一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头。本发明所述丝杠支架安装在固定板上的中部，滚珠丝杠的一端与步进电机的输出端相连接，滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠组成滚珠丝杠副，加载平台与滚珠丝杠螺母相连接，喷头设置在喷头支撑架上，挤压推杆的一端与加载平台相连接，挤压推杆的另一端与喷头内的活塞相连接，喷头的前端设有喷嘴，加热保温装置一设置在喷头上。本发明中的滚珠丝杠螺母机构中螺母与丝杠是滚动摩擦，因此在实际运用的速度范围内无爬行现象的出现。并且根据实验要求，可以进一步细化浆料在挤出前的温控过程，实现双极温控的过程。该过程可以细化加工支架组织结构，对加工出具有纳米纤维的组织工程支架有重要的作用。
【专利说明】一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，属于组织工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]组织工程是一门综合了细胞生物学、工程学、材料科学和医学外科学等学科的交叉学科，组织工程旨在应用工程学和生命科学原理，开发用于恢复、维持及提高损伤组织和器官功能的生物学替代物。组织工程支架是生物医学组织工程的核心载体要素之一，组织工程支架的制备是指将生物材料加工成所需要的形态。自20世纪80年代中期提出组织工程的概念以后，组织支架的制造技术得以不断发展。它作为组织工程的植入体，需要保证活细胞可以在载体支架植入体内后逐步长入其中。为此，需要制造多级微纳米结构的支架以保证细胞在组织内的成活与生长。
[0003]组织工程支架的成形工艺包括纤维连接法、溶液浇铸致孔剂法、热致相分离法、熔化造型法等。此外组织工程支架的成形工艺还有熔化造型法、冷冻干燥法、纤维增强法、熔融模压法、气压造孔法等。上述这些传统工艺都不能实现复杂的非均质材料支架的成形制造，不能实现对微纳米孔隙结构的灵活准确的控制，不能实现个性化的植入物制造。因此，需要找到能够精密成形制造出微结构可控的组织工程支架的方法。
[0004]快速成形(Rapid Prototyping,简称RP)技术是1987年出现的应用于制造业的高新技术。它采用离散/堆积的概念制造零件，可以制造任意复杂形状的三维实体，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉，具有高度的柔性。快速成型技术的成形过程是:先利用CAD软件设计出零件的CAD电子模型，然后根据具体工艺要求，按一定厚度分层(通常是沿Z方向)，将其离散为一系列二维层面，习惯上称之为分层或切片(Slicing)，再将这些离散信息同加工参数相结合，生成NC代码输入给成形机。成形机根据NC代码，顺序加工各单元体并彼此结合，从而得到与模型对应的三维实体(又称为物理模型或原型)。通过离散过程，把复杂的三维制造转化成一系列有序的简单单元体的制造与结合的过程，因而从原理上讲，可以完成任意复杂拓扑关系的几何形体，不受零件复杂程度的限制。上述制作过程除了按设定好的成型机床三维数控运动外(X、Y、Z均可采用简单的直线运动)，生物支架材料主要是从微喷头喷出，并逐步叠层地注入到各层上，从而可以获得高度一致的微纳米结构组织，而这一点也正是制造个性化的人体器官所必须的。快速成形的高度柔性和快速性可以满足组织工程支架个性化制造的需求，具有传统组织工程支架无法比拟的优势，得到了广泛应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是在传统喷头基础上进行微喷头的结构改进，提供一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，使该微喷头通过控制电机能够调整喷料量的多少和喷料速度，实现组织工程支架的稳定、快速、大孔隙可调的成型制造，可以快速灵活制造出适合各类生物细胞生长的微纳米尺度空洞支架，实现个性化的植入物支架的制造。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头:包括步进电机、滚珠丝杠、固定板、滚珠丝杠螺母、加载平台、丝杠支架、挤压推杆、喷头、喷头支撑架、加热保温装置一和喷嘴，其特征在于，所述步进电机安装在固定板上的一侧，喷头支撑架安装在固定板上的另一侧，丝杠支架安装在固定板上的中部，滚珠丝杠设置在丝杠支架上，滚珠丝杠的一端与步进电机的输出端相连接，滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠组成滚珠丝杠副，加载平台与滚珠丝杠螺母相连接，喷头设置在喷头支撑架上，挤压推杆的一端与加载平台相连接，挤压推杆的另一端与喷头内的活塞相连接，喷头的前端设有喷嘴，加热保温装置一设置在喷头上。
[0007]还包括加热保温装置二，所述加热保温装置二设置在加热保温装置一后部的喷头上。
[0008]本发明与现有技术相比其技术效果是:第一，改进喷头可以扩大快速材料成型机加工材料的范围。传统喷头的送料原理为自重式送料，当浆料的粘度较大的时候，会造成送料不足。本发明改进后的喷头是直接挤压送料，浆料的输送过程和喷头的喷料过程是同时进行的，因此无论材料的粘度是大还是小，仅仅需要控制步进电机的转速，便可以控制喷头喷料的速度。第二，滚珠丝杠螺母机构较为精确，因为往往喷头的喷丝运动所需的直线运动的速度较小，普通丝杠螺母在缓慢运动过程中，会有爬行现象。本发明中的滚珠丝杠螺母机构中螺母与丝杠是滚动摩擦，因此在实际运用的速度范围内无爬行现象的出现。并且经过改进后的喷头，根据实验的要求，可以进一步细化浆料在挤出前的温控过程。实现双极温控的过程，该过程可以细化加工支架组织结构，对加工出具有纳米纤维的组织工程支架有重要的作用。
