PL248917B1 - Sposób wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych, przy użyciu drukarki 3D - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przedstawiony na rysunku sposób wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych, przy użyciu drukarki 3D, zwłaszcza wielowarstwowych rurowych implantów dla medycyny regeneracyjnej, polegający na drukowaniu poszczególnych ich warstw o różnych średnicach na usytuowanym poziomo, wydrążonym wałku roboczym zamocowanym obrotowo w uchwycie roboczym drukarki 3D i wytworzeniu z tych warstw jednego elementu w postaci nałożonych jedna na drugą wydrukowanych warstw, charakteryzuje się tym, że wszystkie warstwy struktury drukuje się jednocześnie przy użyciu drukarki 3D z kilkoma głowicami lub jedna po drugiej przy użyciu drukarki 3D z jedną lub kilkoma głowicami, na jednym wielośrednicowym wałku roboczym składającym się z odcinków o średnicach dobranych do wewnętrznych i zewnętrznych średnic poszczególnych warstw struktury rurowej, umożliwiających wytworzenie struktury rurowej przez nasuwanie tych warstw jedna na drugą, i o długości równej lub większej od założonej długości wytwarzanej struktury rurowej, zamocowanym w obrotowym uchwycie, którego prędkość i kierunek obrotu są skorelowane z prędkością i kierunkiem posuwu głowic drukarki. Warstwy struktury rurowej z jednego rodzaju materiału drukuje się jednocześnie za pomocą głowic drukarki współpracujących z poszczególnymi odcinkami wałka roboczego lub jedna po drugiej za pomocą jednej głowicy drukarki, natomiast warstwy struktury rurowej z różnych materiałów drukuje się jednocześnie lub jedna po drugiej za pomocą głowic drukarki, z których każda jest przystosowana do druku danym materiałem, współpracujących z poszczególnymi odcinkami wałka roboczego. Z wytworzonych warstw tworzy się jedną strukturę rurową przez automatyczne lub manualne nasuwanie wytworzonych warstw o większej średnicy na sąsiadujące z nimi warstwy o mniejszej średnicy i zdejmuje się wytworzoną w ten sposób finalną strukturę rurową z wałka roboczego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych, przy użyciu drukarki 3D, zwłaszcza wielowarstwowych rurowych implantów dla medycyny regeneracyjnej.

Wielowarstwowe struktury rurowe zawierające warstwy z materiałów o różnych parametrach wytwarza się dotychczas metodą 3D w kilku procesach, z których każdy polega na nałożeniu kolejnej warstwy tych struktur jedna na drugą na wałek jednośrednicowy, każdą przy innej prędkości obrotowej wałka i innej prędkości wypływu materiału warstwy z dyszy.

W opisie zgłoszenia patentowego CN201610518147 ujawniono sposób trójwymiarowego drukowania naczynia krwionośnego w postaci dwuwarstwowej struktury rurowej. Ścianka zewnętrzna i wewnętrzna rurki są wykonane metodą druku 3D w ten sposób, że najpierw na jednośrednicowym wałku, obracającym się z określoną prędkością obrotową, nadrukowuje się spiralnie przy określonej szybkości wypływu materiału tej warstwy z dyszy głowicy warstwy wewnętrzną naczynia, na którą w następnym etapie, przy użyciu innej głowicy drukarki 3D nadrukowuje się spiralnie przy określonej prędkości obrotowej wałka i przy zadanej prędkości wypływu materiału tej warstwy z dyszy, warstwy zewnętrzną naczynia. Następnie przeprowadza się utwardzenie wewnętrznej i zewnętrznej ścianki rurki i zdejmuje wytworzone warstwy z wałka.

W sposobie tym do wytworzenia każdej warstwy stosuje się inną głowicę drukarki 3D i w sposobie tym nie ma możliwości drukowania warstw z materiałów o różnych temperaturach wydruku.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych w jednym procesie i w jednej zamkniętej przestrzeni roboczej; co umożliwia wytworzenie sterylnego produktu finalnego i dodatkowo zapewnia skrócenie czasu wytworzenia produktu finalnego.

