiento de los accionadores. Las líneas de campo eléctrico se cierran sobre el plano de trabajo 40 que actúa como un electrodo que lo conecta a un potencial conocido y garantiza la ausencia de cualquier perturbación al campo eléctrico. Además, el sistema de extrusión neumático descrito anteriormente no comprende ninguna parte metálica para evitar las perturbaciones de campo eléctrico mencionadas anteriormente.

El electrohilado de nanofibras y la posterior deposición de las mismas en el plano de trabajo 40 tiene lugar mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre las boquillas 31 y el plano de trabajo 40, que genera una atracción electrostática entre las agujas de las boquillas y el plano mencionado anteriormente. El potencial aplicado a las boquillas se establece por medio del controlador 80, que permite el accionamiento del sistema de electrohilado presente en el aparato. Debido a la posibilidad de modificar la posición del efector terminal 20 a lo largo del eje vertical (eje z en la figura 2), pueden producirse fibras con diferentes grosores basándose en la distancia del plano de trabajo con respecto a la aguja; en particular, aumentar esta distancia aumenta el grosor de las fibras electrohiladas, obteniendo de ese modo estructuras con nanoarquitectura variable.

El proceso de microextrusión y el de electrohilado se llevan a cabo usando las extrusoras neumáticas presentes, y, pudiendo elegir boquillas de un tamaño establecido basándose en el proceso utilizado, es posible obtener una resolución precisa de la estructura, que puede variar de milímetros a micrómetros en el proceso de microextrusión. En este proceso, la plataforma 20 móvil se acerca a la superficie 40 de deposición para obtener una distancia óptima entre la boquilla y el plano de trabajo, permitiendo que las estructuras se fabriquen a través de la deposición capa por capa del material extruido. Durante la etapa de electrohilado, es posible depositar nanofibras electrohiladas a una distancia entre la aguja y el plano de trabajo establecida por el usuario por medio de control manual o a través de la comunicación de un ciclo de trabajo completo que se interpreta por el microcontrolador 80 usando el firmware guardado en la memoria.

Con el aparato descrito anteriormente, es posible usar por separado la técnica de electrohilado y microextrusión o combinarlas para obtener estructuras a múltiples escalas y de múltiples materiales con aplicaciones útiles en ingeniería de tejidos, usando diferentes materiales y alternando capa por capa las dos técnicas de fabricación presentes.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Aparato de electrohilado y microextrusión combinados, que comprende

un manipulador robótico (10) dotado de una pluralidad de grados de libertad,

un efector terminal (20) soportado y que puede moverse por el manipulador robótico (10),

una pluralidad de extrusoras (30) alojadas en el efector terminal (20), estando cada una de dichas extrusoras dotada de una boquilla intercambiable (31) para la extrusión de al menos un material,

un plano de trabajo (40) configurado para la deposición del material extruido,

un circuito neumático (120) configurado para suministrar un flujo de fluido a las extrusoras (30) para controlar la extrusión del material, y

un generador eléctrico (50) que puede activarse selectivamente para aplicar una diferencia de potencial entre las boquillas (31) de las extrusoras (30) y el plano de trabajo (40), mediante lo cual las extrusoras (30) son capaces de funcionar selectivamente en modo de microextrusión con generador eléctrico inactivo o en modo de electrohilado con generador eléctrico activo, de manera independiente entre sí.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que cada una de las extrusoras (30) comprende un depósito (32) para el material, pudiendo montarse de manera retirable dicho depósito en el efector terminal (20) y portando la boquilla (31) respectiva.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que cada depósito puede montarse en un lado inferior del efector terminal (20), proporcionándose un conector (30c) respectivo en un lado superior del efector terminal (20) para poner el depósito (32) en comunicación de fluido con el circuito neumático (120).

4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una estructura (13) de aislamiento hecha de material no conductor configurada para recibir el manipulador (10) y el plano de trabajo (40), un controlador (80) para controlar el manipulador robótico (10), el circuito neumático (120) y el generador eléctrico (50), y un sistema (13b) de visualización para permitir que el manipulador (10) y el plano de trabajo (40) sean visibles desde el exterior de la estructura (13) de aislamiento exterior.

5. Aparato según la reivindicación 4, en el que el controlador (80) está configurado para ajustar la diferencia de potencial aplicada por el generador (50) entre las boquillas (32) y el plano de trabajo (40).

6. Aparato según la reivindicación 4 o 5, en el que el controlador (80) está configurado para modular la presión de fluido aplicada en las extrusoras (30).

7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que el controlador (80) está configurado además para ajustar parámetros de humedad y temperatura dentro de la estructura (13) de aislamiento.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende además un sistema (13e) de recirculación para retirar vapores debidos a disolventes empleados en el uso del aparato de la estructura (13) de aislamiento.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en el que el controlador (80) está configurado además para detener el aparato en caso de anomalías de funcionamiento.