专利名称：复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的制作方法
技术领域：
本发明属于组织工程领域，特别涉及一种复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的设计。
背景技术：
组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素是细胞、生物材料支架及生长因子。20世纪80年代末面世的快速成形技术作为先进制造技术中比较重要的一员逐步进入支架的成形领域，其开创的加式新工艺为解决传统的支架成形技术所存在的问题提供了新的思路。美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、密歇根大学、新加坡国立大学和国内的清华大学都在从事这方面的研究工作。其中，有的研究者采用现有的快速成形工艺设备和支架材料直接成形，如新加坡国立大学D. Hutmacher的研究小组、麻省理工学院 M. J. Cima的研究小组和卡内基梅隆大学的骨组织工程中心。而另外一些研究者则致力于为组织工程的支架材料开发新的快速成形工艺，以满足支架成形的特殊要求，如清华大学的激光快速成形中心。经过近20年的持续努力，实现三维快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS 和LOM等几大类技术。低温沉积制造工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。低温沉积制造具体的工艺过程为①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压/喷射运动。在低温成形室中， 从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置， 并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-II型生物材料快速成形机。然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同细胞和细胞外基质材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。原有的单喷头和双喷头无法满足组织工程和生物医学发展的要求；具有复合多喷头的复杂器官三维受控成形装置的设计和研发便成为必然。而现今各高校和研究机构的相关研发目标仅限为增加同一固定支架下的喷头数量和改变相对排列方式，并不能从根本上解决如何同时成形材料不同结构并精确植入细胞、如何减少工序提高效率等问题，由传统机械工业加工中心的优势汲取灵感，自由式多喷头快速原型加工系统必将成为未来的发展趋势。中国专利文献(申请号201110205970. I)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为固定式，只包含三维运动装置一个运动机构，喷头组件排列在矩形盘或圆盘上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时运动三维运动装置使工作喷头与成形台对正。但固定式多喷头成形系统有以下不足之处①固定式喷射装置同时只能用某一个喷头进行加工，成型效率低，切换喷头时要求三维运动装置重新对中，喷头喷射作用衔接误差较大；②喷头支架上喷头数量较多但同一时间只有一个喷头进行工作，其余喷头不能移动或协同工作，且喷头间相对位置固定，效率低下；③成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高；④固定式喷头均为螺杆挤压式且不可更换，在进行细胞打印加工时存在结构性弊端，无法控制细胞打印数量和精确位置；⑤喷射装置各喷头只有一个喷嘴，在进行多种细胞、多方位成形时局限性较大。
发明内容