Sposób wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych, przy użyciu drukarki 3D, zwłaszcza wielowarstwowych rurowych implantów dla medycyny regeneracyjnej, polegający na drukowaniu poszczególnych ich warstw o różnych średnicach na usytuowanym poziomo, wydrążonym wałku roboczym zamocowanym obrotowo w uchwycie roboczym drukarki 3D i wytworzeniu z tych warstw jednego elementu w postaci nałożonych jedna na drugą wydrukowanych warstw, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wszystkie warstwy struktury drukuje się jednocześnie przy użyciu wielogłowicowej drukarki 3D lub jedna po drugiej przy użyciu drukarki 3D z jedną głowicą lub wielogłowicowej drukarki 3D, na jednym wielośrednicowym wałku roboczym składającym się z odcinków o średnicach dobranych do wewnętrznych i zewnętrznych średnic poszczególnych warstw struktury rurowej, umożliwiających wytworzenie struktury rurowej przez nasuwanie tych warstw jedna na drugą, i o długości równej lub większej od założonej długości wytwarzanej struktury rurowej, zamocowanym w obrotowym uchwycie, którego prędkość i kierunek obrotu są skorelowane z prędkością i kierunkiem posuwu głowic drukarki. Warstwy struktury rurowej z jednego rodzaju materiału drukuje się jednocześnie za pomocą głowic drukarki współpracujących i poszczególnymi odcinkami wałka roboczego lub jedna po drugiej za pomocą jednej głowicy drukarki. Warstwy struktury rurowej z różnych materiałów drukuje się jednocześnie lub jedna po drugiej za pomocą głowic drukarki, z których każda jest przystosowana do druku danym materiałem, współpracujących z poszczególnymi odcinkami wałka roboczego. Warstwy struktury rurowej drukuje się przy prędkościach obrotowych wałka i w temperaturach optymalnych dla każdej z warstw. Z wytworzonych warstw, po ich utrwaleniu, bez ich zdejmowania z wałka, tworzy się jedną strukturę rurową przez automatyczne lub manualne nasuwanie wytworzonych warstw o większej średnicy na sąsiadujące z nimi warstwy o mniejszej średnicy, po czym zdejmuje się wytworzoną w ten sposób finalną strukturę rurową z wałka roboczego.

Sposób według wynalazku umożliwia wytwarzanie wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych z wykorzystaniem szerokiej gamy materiałów, przy użyciu druku 3D dzięki jednoczesnemu drukowaniu wszystkich ich warstw w jednej przestrzeni roboczej. Umożliwia łączenie materiałów o skrajnie różnych parametrach druku (temperaturach), między innymi materiału biologicznego (zawierającego żywe komórki, dla których nieprzekraczalna temperatura to 40°C) z polimerami termoplastycznymi o temperaturach topnienia powyżej 100°C. Umożliwia skrócenie czasu wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych.

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek przedstawiający schemat procesu drukowania trójwarstwowej struktury rurowej stanowiącej implant cewki moczowej.

Przykład 1

Sposobem według wynalazku wykonano trójwarstwową strukturę rurową stanowiącą implant cewki moczowej, w postaci odcinka przewodu rurowego, którego ściany złożone były z trzech warstw wydrukowanych metodą 3D z różnych materiałów i nałożonych jedna na drugą. Wydruk warstw tej struktury prowadzono przy użyciu drukarki 3D z trzema głowicami, w tym dwóch głowic do drukowania materiału hydrożelowego i jednej głowicy do drukowania polimeru termoplastycznego, na wałku 1 złożonym z trzech odcinków o zmieniających się skokowo średnicach kolejno 6,0, 5,7 i 5,4 mm. Wszystkie odcinki wałka 1 miały jednakową długość 33 mm, równą długości wytwarzanej struktury rurowej.

W pierwszym etapie na odcinku wałka 1 o średnicy 6,0 mm wydrukowano warstwę zewnętrzną struktury z polimeru termoplastycznego PLA o grubości 180 ąm przy użyciu głowicy 2 drukarki z dyszą stalową o średnicy 400 ąm, ogrzaną do temperatury 210°C. Sekwencja ruchów głowicy 2 była skorelowana z sekwencją obrotów wałka 1 tak, aby wytwarzana warstwa miała zadaną jednowarstwową ażurową geometrię.

W etapie drugim wykonano warstwę środkową struktury rurowej z hydrożelu (roztwór alginianu sodu oraz żelatyny w wodzie). Wydruk wykonano przy użyciu głowicy 3 drukarki z dyszą stożkową na odcinku wałka 1 o średnicy 5,7 mm. Grubość tej warstwy była równa 250 ąm. Warstwę tę drukowano z hydrożelu podgrzanego, przed doprowadzeniem do głowicy 3, do temperatury 33°C, za pomocą dyszy stożkowej o średnicy 280 ąm, podgrzanej do temperatury 31°C. Ciśnienie wytłaczania żelu wynosiło 1,4 kPa. W trzecim etapie wykonano warstwę wewnętrzną z hydrożelu (roztwór alginianu sodu oraz żelatyny w wodzie) zawierającego komórki eukariotyczne. Wydruk wykonano przy użyciu głowicy 4 drukarki z dyszą Stożkową o średnicy 300 ąm, na odcinku wałka 1 o średnicy 5,4 mm. Grubość tej warstwy była równa 280 ąm. Warstwę tę drukowano z hydrożelu podgrzanego, przed doprowadzeniem do głowicy 4, do temperatury 34°C, za pomocą dyszy stożkowej podgrzanej do temperatury 32°C. Ciśnienie wytłaczania żelu wynosiło 1,35 kPa.

Po wydrukowaniu obie warstwy hydrożelowe poddano 10 minutowemu procesowi ciągłego natryskowego sieciowania wodnym roztworem CaCl2.

