【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于增材制造与生物功能化梯度材料/结构制造，具体涉及一种实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置与方法。
技术介绍
1、功能梯度材料(functionally graded materials，fgms)凭借其优良性能，广泛应用于各个领域。然而传统的功能梯度材料制备技术存在生产周期长、成本高，难以制造复杂形状零件等问题，限制了功能梯度材料在众多领域方向的应用。随着材料挤出成形3d打印技术的快速发展，利用该技术制备适用于复杂环境下的功能梯度材料成为当前研究的热点，功能梯度材料在生物医学中表现出极大的优越性，特别是用于人工骨骼植入、人工牙齿种植和组织工程支架。
2、三维生物打印技术可以有效模拟组织的复杂性、制造多层级梯度支架结构。最重要的一点是，三维生物打印技术可以将细胞和/或生物活性分子精准可控地分布在支架上。同时负载多种细胞和不同生物活性分子的多种材料的各向异性支架可以用于生物功能化体外模型的研究。因此，生物三维打印技术成为一种极具有发展潜力的制备生物功能化梯度材料构件的制造方法。
3、据了解，目前空间梯度构件的主要制备方法有：气相沉积法、粉末冶金法、离心铸造法、放电等离子烧结法、热喷涂法、电化学法、离心成形法、注浆成形法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法和电解析出法等。但是上述传统制造方法，仅可以实现简单梯度构件的制造，难以实现多种材料的混合连续功能梯度构件的成形，尤其是无法实现连续生物功能化梯度构件与复杂空间外形结构的一体化制造。而且在整个成形制造过程复杂，效率低，成本高等问题。近年出现的生
4、但是，采用目前已有的3d打印技术对具有生物功能化的梯度构件的制造与一体化成形仍存在缺陷与不足。例如在对复杂空间结构的构件进行制造时，难以实现对生物功能化的精准调控与打印具有梯度结构的构件。尤其是对连续梯度构件的生物功能性体外精确制造，缺少一种高效快速的一体化成形方法。而且由于生物材料需要在打印的过程中保持较高的生物活性，可打印的生物材料种类十分有限，而且打印性能与常规的打印材料相比性能较差。所以低粘度的基体材料在打印开始阶段存在严重的流动浸润特性，难以实现精准几何形状控制和表面粗糙度差，成形件的几何形状精度和表面粗糙度较差。所以对于低粘度的生物材料进行体外打印，并在打印的过程中保持生物活性是一个公认的挑战。
5、在对多材料进行打印时，由于需要在不同的打印区域进行切换材料，并混合多种材料从而实现不同区域的梯度效果。所以在不同区域之间会产生不可避免的打印延迟，而这种延迟会由于累积效应不断的影响后续的打印过程，导致整个打印过程工艺稳定性差，打印效率低；尤其是在多个材料共同打印时，需要对混匀材料、打印轨迹规划、打印功能化集成在同一个系统中时，并保证在打印的过程中保证进料、混匀梯度材料、打印路径规划等保证严格的顺序和同步，否则难以精确实现生物功能化的梯度构件的一体化成形。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，包括：机架、注射系统、末端执行器、支持浴单元、底板系统、xyz三轴运动模块、相机模块、紫外激光模块、控制系统；所述末端执行器内设有混匀单元；
2、所述注射系统固定在机架上且与所述末端执行器相连接，向末端执行器中的混匀单元交替注入不同的生物材料；所述混匀单元对注入的生物材料进行混匀，且混匀后的生物材料通过末端执行器的出口挤出；支持浴单元位于末端执行器下方，末端执行器将混匀后的生物材料挤入支持浴单元，构成生物构件；其中，所述生物材料包括生物墨水和不同浓度的梯度材料；
3、所述xyz三轴运动模块包括x轴运动模组、y轴运动模组、z轴运动模组，且三者均与控制系统相连接；所述z轴运动模组安装于机架上，且与所述底板系统相连，接收控制系统的信号来驱动所述底板系统进行z向移动；所述支持浴单元放置在底板系统上，且跟随底板系统进行移动；y轴运动模组与x轴运动模组也均安装于机架上，且二者均接收控制系统的信号，共同驱动末端执行器在水平方向上的横向或纵向移动；
4、所述相机模块安装在机架上，且与控制系统相连，相机模块对支持浴单元中构成的生物构件进行实时追踪并拍摄生物构件的灰度照片，控制系统通过计算每一帧所述灰度照片的灰度值，判断材料的混匀效果；根据混匀效果修正生物材料交替注入末端执行器的频率和流量；
5、所述紫外激光模块设置在支持浴单元的周围，用于对生物构件进行紫外激光固化，所述紫外激光模块与控制系统相连，控制系统控制紫外激光模块的激光的功率，调整对生物构件的预固化质量；
6、所述末端执行器还包括温控模块，所述温控模块用于保证多种生物材料混匀时的温度恒定，保证生物材料的生物活性；所述底板系统包括温控平台，所述支持浴单元放置在所述温控平台上，所述温控平台用于控制支持浴单元在打印过程中的温度恒定。