本发明针对已有技术的不足之处，提供一种复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，该系统采用自由式与固定式喷头相结合的复合式多喷头装置，以达到各喷头可相对移动、独立或协同加工，实现多方位、多角度、多喷头协同作用下的快速堆积和喷射成形的过程。本发明的技术方案如下复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，所述三维受控成形系统包括箱体、固定式多喷头喷射装置、顶部支架、三维运动机构、成形台、温控及制冷装置及灭菌器件；固定式多喷头喷射装置通过顶部支架固定于箱体顶部中心位置； 三维运动机构和成形台设置在箱体内部，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构；成形台固定于三维运动机构上，与所述Z轴运动机构固接；其特征在于所述三维受控成形系统还包括至少一个自由式喷射装置，所述的自由式喷射装置固定安装在箱体侧壁上，每个自由式喷射装置包括机械臂、材料输送管、夹持装置和喷头，所述喷头通过夹持装置安装在机械臂末端。本发明所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述固定式多喷头喷射装置包括喷头、固定式喷头支架、喷头支架丝杠、喷头支架导轨和电机， 所述喷头支架丝杠和喷头支架导轨固定在所述顶部支架上，装有喷头的所述固定式喷头支架设置在喷头支架丝杠和喷头支架导轨上，沿喷头支架导轨上下运动，所述电机采用步进电机或伺服电机。本发明所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于自由式喷射装置采用四个，分别安装在箱体上部的四角位置。本发明所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述固定式喷头支架表面为正多边形或圆形，喷头组件以单一、并列或阵列均匀分布在所述固定式喷头支架上。本发明所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述喷头采用电机助推式喷头或压电式喷头，所述电机助推式喷头包括螺杆挤压式喷头和气压推动式喷头；所述喷头端部配备单一或多个喷嘴。本发明所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述成形台采用旋转式成形台，所述成型台包括托盘和成型台伺服电机；成型台伺服电机安装在托盘下方，所述成型台伺服电机与所述三维运动机构的Z轴运动机构固接。本发明具有以下优点和突出性效果①本发明采用了固定式与自由式喷射装置相结合的复合多喷头设计，其中自由式喷射装置运动范围大，相对位置及运动相互独立，各喷头可协同或独立完成材料的成形工序；可用于非均质多种生物材料，包括固态或液态合成高分子、溶液或凝胶态天然高分子和细胞/基质材料的成形；其中固定式多喷头喷射装置可垂直运动方便协同加工避免干涉， 固定式支架所安装的喷头采用单一、并列或阵列方式来构造多喷头的排列方式。②本发明采用了可旋转成形台设计，成形台托盘为圆形或其他规则图形，托盘下方中心位置安装有伺服电机或步进电机，成形台可绕几何中心转动，可提高现有技术水平下管状柱状球状材料成形精度，同时可提高成形效率。③本发明采用自由式与固定式喷射装置可更换喷头设计，喷头可采用电机助推式喷头或压电式喷头，每个喷头的喷嘴上采用单一喷嘴或多个喷嘴，适合多喷嘴与压电式喷头结合进行高精度单层或多层细胞三维成形。④本发明可根据需要选用合适数量的喷头进行独立或协同加工，加工区域适合绝大多数生物组织和器官前体的成形尺寸要求。⑤本发明实现了两种以上各种不同性能的组织支架材料、细胞/基质材料、细胞悬浮液及细胞生长因子溶液在成形台上不同温度、多角度、多喷头协同作用下的快速堆积和喷射成形过程。综上，本发明所述系统利用复合式多喷头喷射装置、三维运动机构、旋转成形台、 控制与软件系统综合实现了非均质多种材料复杂三维结构的多喷头协同高效成形。该系统利用复合式多喷头装置与成形台交互成形方式，具有成形精度高、各喷头独立或协同加工、 喷嘴可更换等优点，适用于组织工程与器官制造中各种非均质多种材料的大型器官前体三维精确成形。
图I是本发明提供的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的实施实例的主视图(部分剖视)。图2是本发明提供的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的实施实例的俯视图(未画出箱体盖和灭菌器件)。图3是自由式喷射装置的主视图(部分剖视)。图4是安装喷头的固定式喷头支架主视图(以四喷头为例)。图5是成形台与三维运动机构连接的主视图(半剖视)。图6是三维运动机构的俯视图。
