PL230051B1 - Urządzenie do mieszania materiałów zintegrowane z drukarką 3D - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do mieszania materiałów zintegrowane z drukarką 3D, przeznaczone do zastosowania w celu otrzymania, bezpośrednio przed wydrukiem, homogenicznego materiału kompozytowego, zwłaszcza do wytwarzania tkankowego rusztowania kostnego (skafoldu).

Biodrukarki 3D przeznaczone do wytwarzania implantów medycznych bazują na termoplastycznych materiałach polimerowych. Możliwe jest również wytwarzanie za ich pośrednictwem implantów z materiałów kompozytowych o osnowie polimerowej. Z opisu patentowego nr US8071007 B1 znany jest sposób wytwarzania bioimplantów z materiałów polimerowych lub kompozytowych o osnowie polimerowej z zastosowaniem druku 3D. Zgodnie z tym wynalazkiem materiał kompozytowy, np. polikaprolakton/hydroksyapatyt lub polikaprolakton/trójfosforan wapnia, przygotowuje się wcześniej, czyli przed procesem druku. Podobnie jest w procesach opisanych w zgłoszeniu międzynarodowym nr W02010044758, dotyczących drukowania implantów polimerowych bądź kompozytowych o zadanej architekturze. W tym przypadku stosuje się gotowy materiał kompozytowy, który należy wcześniej poddać sterylizacji. Rozwiązanie takie przybliżone jest również w opisie patentowym nr US8702808 B2, dotyczącym sposobu drukowania z materiału polimerowego lub kompozytowego długodegradowalnych implantów kostnych.

Jak wynika z przytoczonych dokumentów materiał kompozytowy musi być przygotowany przed procesem druku. Oznacza to konieczność przeprowadzenia procesu przygotowawczego celem otrzymania materiału kompozytowego. Jest to rozwiązanie, które zarówno wydłuża całkowity czas potrzebny do otrzymania implantu, jak również zwiększa ryzyko zanieczyszczenia materiału. Ryzyko zanieczyszczenia wiąże się także z opcją korzystania z gotowego, handlowego kompozytu. Tymczasem materiały przeznaczone do aplikacji medycznych muszą posiadać certyfikat czystości medycznej. Dotychczasowe metody wytwarzania materiału kompozytowego, odbywające się poza drukarką 3D, nie rozwiązują tego problemu. Obecne rozwiązania biodrukarek 3D stosowanych w medycynie nie posiadają sytemu, który pozwoliłby na przygotowywanie materiału kompozytowego oraz druku implantu w jednym, zamkniętym procesie, eliminując równocześnie problem z ewentualnym zanieczyszczeniem materiału, jak i powstawaniem strat materiałowych. Drukarki 3D nie posiadają możliwości mieszania materiałów.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia zintegrowanego z drukarką 3D, pozwalającego na uzyskanie materiału kompozytowego o osnowie polimerowej do zastosowania w aplikacjach medycznych w trakcie trwania procesu druku 3D.

Urządzenie do wytwarzania materiału kompozytowego do zastosowania jako część drukarki 3D według wynalazku charakteryzuje się tym, że posiada komorę główną wyposażoną w usytuowaną pionowo mieszającą śrubę ślimakową oraz w środki grzewcze. Komora główna jest połączona od góry z dwiema komorami podającymi, z których każda jest wyposażona w usytuowaną osiowo dozującą śrubę ślimakową. Pierwsza komora jest przeznaczona na pierwszy składnik kompozytu, a druga jest przeznaczona na drugi składnik kompozytu. Komora główna jest oddzielona od komór podających ruchomym zaworem. Od dołu komora główna jest połączona z komorą buforową, oddzieloną od komory głównej ruchomym zaworem i wyposażoną w poziomy tłok. Komora buforowa jest połączona z igłą drukującą drukarki 3D.

Korzystnie komory podające są usytuowane pod kątem względem komory głównej.

Korzystnie środki grzewcze stanowi płaszcz grzewczy.

Korzystnie zawory są zaworami magnetycznymi.

Urządzenie według wynalazku działa w ten sposób, że do jednej z komór podających wprowadza się pierwszy składnik kompozytu, np. materiał polimerowy, do drugiej z komór podających wprowadza się drugi składnik kompozytu, np. proszek ceramiczny. Materiał wprowadzony do komór podających jest dozowany do komory głównej poprzez obrót dozującej śruby ślimakowej. Każda dozująca śruba ślimakowa posiada określoną liczbę zwojów, która wpływa na liczbę obrotów, a to z kolei reguluje ilość podawanego materiału. Komora główna jest komorą szczelnie zamkniętą, której otwarcie, poprzez otwarcie zaworu, następuje tylko w momencie podawania materiału (obrotu śruby ślimakowej). Obrót śruby ślimakowej mieszającej w komorze głównej powoduje mieszanie podanych materiałów. Komora, w której następuje homogenizacja kompozytu polimerowego jest wyposażona w środki grzewcze zapewniające temperaturę mieszania z zakresu temperatury płynięcia polimeru, w zależności od zastosowanego materiału w zakresie od 60°C do 220°C.