7、进一步地，所述梯度材料为不同浓度的水凝胶，所述生物墨水为成纤维细胞培养基与纤维细胞的均匀混合材料、肝星状细胞培养基与肝星状细胞的均匀混合材料。
8、进一步地，所述混匀单元包括多信道混匀单元ⅰ、多信道混匀单元ⅱ和汇聚通道，所述多信道混匀单元ⅰ信道的数量与所述多信道混匀单元ⅱ的信道的数量之和小于等于注射器的数量；所述多信道混匀单元ⅰ、多信道混匀单元ⅱ结构相同，均包括浮动混匀搅拌器，所述注射系统通过多个软管分别向混匀单元中注入生物材料，生物材料经过软管进入浮动混匀搅拌器内，混匀后的生物材料从浮动混匀搅拌器的出口挤出；最终，从多信道混匀单元ⅰ的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料与从多信道混匀单元ⅱ的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料分别进入汇聚通道内；所述汇聚通道有两个入口、一个出口，通过汇聚通道的出口挤出的材料呈双层同心圆柱丝状；若仅开启多信道混匀单元ⅰ或多信道混匀单元ⅱ，则最终通过汇聚通道的出口挤出的材料呈单层圆柱丝状。
9、进一步地，所述末端执行器还包括散热风扇、减震装置、打印针头；减震装置安装在打印针头的顶部，防止打印时，打印针头出现撞针情况，所述减震装置具体为：联在打印针头的同心轴上的减震弹簧，该减震弹簧串联套在针头上，保证针头在竖直方向具有一定的伸缩性，以减少震动与撞刀的风险所述温控模块由包覆所述混匀单元的半导体温控外壳与安装在所述半导体温控外壳内部、外部的温度传感器组成，所述散热风扇安装在所述半导体温控外壳的两侧，对所述半导体温控外壳的外部进行散热降温；半导体温控外壳和温度传感器均与所述控制系统相连，所述控制系统根据半导体温控外壳内部的温度传感器传输的数据控制半导体温控外壳的输入电流的功率，改变半导体温控外壳内壁的温度，半导体温控外壳通过热传导的方式，改变所述半导体温控外壳内部的温度，通过闭环反馈控制实现对末端执行器内部的温度的精确控制；所述控制系统根据半导体温控外壳外部的温度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，包括：机架、注射系统、末端执行器、支持浴单元、底板系统、XYZ三轴运动模块、相机模块、紫外激光模块(25)、控制系统；所述末端执行器内设有混匀单元；
2.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述梯度材料为不同浓度的水凝胶，所述生物墨水为成纤维细胞培养基与纤维细胞的均匀混合材料、肝星状细胞培养基与肝星状细胞的均匀混合材料。
3.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述XYZ三轴运动模块包括X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组，且三者均与控制系统相连接；所述Z轴运动模组安装于机架上，且与所述底板系统相连，接收控制系统的信号来驱动所述底板系统进行Z向移动；所述支持浴单元跟随底板系统进行移动；Y轴运动模组与X轴运动模组也均安装于机架上，且二者均接收控制系统的信号，共同驱动末端执行器在水平方向上的横向或纵向移动。
4.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述注射系统包括
5.根据权利要求4所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述混匀单元包括多信道混匀单元Ⅰ(9)、多信道混匀单元Ⅱ(16)和汇聚通道，所述多信道混匀单元Ⅰ(9)信道的数量与所述多信道混匀单元Ⅱ(16)的信道的数量之和小于等于注射器(7)的数量；所述多信道混匀单元Ⅰ(9)、多信道混匀单元Ⅱ(16)结构相同，均包括浮动混匀搅拌器，所述注射系统通过多个软管分别向混匀单元中注入生物材料，生物材料经过软管进入浮动混匀搅拌器内，混匀后的生物材料从浮动混匀搅拌器的出口挤出；最终，从多信道混匀单元Ⅰ(9)的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料与从多信道混匀单元Ⅱ(16)的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料分别进入汇聚通道内；所述汇聚通道有两个入口、一个出口，通过汇聚通道的出口挤出的材料呈双层同心圆柱丝状；若仅开启多信道混匀单元Ⅰ(9)或多信道混匀单元Ⅱ(16)，则最终通过汇聚通道的出口挤出的材料呈单层圆柱丝状。
