复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，本系统包括：喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构、成形台以及控制系统。本发明专利技术提供的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，可实现自动化程度高、易控制、操作简单。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，本系统包括：喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构、成形台以及控制系统。本专利技术提供的复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，可实现自动化程度高、易控制、操作简单。【专利说明】复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法
本专利技术涉及一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，能实现复杂三维材料梯度的生物活性复合支架，应用于机械制造和生物制造
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技术介绍
组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素有细胞、生物材料支架及生长因子。 在多孔支架成形工艺方面，传统方法的工艺方法包括纤维粘合法、溶剂浇铸法/颗粒滤粒法、熔融法、气体发泡法、相分离法、烧结微球法等。这些传统方法虽然获得了较成功的多孔支架，但它们所得到的多孔支架的性能并不理想。主要表现在缺乏力学强度、孔隙的相互贯通程度底、孔隙率与孔分布的可控性差，这将影响到细胞的长入和组织的血管化。 3D打印技术(增量制造技术)是近年来发展的一种新型的机械制造技术，也是生物制造领域的一种新兴的技术，为组织工程学提供了有利的方法。增量制造技术是基于离散/堆积成形的原理，把三维模型变成一系列二维层片，再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码，最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，可以精确的复制出与生物体同样形状的形体。 气动挤出复合成形工艺将支架材料制成液态，在气动泵的压力下，经由喷头，将溶液以丝状挤出，然后进行静电纺丝喷射，在常温下堆积成形。 气动挤出复合成形的具体工艺过程为:①通过CT扫描后进行三维重建，补缺得到STL模型文件，然后通过前置处理系统处理后生成加工路径文件，得到成形的坐标代码。 ②选择实验的材料，分别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无菌注射器中，计算机的控制软件来控制各喷头的扫描运动和挤压/喷射运动。在常温成形室中，从喷头中出来的材料凝固且相互粘接在一起，堆积成形三维的支架，将含有细胞的材料进行电纺丝制备出具有生物活性的复合三维支架。 然而，人体中的复杂组织或器官一般是由两种或者两种以上不同材料组成的复合支架，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，多种不同材料梯度的三维复合支架的成形以及细胞的增殖提出了要求。原有的单一工艺无法满足科学发展及医学的要求，具有复合式多喷头生物3D打印成形系统的设计和研发成为了必然。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，该系统采用转盘式多喷头装置，静电纺丝装置与进行生物3D打印机构成一体化，具有装置简单可靠、制作成本低、工艺可控性好，自动化程度高等优点，能实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架。 为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案:一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置、静电纺丝装置、三维运动机构、成形台以及控制系统，其特征在于:所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Zl轴运动机构上而随Zl轴运动滑块上下滑动；所述的静电纺丝装置安装在三维运动机构中Z2轴运动机构上而随Z2轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。 所述的喷射装置采用的转盘式多喷头喷射装置包括控制转盘电机、电机固定板、横梁、电机固定板、联轴器、驱动轴、上下固定板、弹簧卡扣、注射器活塞筒体、注射器针头、接近开关等；所述横梁固定安装在Zl轴运动滑块上；所述控制转盘电机通过螺丝固定安装在电机固定板上，电机轴朝下；电机轴与联轴器一端相连，联轴器另一端与驱动轴相连；驱动轴安装深沟球轴承，在深沟球轴承上安装驱动轴轴承上端盖和驱动轴轴承下端盖以及驱动轴固定板；再在驱动轴上依次安装上固定板、套筒和下固定板。控制转盘电机运行带动电机轴旋转，同时带动上下固定板旋转运动，即带动注射器活塞筒体和注射器针头旋转；所述上下固定板上安装弹簧卡扣，将注射器活塞筒体安装到弹簧卡扣，注射器活塞筒体注入材料溶液；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体中的材料溶液从注射器针头中挤出；所述接近开关固定在联轴器罩，感应面与上固定板平行，当上固定板运转到接近开关时，即可停止固定板运动，即注射器针头到达指定的位置。 所述的静电纺丝装置由横梁、微量泵、注射器活塞筒体、注射器针头、高压电源及控制器组成。 所述的三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构、Zl轴运动机构和Z2轴运动机构联接成一体，Zl轴运动机构通过横梁与喷射装置连接，Z2轴运动机构通过横梁与静电纺丝装置连接。 所述X轴运动机构包括X轴运动导轨与X轴运动滑块滑配；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨与Y轴运动滑块滑配；所述Zl轴运动机构包括Zl轴运动导轨与Zl轴运动滑块滑配；所述Z2轴运动机构包括Z2轴运动导轨与Z2轴运动滑块滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Zl轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板上，Y轴运动导轨平行也固定在底板上。 所述的成形台是一个成形平台，成形平台与所述的X轴运动机构固连。 所述的控制及数据处理系统包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。 一种利用上述系统进行生物3D打印成形方法，实现非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制备的方法，其特征在于:包括如下操作步骤:a.在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将注射器活塞筒体分别安装在上下固定板以及微量泵上；c.将转盘式多喷头喷射装置、静电纺丝装置与三维运动机构连接在一起，分别安装在Zl轴和Z2轴运动滑块上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制固定板转动，通过接近开关来确定注射器针头的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体中液体挤出，从而控制注射器针头的输出液流的速度；用微量泵的控制器来控制注射器针头的输出液流的速度。 d.根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的生物活性复合支架制品。 本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:1.本专利技术采用转盘来构造多喷头的周向排列方式，可以实现喷头间的自由切换，自动化程度高，可用于非均质多种材料支架的成形。 2.对于支架成形的编程控制来说，只须通过电机的转动来控制转盘来换喷头，不受喷头位置参数的影响。 3.本专利技术实现了通过控制喷头来成形支架，操作简单，增加了喷头喷丝的稳定性。 4.本专利技术实现了两种以上的各种不同性能的组织支架材料在成形台上快速堆积和喷射成形过程。 5.本专利技术实现了多喷头挤出成形工艺与细胞静电纺丝工艺的复合，制备出了具有生物活性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合式转盘气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置(Ⅰ)、静电纺丝装置(Ⅱ)、三维运动机构(Ⅲ)、成形台(Ⅳ)和控制及数据处理系统(Ⅴ)，其特征在于：所述的喷射装置(Ⅰ)采用转盘式多喷头喷射装置(6)，设置在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z1轴运动机构(3)上而随一个Z1轴运动滑块(33)上下滑动；所述的静电纺丝装置(Ⅱ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中一个Z2轴运动机构(4)上而随一个Z2轴运动滑块(43)上下滑动；所述的成形台(Ⅳ)安装在三维运动机构(Ⅲ)中X轴运动滑块(13)上；所述的控制及数据处理系统(Ⅴ)是联接控制转盘式多喷头喷射装置(6)和三维运动机构(Ⅲ)的电机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江郑龙，刘亦，刘媛媛，梁刚，陈海萍，李帅，胡庆夕，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31