PL 230 051 B1

Mieszanie składników kompozytu odbywa się w zadanym czasie, po przekroczeniu którego materiał kompozytowy przekazywany jest grawitacyjnie do komory buforowej, dzięki magnetycznie otwierającemu się zaworowi. Komora buforowa jest bezpośrednio połączona z igłą drukującą, przez którą materiał kompozytowy jest wytłaczany. Wytłaczanie materiału następuje z zastosowaniem tłoka poruszającego się w kierunku igły drukującej.

Urządzenie według wynalazku tworzy głowicę łączącą w sobie wytwarzanie materiału kompozytowego oraz drukowanie z wytworzonego kompozytu rusztowania komórkowego. Urządzenie według wynalazku umożliwia uzyskiwania materiałów kompozytowych in situ w samej drukarce, bez konieczności wcześniejszego mieszania materiałów poza drukarką np. w wytłaczarce. Dzięki temu, że wytwarzanie kompozytu realizowane jest na bieżąco, w trakcie trwania procesu drukowania, nie ma konieczności rozbudowywania pojemnika na materiał. Strefa buforowa jest jedynym pojemnikiem na kompozyt, a jej objętość zapewnia ciągły dostęp do materiału. Precyzyjny system dozujący materiał pozwala na dokładne odmierzanie materiału, dzięki czemu osiąga się oszczędności materiałowe. Kolejną, bardzo ważną zaletą takiego rozwiązania jest nie tylko możliwość zmiany składu wydruku w kolejnych skafoldach, ale również zmiana składu materiału wydruku w ramach jednego skafoldu, jeśli jest to celowe z przyczyn medycznych.

Wytwarzanie materiału kompozytowego odbywa się w małej skali, co zapewnia szybkość procesu wytwarzania, jak i ogranicza straty materiału. Wytwarzanie materiału kompozytowego wedle bieżącego zapotrzebowania eliminuje też konieczność przechowywania materiału. System mieszania materiałów rozwiązuje problem dużego zużycia materiałów do wytworzenia kompozytu, jaki ma miejsce w klasycznych wytłaczarkach.

Urządzenie według wynalazku zostało przedstawione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym widoczny jest schemat urządzenia.

Urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania posiada komorę główną 4 wyposażoną w płaszcz grzewczy 3. Wewnątrz komory głównej 4 znajduje się śruba ślimakowa mieszająca 5. Na górze komory głównej 4 znajdują się dwie ukośnie usytuowane komory podające 7 i 9, każda wyposażona w śrubę ślimakową dozującą 8 i 10. Na dole komory głównej 4 znajduje się komora buforowa 2, wyposażona w tłok 12 i połączona bezpośrednio z igłą wytłaczającą 1 drukarki 3D. Pomiędzy komorą główną 4 i komorami podającymi 7 i 9 znajduje się zawór 6, a pomiędzy komorą główną 4 i komorą buforową 2 znajduje się zawór 11.

Do komory podającej 7 wprowadza się pierwszy składnik kompozytu, którym jest polilaktyd. Do komory podającej 9 wprowadza się drugi składnik kompozytu, którym jest hydroksyapatyt. W czasie wprowadzania składników kompozytu zawór 6 pozostaje zamknięty. Następnie otwiera się zawór 6, a śruby ślimakowe dozujące 8 i 10 obracają się, dozując oba składniki w takiej ilości, aby osiągnąć ich udział w kompozycie wyniósł: polilaktyd 93% wag., hydroksyapatyt 7% wag. Składniki kompozytu spadają do komory głównej 4, gdzie są mieszane za pomocą śruby ślimakowej 5 i podgrzewane za pomocą sekcji grzewczej 3 do temperatury około 180°C. Po zhomogenizowaniu mieszaniny otwiera się zawór 11 i mieszanina spada swobodnie do komory buforowej 2, skąd jest w sposób ciągły wtłaczana do igły wytłaczającej 1, za pomocą tłoka 12.

W innym przykładzie układ sterujący urządzenia ustawiono w taki sposób, aby skład mieszaniny użytej do drukowania zmieniał się liniowo w czasie wydruku i wynosił od 92% na początku wydruku do 86% na końcu wydruku kopolimeru laktyd kaprolakton (6:1) i odpowiednio od 8 do 14% hydroksyapatytu.

W jeszcze innym przykładzie kompozyt składał się z polikaprolaktonu w ilości 95% wag. i trójfosforanu wapnia w ilości 5% wag.

Claims (4)

1. Urządzenie do wytwarzania materiału kompozytowego do zastosowania jako część drukarki 3D, znamienne tym, że posiada komorę główną (4) wyposażoną w usytuowaną pionowo mieszającą śrubę ślimakową (5) oraz w środki grzewcze (3), przy czym komora główna (4) jest połączona od góry z dwiema komorami podającymi (7 i 10), z których każda jest wyposażona w usytuowaną osiowo śrubę ślimakową dozującą (8 i 10), i komora główna (4) jest oddzielona od komór podających (7 i ) ruchomym zaworem (6), zaś od dołu komora główna (4) jest połączona z komorą buforową (2), oddzieloną od komory głównej ruchomym zaworem (11), przy

PL 230 051 Β1 czym komora buforowa (2) jest połączona z igłą drukującą (1) drukarki 3D i jest wyposażona w tłok (12).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komory podające (7 i 9) są usytuowane pod kątem względem komory głównej (4).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że środki grzewcze (3) stanowi płaszcz grzewczy.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zawory (6 i 11) są zaworami magnetycznymi.