6.根据权利要求5所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述末端执行器还包括散热风扇(11)、减震装置、打印针头(12)；减震装置安装在打印针头(12)的顶部，防止打印时，打印针头(12)出现撞针情况；所述温控模块由包覆所述混匀单元的半导体温控外壳与安装在所述半导体温控外壳内部、外部的温度传感器组成，所述散热风扇(11)安装在所述半导体温控外壳的两侧，对所述半导体温控外壳的外部进行散热降温；半导体温控外壳和温度传感器均与所述控制系统相连，所述控制系统根据半导体温控外壳内部的温度传感器传输的数据控制半导体温控外壳的输入电流的功率，改变半导体温控外壳内壁的温度，通过闭环反馈控制实现对末端执行器内部的温度的精确控制；所述控制系统根据半导体温控外壳外部的温度传感器传输的数据控制散热风扇(11)，进而控制所述半导体温控外壳外表面的温度；从所述汇聚通道的出口挤出的材料进入打印针头(12)中，并从打印针头(12)离开所述末端执行器，进入支持浴单元中。
7.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，支持浴单元由顶部开口的容器和设置在所述容器内的支持浴材料组成，
8.根据权利要求6所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述相机模块的数量大于等于4且沿支持浴单元周向均匀布置，所述相机模块包括相机云台(22)和设置在相机云台(22)上的相机(24)，通过手动调整所述相机云台(22)的位置，使支持浴单元内的打印区域位于相机画面的中心位置；
9.根据权利要求8所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印装置，其特征在于，所述紫外激光模块(25)的数量大于等于4且沿支持浴单元周向均匀布置，所述紫外激光模块(25)安装在所述相机模块的下面，且跟随相机模块进行移动，或所述机架上还安装有多个激光云台，所述紫外激光模块(25)设置在所述激光云台上，通过手动调整所述激光云台的位置，使紫外激光模块(25)对生物构件进行紫外激光固化；
10.一种采用权利要求9所述装置的实现生物梯度的多材料混匀与连续3D打印方法，其特征在于，包括如下...
【技术特征摘要】
1.一种实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，其特征在于，包括：机架、注射系统、末端执行器、支持浴单元、底板系统、xyz三轴运动模块、相机模块、紫外激光模块(25)、控制系统；所述末端执行器内设有混匀单元；
2.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，其特征在于，所述梯度材料为不同浓度的水凝胶，所述生物墨水为成纤维细胞培养基与纤维细胞的均匀混合材料、肝星状细胞培养基与肝星状细胞的均匀混合材料。
3.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，其特征在于，所述xyz三轴运动模块包括x轴运动模组、y轴运动模组、z轴运动模组，且三者均与控制系统相连接；所述z轴运动模组安装于机架上，且与所述底板系统相连，接收控制系统的信号来驱动所述底板系统进行z向移动；所述支持浴单元跟随底板系统进行移动；y轴运动模组与x轴运动模组也均安装于机架上，且二者均接收控制系统的信号，共同驱动末端执行器在水平方向上的横向或纵向移动。
4.根据权利要求1所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，其特征在于，所述注射系统包括若干注射泵电机(5)、若干注射泵丝杆(6)、若干注射器(7)和若干注射针头(8)，注射泵电机(5)带动注射泵丝杆(6)挤压注射器(7)，注射器(7)内所装载的材料通过位于注射器(7)上的注射针头(8)挤出；其中一个注射器(7)内存放所述生物墨水，其余注射器(7)内分别存放不同浓度的梯度材料。
5.根据权利要求4所述的实现生物梯度的多材料混匀与连续3d打印装置，其特征在于，所述混匀单元包括多信道混匀单元ⅰ(9)、多信道混匀单元ⅱ(16)和汇聚通道，所述多信道混匀单元ⅰ(9)信道的数量与所述多信道混匀单元ⅱ(16)的信道的数量之和小于等于注射器(7)的数量；所述多信道混匀单元ⅰ(9)、多信道混匀单元ⅱ(16)结构相同，均包括浮动混匀搅拌器，所述注射系统通过多个软管分别向混匀单元中注入生物材料，生物材料经过软管进入浮动混匀搅拌器内，混匀后的生物材料从浮动混匀搅拌器的出口挤出；最终，从多信道混匀单元ⅰ(9)的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料与从多信道混匀单元ⅱ(16)的浮动混匀搅拌器挤出的混匀后的生物材料分别进入汇聚通道内；所述汇聚通道有两个入口、一个出口，通过汇聚通道的出口挤出的材...
【专利技术属性】
技术研发人员：马梁，于浩然，A·戴尔，吕为康，季增琛，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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