W ostatnim etapie procesu wydrukowane warstwy, bez ich zdejmowania z wałka, zostały połączone w jeden element. Najpierw nasunięto warstwę zewnętrzną na warstwę środkową, po czym obie te warstwy nasunięto na warstwę wewnętrzną tworząc finalny wydruk, który zdjęto z wałka po jego demontażu z uchwytu roboczego drukarki. Wytworzoną strukturę wykorzystywano w badaniach dotyczących metody leczenia wad układu moczowego, w szczególności spodziectwa, poprzez stworzenie konstrukcji implantu cewki moczowej.

Przykład 2

Sposobem według wynalazku wykonano trójwarstwową strukturę rurową stanowiącą implant zwierzęcego układu oddechowego, którego ściany złożone były z trzech warstw wydrukowanych metodą 3D z dwóch różnych materiałów i nałożonych jedna na dragą. Wydruk warstw tej struktury prowadzono przy użyciu drukarki 3D z dwoma głowicami, jednej do materiałów termoplastycznych i jednej do materiału hydrożelowego, na wałku złożonym z trzech odcinków o zmieniających się skokowo średnicach kolejno 3,0, 3,3 i 3,7 mm. Wszystkie odcinki wałka miały jednakową długość 33 mm. Długość wytwarzanej struktury rurowej wynosiła 12 mm.

W pierwszym etapie na odcinkach wałka o średnicy 3,0 oraz 3,7 mm wydrukowano jednocześnie warstwę wewnętrzną i zewnętrzną struktury z polimeru termoplastycznego PLA o grubości 150 ąm przy użyciu głowic z dyszą stalową o średnicy 400 ąm, podgrzewanych do temperatury 210°C. Sekwencja ruchów głowic była skorelowana z sekwencją obrotów wałka tak, aby wytwarzane warstwy miały zadaną jednowarstwową ażurową geometrię.

W etapie drugim wykonano warstwę środkową struktury rurowej z hydrożelu (roztwór alginianu sodu oraz żelatyny w wodzie) zawierającego żywe komórki nabłonkowe. Wydruk wykonano przy użyciu głowicy drukarki z dyszą stożkową o średnicy 250 ąm, podgrzaną do temperatury 31°C, na odcinku walca o średnicy 3,3 mm. Grubość warstwy była równa 200 ąm. Hydrożel przed doprowadzeniem do głowicy podgrzano do temperatury 33°C. Ciśnienie wytłaczania hydrożelu wynosiło 1,4 kPa.

Po wydrukowaniu, warstwę hydrożeIową poddano 10 minutowemu procesowi ciągłego natryskowego sieciowania wodnym roztworem CaCl2.

W ostatnim etapie procesu wydrukowane warstwy, bez ich zdejmowania z wałka, zostały połączone w jeden element. Najpierw nasunięto warstwę zewnętrzną na hydrożelową warstwę środkową, po czym obie te warstwy nasunięto na warstwę wewnętrzną tworząc finalny wydruk, który zdjęto z wałka po jego demontażu z uchwytu roboczego drukarki.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania wielowarstwowych, wielomateriałowych struktur rurowych, przy użyciu drukarki 3D, zwłaszcza wielowarstwowych rurowych implantów dla medycyny regeneracyjnej, polegający na drukowaniu poszczególnych ich warstw o różnych średnicach na usytuowanym poziomo, wydrążonym wałku roboczym zamocowanym obrotowo w uchwycie roboczym drukarki 3D i wytworzeniu z tych warstw jednego elementu w postaci nałożonych jedna na drugą wydrukowanych warstw, znamienny tym, że wszystkie warstwy struktury drukuje się jednocześnie przy użyciu wielogłowicowej drukarki 3D lub jedna po drugiej przy użyciu drukarki 3D z jedną głowicą lub wielogłowicowej drukarki 3D, na jednym wielośrednicowym wałku roboczym składającym się z odcinków o średnicach dobranych do wewnętrznych i zewnętrznych średnic poszczególnych warstw struktury rurowej, umożliwiających wytworzenie struktury rurowej przez nasuwanie tych warstw jedna na drugą, i o długości równej lub większej od założonej długości wytwarzanej struktury rurowej, zamocowanym w obrotowym uchwycie, którego prędkość i kierunek obrotu są skorelowane z prędkością i kierunkiem posuwu głowic drukarki, przy czym warstwy struktury rurowej z jednego rodzaju materiału drukuje się jednocześnie za pomocą głowic drukarki współpracujących z poszczególnymi odcinkami wałka roboczego lub jedna po drugiej za pomocą jednej głowicy drukarki, natomiast warstwy struktury rurowej z różnych materiałów drukuje się jednocześnie lub jedna po drugiej za pomocą głowic drukarki, z których każda jest przystosowana do druku danym materiałem, współpracujących z poszczególnymi odcinkami wałka roboczego, ponadto warstwy struktury rurowej drukuje się przy prędkościach obrotowych wałka i w temperaturach optymalnych dla każdej z warstw, po czym z wytworzonych warstw, po ich utrwaleniu, bez ich zdejmowania z wałka, tworzy się jedną strukturę rurową przez automatyczne lub manualne nasuwanie wytworzonych warstw o większej średnicy na sąsiadujące z nimi warstwy o mniejszej średnicy i zdejmuje się wytworzoną w ten sposób finalną strukturę rurową z wałka roboczego.