图7a和图7b是螺杆挤压式喷头组件的主视图和侧视图。
图8是控制系统完成材料成形的流程图。
在图I至图8中
I-箱体，2-喷头，3-顶部支架，
4-机械臂，5-成形台，6-温控制冷装置，
7-灭菌器件，8-固定式喷头支架，9-喷头支架丝杠，
10-喷头支架导轨，11-喷头支架步进电机，12-喷射器，
13-控制电机，14-压块，15-压块螺杆，
16-喷头组件支架，17-托盘，18-外固定结构，
19-成型台伺服电机，20-X轴运动控制电机，21-X轴丝杠，
25-X轴运动导轨，26-X轴运动滑块，27-Y轴运动控制电机，
28-Y轴丝杠，29-Y轴运动导轨，30-Y轴运动滑块一，
31-加热管，32-Z轴运动控制电机，33-压块导槽，
34-控制系统硬件，35-计算机系统，36-材料输送管，
37-Z轴运动控制螺杆，38-Z轴运动导槽，39-Z轴运动滑块，
41-Y轴运动滑块二
具体实施例方式下面结合附图及实施实例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理和工作过程内容。本发明设计的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，如图I和图2所示， 所述系统包括箱体I、固定式多喷头喷射装置、自由式喷射装置、顶部支架3、三维运动机构、成形台5、温控及制冷装置6、灭菌器件7以及控制系统。固定式多喷头喷射装置通过顶部支架3固定于箱体I顶部中心位置，顶部支架3与箱体I连接方式为螺栓连接，自由式喷射装置固定在箱体I侧壁上，本发明中自由式喷射装置采用四个，其底部分别以螺栓连接安装在箱体I上部四角位置，;三维运动机构、成形台5和灭菌器件7设置在箱体I内部，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构，三维运动机构以螺栓连接安装在箱体I底部，成形台5固定于三维运动机构上，与所述Z轴运动机构固接；温控及制冷装置6设置在箱体I外部，由管道与箱体I联通。图3为自由式喷射装置的主视图，所述三维受控成形系统包括至少一个自由式喷射装置，所述的自由式喷射装置由螺栓连接固定安装在箱体侧壁上，每个自由式喷射装置包括机械臂4、夹持装置、喷头2、材料输送管36和喷嘴，所述喷头(2)由夹持装置安装在机械臂4的末端，材料输送管36捆绑在机械臂4外侧，夹持装置可采用螺栓连接、销连接、键连接等结构；所述自由式喷射装置采用单喷头方式，各自由式喷射装置协同或独立完成材料的成形工序。自由式喷射装置可在水平面内带动机械臂4后部转动，转动范围为90°，中间臂与之铰接，在竖直平面内绕铰链大范围转动，最后铰接安装夹持装置的机械臂4末端， 喷头以螺栓连接固定于夹持装置上，喷头类型及喷嘴可更换；各自由式喷射装置可由控制系统总体调配避免干涉协调运动。图4为安装喷头的固定式喷头支架主视图(以四喷头为例)，所述三维受控成形系统包括一个固定式多喷头喷射装置，所述固定式多喷头喷射装置包括喷头、固定式喷头支架8、喷头支架丝杠9、喷头支架导轨10和电机11，所述喷头支架丝杠9和喷头支架导轨10 固定在所述顶部支架3上，装有喷头的固定式喷头支架8设置在喷头支架丝杠9和喷头支架导轨10上，沿喷头支架导轨10上下运动，可独立进行加工或闲置时升起为工作中的自由喷射装置提供更多空间，喷头与所述固定式喷头支架8之间为螺栓连接方式；所述电机11 采用步进电机或伺服电机；所述固定式喷头支架8表面为正多边形、圆形等规则图形，喷头组件以单一、并列或阵列均匀分布在所述固定式喷头支架8上，喷头采用压电式喷头和电机助推式喷头，喷头端部可配备单一或多个喷嘴，所述固定式多喷头喷射装置可单独进行成形加工或与自由式喷射装置配合完成工作。图5为成形台5与三维运动机构连接的主视图，所述成形台5采用旋转式成形台 5，包括托盘17、成型台伺服电机19和外固定结构18 ;所述托盘17为圆形或其他规则图形， 成型台伺服电机19安装于托盘17下方；所述成形台5与所述三维运动机构的Z轴运动机构以螺栓连接固定。所述成形台5由控制系统控制绕托盘几何中心转动。成形加工圆截面和圆环截面类材料时，只需转动托盘而避免喷头在水平面的移动，提高加工精度和效率。