基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统的制作方法

文档序号:10680866
基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,包括六自由度运动平台、供料系统、计算机控制系统、平台支架、高压电源,所述平台支架固定在六自由度运动平台的下静平台上,所述供料系统安装在平台支架上,所述计算机控制系统与六自由度运动平台连接,所述高压电源的正极连接供料系统的注射器针头的金属部分,负极与六自由度运动平台的上动平台相连接并接地,从而在注射器针头与上动平台之间形成高压电场。该成形系统可用于生物医学领域,实现空间曲面直写,其充分利用了六自由度运动平台强大的空间运动功能,相对于静电直写喷头可以精确的走出形状比较复杂的空间曲面,从而制备出具有特定空间曲面结构的组织工程支架。
【专利说明】
基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,应用于机械制 造和生物制造领域。
【背景技术】
[0002] 由于创伤、肿瘤、先天性畸形、骨感染等原因,所造成的疾病仍然没有得到有效治 愈,目前治疗骨、皮肤等器官缺损的唯一方法就是通过自体骨、异体骨等移植。从目前国内 外情况来看,大量病人只有通过器官移植来实现器官修复,但是器官不足始终是医生和患 者所面临的问题,致使全球每年有数万计的患者因器官缺损不能得到有效的治愈而落下终 生残疾。如何解决创伤修复中器官不足的缺陷,从根本上解决器官缺损修复和功能重建等 问题,已成为生命科学领域的国际性前沿课题。从人体获取少量自体组织,提取种子细胞并 经过体外扩增后种植到支架材料上,经过体外培养形成工程化组织后再植入体内,修复相 关组织缺损并恢复原有功能,这样的组织再生模式可以避免以创伤修复创伤的缺陷,有望 真正实现无创或微创的组织器官再生和功能重建。
[0003] 静电纺丝技术所制备的纤维具有其他材料无法达到的与体内许多细胞尺寸相当 的纳米直径,其较高的孔隙率和较好的孔道连通能够促进细胞的贴附、增殖和分化,且静电 纺丝工艺容易得到三维结构的纳米纤维,这对于体外细胞培养,模拟细胞外基质构造具有 特殊优势。
[0004] 传统的静电纺丝制备得到的纳米纤维呈现无序状态,这给纳米纤维的研究和应用 带来了极大的不便和困难。近场静电纺丝技术可实现电纺过程的可控,制备得到排列有序 且连续的纳米纤维。但目前静电直写技术主要是在平面、滚筒等相对规则形状的面上进行 打印。随着再生医学及组织工程领域技术进步,修复技术已经发展到了原位打印探索阶段, 这对曲面打印提出了需求。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的在,针对原位打印和组织工程领域对具有空间曲面结构支架的需 求,提出一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,使得近电场静电纺丝直写 技术完成空间曲面组织工程支架打印成为现实,通过基于六自由度运动平台的曲面静电直 写成形系统可制备出具有空间曲面结构的组织工程支架,应用于生物医学领域。
[0006] 为达到上述目的,本发明采用如下技术方案: 一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,包括六自由度运动平台、供料 系统、计算机控制系统、平台支架、高压电源,所述平台支架固定在六自由度运动平台的下 静平台上,所述供料系统安装在平台支架上,所述计算机控制系统与六自由度运动平台连 接,所述高压电源的正极连接供料系统的注射器针头的金属部分,负极与六自由度运动平 台的上动平台相连接并接地,从而在注射器针头与上动平台之间形成高压电场。
[0007] 所述六自由度运动平台包括一个下静平台、六组虎克铰链、六支电动缸和一个上 动平台,所述下静平台静止固定,六组虎克铰链分别固定在下静平台与上动平台上,六支电 动缸通过虎克铰链与上动平台和下静平台相连接,上动平台随着电动缸的伸缩在空间实现 六自由度运动,从而模拟出各种空间姿态。
[0008] 所述的供料系统包括微量栗控制器、微量栗执行机构、注射器活塞筒体和注射器 针头;所述注射器活塞筒体固定安装在微量栗执行机构上,注射器针头安装在注射器活塞 筒体上,微量栗执行机构在微量栗控制器的联接驱动下,推动注射器活塞筒体进行纺丝材 料的挤出。
[0009] 所述计算机控制系统包括主控计算机、多轴控制卡、电机驱动器,所述主控计算机 通过以太网与多轴控制卡相连,多轴控制卡与电机驱动器相连,电机驱动器与电动缸上的 步进电机相连接,形成控制回路。
[0010] 本发明基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统充分利用了六自由度运 动平台强大的空间运动功能,能实现复杂空间曲面形状的组织工程支架打印,为原位打印, 以及构建具有特定空间曲面结构的组织工程支架提供了一种途径。
[0011] 本发明与现有技术相比较具有以下突出实质性特点和显著技术进步: 1)本发明充分利用六自由度运动平台,借助六只电动缸的伸缩运动,完成上动平台在 空间六个自由度(α,β,γ,X,Y,Z)的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态。
[0012] 2)本发明能实现复杂空间曲面组织工程支架的打印,满足组织工程学对支架的要 求。能够对原位打印进行初步试验。本发明各个部分都是模块化的,易于集成,维修方便。
【附图说明】
[0013] 图1是基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统结构总图。