[0009]
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头工作原理图；
图2是微喷头结构示意图；
图3是本发明用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头结构示意图。
[0011]
【具体实施方式】
[0012]如图f图3所示，本【具体实施方式】提供了一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，包括步进电机1、滚珠丝杠2、固定板3、滚珠丝杠螺母5、加载平台6、丝杠支架7、挤压推杆8、喷头9、喷头支撑架10、加热保温装置一 11、加热保温装置二 12和喷嘴13，所述步进电机I安装在固定板3上的一侧，喷头支撑架10安装在固定板3上的另一侧，丝杠支架7安装在固定板3上的中部，滚珠丝杠2设置在丝杠支架7上，滚珠丝杠2的一端与步进电机I的输出端相连接，滚珠丝杠螺母5与滚珠丝杠2组成滚珠丝杠副，加载平台6与滚珠丝杠螺母5相连接，喷头9设置在喷头支撑架10上，挤压推杆8的一端与加载平台6相连接，挤压推杆8的另一端与喷头9内的活塞8-1相连接，喷头9的前端设有喷嘴13，加热保温装置一 11设置在喷头9上。[0013]进一步的，还包括加热保温装置二 12，所述加热保温装置二 12设置在加热保温装直一 11后部的嗔头9上。
[0014]所述加热保温装置一 11或加热保温装置二 12中的加热装置为电阻加热器，功率为 IOOw0
[0015]工作原理:
通过滚珠丝杠螺母机构将步进电机的圆周方向旋转运动，转化为滚珠丝杠螺母沿水平方向的直线运动，通过加载平台的直线运动，直接挤压喷头内部的浆料，将浆料从喷头内部喷射出去。挤出浆料的速度可以通过计算机控制步进电机的转速来实现；浆料挤出的温度可以通过对喷头内部温度的控制来实现。
[0016]滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母组成了滚珠丝杠副，步进电机与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠螺母5与加载平台固连，当与滚珠丝杠机构相连的步进电机带动滚珠丝杠精密旋转时，与滚珠丝杠精密配合的螺母及加载平台产生精密的平移运动，带动挤压推杆，使喷头内的浆料从喷嘴喷射出来。滚珠丝杠和喷头通过丝杠支架、喷头支撑架和固定板固连在一起。
[0017]所述的加载平台为一直线滚动导轨，与相同的滑动导轨相比，摩擦系数较小(0.0003-0.0005)，因此用于直线低速小位移的情况下运动灵活，不打滑，运动精度高，定位精度也高可以达到0.lym-0.2 ym。同时在预紧后，刚度好，寿命长。根据喷头使用条件以及精度要求选用THK的LM导轨SRS系列，型号为SRS12M UU+120L M，经过对负载和容量进行验算，该导轨满足要求。
[0018]滚珠丝杠副轴向刚度较高、运动平稳、传动效率高、传动精度高、不易磨损、使用寿命长、低速不易爬行。考虑本发明的使用条件，选用导程为Imm的THKBNK0801标准导程精密滚珠螺杆。然后根据整个喷头的整体设计负载和寿命要求的情况下选择BNK0801-3GT+145LC5Y M丝杠。由于行程短、运动速度低，本滚珠丝杠采用一端固定、一端游动的支撑方式，可以减少丝杆热变形带来的影响，保持较高的定位精度。
[0019]挤压时考虑取用浆料方便，挤压推杆采用的是医用一次性注射器。该注射器成本低，并可以直接从广口瓶中吸取浆料。在注射器的外部，有加热保温装置。其中加热装置为电阻加热器，功率为100w。温控装置的温度传感器采用热电偶装置。温控装置核心采用日本FUJI公司生产的PXW-4温控表。温控表根据实时检测得到的温度值来控制加热组件的运行。
[0020]当需要双极温控的时候，可以根据具体的结构，在喷头处再加一个加热保温装置，即可以实现浆料在挤出前的双极温控。在单级温控的基础之上只需多加一个加热保温装置就可以达到双极温度控制的要求。
【权利要求】
1.一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，包括步进电机(I)、滚珠丝杠(2)、固定板(3)、滚珠丝杠螺母(5)、加载平台(6)、丝杠支架(7)、挤压推杆(8)、喷头(9)、喷头支撑架(10)、加热保温装置一(11)和喷嘴(13)，其特征在于，所述步进电机(I)安装在固定板(3 )上的一侧，喷头支撑架(10 )安装在固定板(3 )上的另一侧，丝杠支架(7 )安装在固定板(3)上的中部，滚珠丝杠(2)设置在丝杠支架(7)上，滚珠丝杠(2)的一端与步进电机(I)的输出端相连接，滚珠丝杠螺母(5)与滚珠丝杠(2)组成滚珠丝杠副，加载平台(6)与滚珠丝杠螺母(5 )相连接，喷头(9 )设置在喷头支撑架(10 )上，挤压推杆(8 )的一端与加载平台(6)相连接，挤压推杆(8)的另一端与喷头(9)内的活塞(8-1)相连接，喷头(9)的前端设有喷嘴(13 )，加热保温装置一(11)设置在喷头(9 )上。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，其特征在于，还包括加热保温装置二(12)，所述加热保温装置二( 12)设置在加热保温装置一(11)后部的喷头(9)上。
3.根据权利要求2所述的一种用于三维微纳米纤维支架制造的微喷头，其特征在于，所述加热保温装置一(11)或加热保温装置二( 12)中的加热装置为电阻加热器，功率为IOOw0
【文档编号】B29C67/00GK103753818SQ201410025693
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】孙涛, 郑雄飞, 翟文杰, 谢新春, 梁迎春 申请人:哈尔滨工业大学