图6为本发明三维运动机构的俯视图，所述三维运动机构包括X轴运动机构、Y轴运动机构及Z轴运动机构；所述X轴运动机构包括X轴运动导轨25、X轴运动滑块26、X轴丝杠21和X轴运动控制电机20 ;所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨29、Y轴运动滑块、Y 轴丝杠28和Y轴运动控制电机27 'Y轴运动滑块包括Y轴运动滑块一 30和Y轴运动滑块二 41 ;所述X轴丝杠21和X轴运动导轨25两端分别固接在所述Y轴运动滑块一 30和Y轴运动滑块二 41上；Χ轴运动滑块26套接在所述X轴运动导轨25上；Χ轴运动控制电机20 固定在所述Y轴运动滑块二 41上，且X轴运动控制电机20的电机轴与X轴丝杠21固接；X 轴运动控制电机20转动时，X轴运动滑块26做X轴平动；所述Y轴运动滑块一 30和Y轴运动滑块二 41分别套接在Y轴丝杠28和Y轴运动导轨29上；Υ轴运动控制电机27固定在设备底部，与Y轴丝杠28连接，Y轴运动控制电机27转动时，所述Y轴运动滑块做Y轴方向平动。所述Z轴运动机构固接在所述X轴运动滑块26上，包括Z轴运动导槽38、Z轴运动滑块39、Ζ轴运动控制电机32及Z轴运动控制螺杆37，Z轴运动控制电机32固定在X 轴运动滑块26上，Z轴运动控制电机32的电机轴与Z轴运动控制螺杆37固接；Z轴运动滑块39位于Z轴运动导槽38上且套接在Z轴运动控制螺杆37上；Ζ轴运动螺管套接在Z轴运动控制螺杆37上且与所述Z轴运动滑块39固接；Z轴运动控制电机32转动时，Z轴运动滑块39和Z轴运动螺管一起做Z轴方向平动；所述可旋转成形台5固接于所述Z轴运动螺管上；所述成形台5随X轴运动机构、Y轴运动机构、Z轴运动机构一起做X、Y、Z三维方向运动。图7a和图7b是螺杆挤压式喷头组件的主视图和侧视图，螺杆挤压式喷头中所述喷头组件包括喷射器12、控制电机13、压块14、压块螺杆15、喷头组件支架16和加热管31 ； 所述控制电机13固定在所述喷头组件支架16的上部且与所述螺杆15固接；所述喷头组件支架16上设有压块导槽33 ;所述压块14放置在压块导槽33中；所述压块14和螺杆15构成丝杠-螺母传动机构；所述加热管31与喷头组件支架16下部固接，所述喷射器12放置在加热管31中；喷射器12包括活塞、喷射管和喷头；将喷射器12放置在加热管31中，控制电机13转动，使压块14下降，推动活塞向下移动，挤压喷射器内所装的成形材料，使之挤出成形。图8是控制系统完成材料成形的基本流程图。本发明所述的控制系统包括含有软件的计算机系统35和控制系统硬件34 ;所述的控制系统对各自由式喷射装置的移动、成形盘5的转动、固定式多喷头喷射装置的竖直运动、三维运动机构的移动以及所有喷头喷射的启停进行总体调控，并控制以上所述运动组件不发生干涉，处理反馈信息并检测设备工作状态。结合图I 图8，本实施例的工作原理和工作过程，叙述如下复杂器官前体，即三维结构成形前，用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的数控NC代码。将层片文件和加工参数输入计算机控制软件。选择实验的材料，本实施例中用合成高分子聚氨酯(PU) /四乙二醇 (Tetraglycol)溶液做血管系统的支架材料、含一定比例三种以上细胞的明胶/纤维蛋白原混合溶液和含内皮细胞生长因子的磷酸缓冲液(PBS)为原料，按照合适的比例配制，制成成形材料备用。先启动灭菌器件7，给整个箱体I灭菌。将不同成形材料分别加入到复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的各喷头组件的喷射器中，再将喷射器置于加热管31中，将系统试运行达到加工条件并除去喷头中气泡。以固定式喷射装置为例，在安装喷射器12的过程中，也可先手动旋动压块螺杆 15，使压块14上升，为安装空出足够的空间。使加热管31工作并监测温度，确保成形材料的温度稳定而且不会凝固。喷射器12安装完毕后，可手动转动压块螺杆15将压块14往下移，使压块14和喷射器12的活塞接触；同理可应用在自由式喷射装置喷头上。开始加工前设定固定式多喷头喷射装置和自由式喷射装置中喷头位置及成形台5 的初始坐标，利用机械臂的升降、PMAC多方向控制及数据处理系统对中(刀)。关上箱门。 启动温控制冷装置6，使设备内温度降到一定的实验值并维持基本恒定。等成形室温度基本稳定时，开始成形工作。