[0014] 图2是六自由度运动平台装置结构示意图。
[0015] 图3是基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统的逻辑控制图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明的优选实施例结合附图详述如下: 如图1和图2所示,一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,包括六自由 度运动平台I、供料系统Π 、计算机控制系统:議、平台支架4、高压电源5,所述平台支架4固定 在六自由度运动平台I的下静平台11上,所述供料系统Π 安装在平台支架4上,所述计算机 控制系统21与六自由度运动平台I连接,所述高压电源5的正极连接供料系统Π 的注射器针 头24的金属部分,负极与六自由度运动平台I的上动平台14相连接并接地,从而在注射器针 头24与上动平台14之间形成高压电场。
[0017] 所述六自由度运动平台I包括一个下静平台11、六组虎克铰链12、六支电动缸13和 一个上动平台14,所述下静平台11静止固定,六组虎克铰链12分别固定在下静平台11与上 动平台14上,六支电动缸13通过虎克铰链12与上动平台14和下静平台11相连接,上动平台 14随着电动缸13的伸缩在空间实现六自由度运动,从而模拟出各种空间姿态。
[0018] 所述的供料系统Π 包括微量栗控制器21、微量栗执行机构22、注射器活塞筒体23 和注射器针头24;所述注射器活塞筒体23固定安装在微量栗执行机构22上,注射器针头24 安装在注射器活塞筒体23上,微量栗执行机构22在微量栗控制器21的联接驱动下,推动注 射器活塞筒体23进行纺丝材料的挤出。
[0019] 所述计算机控制系统包括主控计算机31、多轴控制卡32、电机驱动器33,所述主 控计算机31通过以太网与多轴控制卡32相连,多轴控制卡32与电机驱动器33相连,电机驱 动器33与电动缸13上的步进电机相连接,形成控制回路。
[0020] 如图3所示,一个具体的实验例叙述如下: 称取lg聚左旋乳酸一已内酯(PLCL),将其置于10mL的HFIP溶剂中,在室温下放置于磁 力搅拌器上搅拌直至完全溶解,形成有机相A。
[0021] 将配置好的有机相A装入到供料系统Π 中的注射器活塞筒体23中。
[0022] 将需要打印成形的支架模型通过桌面打印机打印出来,固定在六自由度运动平台 I的上动平台14上。
[0023] 将需要打印的支架模型输入主控计算机31,并通过软件对模型进行转换,控制软 件采用位置反解算法,即通过平台的姿态反算六支电动缸13的长度,根据计算出来的长度 和反馈指令通过多轴控制卡32向电机驱动器33发送模拟量速度指令,控制电动缸13运动到 指定长度。
[0024] 设定供料系统Π 的注射速率为2.4mL/h,与上动平台14的运动相配合,在支架实体 模型表面可打印出需要的预期的组织工程支架。
【主权项】
1. 一种基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,其特征在于:包括六自由度 运动平台(I)、供料系统(n)、计算机控制系统(_)、平台支架(4)、高压电源(5),所述平台 支架(4)固定在六自由度运动平台(I)的下静平台(11)上,所述供料系统(n)安装在平台支 架(4)上,所述计算机控制系统(m)与六自由度运动平台(I)连接,所述高压电源(5)的正极 连接供料系统(n)的注射器针头(24)的金属部分,负极与六自由度运动平台(I)的上动平 台(14)相连接并接地,从而在注射器针头(24)与上动平台(14)之间形成高压电场。2. 根据权利要求1所述的基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,其特征在 于:所述六自由度运动平台(I)包括一个下静平台(11)、六组虎克铰链(12)、六支电动缸 (13)和一个上动平台(14),所述下静平台(11)静止固定,六组虎克铰链(12)分别固定在下 静平台(11)与上动平台(14)上,六支电动缸(13)通过虎克铰链(12)与上动平台(14)和下静 平台(11)相连接,上动平台(14)随着电动缸(13)的伸缩在空间实现六自由度运动,从而模 拟出各种空间姿态。3. 根据权利要求1所述的基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,其特征在 于:所述的供料系统(II)包括微量栗控制器(21)、微量栗执行机构(22)、注射器活塞筒体 (23)和注射器针头(24);所述注射器活塞筒体(23)固定安装在微量栗执行机构(22)上,注 射器针头(24)安装在注射器活塞筒体(23)上,微量栗执行机构(22)在微量栗控制器(21)的 联接驱动下,推动注射器活塞筒体(23)进行纺丝材料的挤出。4. 根据权利要求1所述的基于六自由度运动平台的曲面静电直写成形系统,其特征在 于:所述计算机控制系统(歷)包括主控计算机(31)、多轴控制卡(32)、电机驱动器(33),所 述主控计算机(31)通过以太网与多轴控制卡(32)相连,多轴控制卡(32)与电机驱动器(33) 相连,电机驱动器(33 )与电动缸(13 )上的步进电机相连接,形成控制回路。
【文档编号】A61L27/18GK106048900SQ201610386605
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月4日
【发明人】刘媛媛, 刘丽军, 蒋维健, 李冬冬, 胡庆夕
【申请人】上海大学
再多了解一些
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