由控制系统根据输入的层片文件和设定的加工参数控制成形台5 的旋转、三维运动机构运动、固定式多喷头喷射装置竖直移动及各机械臂4的协同工作，控制装有相同或不同液态材料的各喷头同时配合进行挤压和喷射运动，避免了传统类似设备需要停止、更换喷头、对中(刀)再开始加工成形的弊端。在不同温度(如室温1_40°C、低温(0--50°C )条件下，从喷射器中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形。加工圆管类材料时只需某一个或几个喷头静止在特定位置，使成形台旋转即可得到理想形状。 不同材料在成型台上成形后，依照特定程序将成形台移出成形加工区域，再将材料取出。将成形后的结构体放入注入含凝血酶(20IU/mL)的细胞培养液或磷酸缓冲液 (PBS)中将中的有机溶剂萃取掉，同时使纤维蛋白原聚合、含细胞/明胶/纤维蛋白原材料的多种材料形成稳定结构，复杂组织器官前体的制备工作完成。
权利要求
1.一种复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，所述三维受控成形系统包括箱体(I)、固定式多喷头喷射装置、顶部支架(3)、三维运动机构、成形台(5)、温控及制冷装置(6)及灭菌器件(7);固定式多喷头喷射装置通过顶部支架(3)固定于箱体(I)顶部中心位置；三维运动机构和成形台(5)设置在箱体内部，所述三维运动机构包括X轴运动机构、 Y轴运动机构及Z轴运动机构；成形台(5)固定于三维运动机构上，与所述Z轴运动机构固接；其特征在于所述三维受控成形系统还包括至少一个自由式喷射装置，所述的自由式喷射装置固定安装在箱体(I)侧壁上，每个自由式喷射装置包括机械臂(4)、材料输送管(36)、夹持装置和喷头(2)，所述喷头通过夹持装置安装在机械臂(4)末端。
2.如权利要求I所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于 所述固定式多喷头喷射装置包括喷头、固定式喷头支架(8)、喷头支架丝杠(9)、喷头支架导轨(10)和电机(11)，所述喷头支架丝杠(9)和喷头支架导轨(10)固定在所述顶部支架(3)上，装有喷头的所述固定式喷头支架设置在喷头支架丝杠(9)和喷头支架导轨(10)上， 沿喷头支架导轨上下运动；所述电机(11)采用步进电机或伺服电机。
3.如权利要求I或2所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于自由式喷射装置采用四个，分别安装在箱体(I)上部的四角位置。
4.如权利要求2所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于 所述固定式喷头支架(8)表面为正多边形或圆形，喷头组件以单一、并列或阵列均匀分布在所述固定式喷头支架上。
5.如权利要求I或2所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述喷头采用电机助推式喷头或压电式喷头，所述电机助推式喷头包括螺杆挤压式喷头和气压推动式嗔头，所述嗔头％5部配备单一或多个嗔嘴。
6.如权利要求I或2所述的复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，其特征在于所述成形台(5)采用旋转式成形台(5)，所述成型台(5)包括托盘(17)和成型台伺服电机(19);成型台伺服电机(19)安装在托盘(17)下方，所述成型台伺服电机(19)与所述三维运动机构的Z轴运动机构固接。
全文摘要
复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，属于组织工程技术领域。本发明主要包括箱体、顶部支架、自由式喷射装置、固定式多喷头喷射装置、成形台、三维运动机构、制冷装置以及控制系统。本发明采用自由式与固定式相结合的复合式多喷头装置，同时结合固定式多喷头喷射装置竖直移动以及成形台旋转运动，使各喷头可相对移动、独立或协同加工，从而实现多方位、多角度、多喷头协同作用下的快速堆积和喷射成形过程。
文档编号A61F2/02GK102599990SQ20121008012
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者王小红, 王镓垠 申请人:清华大学