專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于組織工程領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
組織工程是目前較為熱門(mén)的一門(mén)交叉學(xué)科。其三大要素是細(xì)胞、生物材料支架及生長(zhǎng)因子。20世紀(jì)80年代末面世的快速成形技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中比較重要的一員逐步進(jìn)入支架的成形領(lǐng)域，其開(kāi)創(chuàng)的加式新工藝為解決傳統(tǒng)的支架成形技術(shù)所存在的問(wèn)題提供了新的思路。美國(guó)的麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、密歇根大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)都在從事這方面的研究工作。其中，有的研究者采用現(xiàn)有的快速成形工藝設(shè)備和支架材料直接成形，如新加坡國(guó)立大學(xué)D. Hutmacher的研究小組、麻省理工學(xué)院 M. J. Cima的研究小組和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的骨組織工程中心。而另外一些研究者則致力于為組織工程的支架材料開(kāi)發(fā)新的快速成形工藝，以滿(mǎn)足支架成形的特殊要求，如清華大學(xué)的激光快速成形中心。經(jīng)過(guò)近20年的持續(xù)努力，實(shí)現(xiàn)三維快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS 和LOM等幾大類(lèi)技術(shù)。低溫沉積制造工藝(LDM)是由清華大學(xué)機(jī)械系材料加工技術(shù)研究所針對(duì)生物材料成形的特殊要求而開(kāi)發(fā)的新工藝。低溫沉積制造是指將支架材料制成液態(tài)，經(jīng)由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在低溫成形室中堆積成形。低溫沉積制造具體的工藝過(guò)程為①用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的坐標(biāo)代碼。②選擇實(shí)驗(yàn)的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用。③將材料加入到成形設(shè)備的各噴頭的噴射器中，計(jì)算機(jī)中的控制軟件根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制各噴頭的掃描運(yùn)動(dòng)和擠壓/噴射運(yùn)動(dòng)。在低溫成形室中， 從噴頭中出來(lái)的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆積成形冷凍支架。④將冷凍支架放入冷凍干燥機(jī)中，進(jìn)行冷凍干燥處理，去除溶劑，得到常溫下為固態(tài)的支架。在此過(guò)程中，溶劑的升華使冷凍支架內(nèi)產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。目前清華大學(xué)機(jī)械系已經(jīng)有了相應(yīng)的單噴頭和雙噴頭的三維支架受控成型裝置， 并且對(duì)噴頭的設(shè)計(jì)和成形性能做了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)并制作了活塞擠壓噴頭。如清華大學(xué)先進(jìn)制造快速成形實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的CLRF-2000-II型生物材料快速成形機(jī)。然而，人體中的復(fù)雜組織或器官一般都是由兩種或兩種以上不同細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而且各個(gè)結(jié)構(gòu)間相互聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，對(duì)非均質(zhì)多種不同材料三維結(jié)構(gòu)的成形提出了要求。原有的單噴頭和雙噴頭無(wú)法滿(mǎn)足組織工程和生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求；具有復(fù)合多噴頭的復(fù)雜器官三維受控成形裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)便成為必然。而現(xiàn)今各高校和研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)研發(fā)目標(biāo)僅限為增加同一固定支架下的噴頭數(shù)量和改變相對(duì)排列方式，并不能從根本上解決如何同時(shí)成形材料不同結(jié)構(gòu)并精確植入細(xì)胞、如何減少工序提高效率等問(wèn)題，由傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)加工中心的優(yōu)勢(shì)汲取靈感，自由式多噴頭快速原型加工系統(tǒng)必將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)(申請(qǐng)?zhí)?01110205970. I)涉及一種固定式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，噴射裝置為固定式，只包含三維運(yùn)動(dòng)裝置一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，噴頭組件排列在矩形盤(pán)或圓盤(pán)上，不同噴頭組件裝有不同的成形材料；所有噴頭在同一平面內(nèi)，切換噴頭時(shí)運(yùn)動(dòng)三維運(yùn)動(dòng)裝置使工作噴頭與成形臺(tái)對(duì)正。但固定式多噴頭成形系統(tǒng)有以下不足之處①固定式噴射裝置同時(shí)只能用某一個(gè)噴頭進(jìn)行加工，成型效率低，切換噴頭時(shí)要求三維運(yùn)動(dòng)裝置重新對(duì)中，噴頭噴射作用銜接誤差較大；②噴頭支架上噴頭數(shù)量較多但同一時(shí)間只有一個(gè)噴頭進(jìn)行工作，其余噴頭不能移動(dòng)或協(xié)同工作，且噴頭間相對(duì)位置固定，效率低下；③成形臺(tái)只能依靠三維運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，加工圓截面和圓環(huán)截面類(lèi)材料成型時(shí)位置參數(shù)由相互垂直的X軸Y軸控制，精確度有待提高；④固定式噴頭均為螺桿擠壓式且不可更換，在進(jìn)行細(xì)胞打印加工時(shí)存在結(jié)構(gòu)性弊端，無(wú)法控制細(xì)胞打印數(shù)量和精確位置；⑤噴射裝置各噴頭只有一個(gè)噴嘴，在進(jìn)行多種細(xì)胞、多方位成形時(shí)局限性較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自由式與固定式噴頭相結(jié)合的復(fù)合式多噴頭裝置，以達(dá)到各噴頭可相對(duì)移動(dòng)、獨(dú)立或協(xié)同加工，實(shí)現(xiàn)多方位、多角度、多噴頭協(xié)同作用下的快速堆積和噴射成形的過(guò)程。本發(fā)明的技術(shù)方案如下復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，所述三維受控成形系統(tǒng)包括箱體、固定式多噴頭噴射裝置、頂部支架、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)、溫控及制冷裝置及滅菌器件；固定式多噴頭噴射裝置通過(guò)頂部支架固定于箱體頂部中心位置； 三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和成形臺(tái)設(shè)置在箱體內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；成形臺(tái)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，與所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接；其特征在于所述三維受控成形系統(tǒng)還包括至少一個(gè)自由式噴射裝置，所述的自由式噴射裝置固定安裝在箱體側(cè)壁上，每個(gè)自由式噴射裝置包括機(jī)械臂、材料輸送管、夾持裝置和噴頭，所述噴頭通過(guò)夾持裝置安裝在機(jī)械臂末端。本發(fā)明所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述固定式多噴頭噴射裝置包括噴頭、固定式噴頭支架、噴頭支架絲杠、噴頭支架導(dǎo)軌和電機(jī)， 所述噴頭支架絲杠和噴頭支架導(dǎo)軌固定在所述頂部支架上，裝有噴頭的所述固定式噴頭支架設(shè)置在噴頭支架絲杠和噴頭支架導(dǎo)軌上，沿噴頭支架導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，所述電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。本發(fā)明所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于自由式噴射裝置采用四個(gè)，分別安裝在箱體上部的四角位置。本發(fā)明所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述固定式噴頭支架表面為正多邊形或圓形，噴頭組件以單一、并列或陣列均勻分布在所述固定式噴頭支架上。本發(fā)明所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述噴頭采用電機(jī)助推式噴頭或壓電式噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭包括螺桿擠壓式噴頭和氣壓推動(dòng)式噴頭；所述噴頭端部配備單一或多個(gè)噴嘴。本發(fā)明所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述成形臺(tái)采用旋轉(zhuǎn)式成形臺(tái)，所述成型臺(tái)包括托盤(pán)和成型臺(tái)伺服電機(jī)；成型臺(tái)伺服電機(jī)安裝在托盤(pán)下方，所述成型臺(tái)伺服電機(jī)與所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性效果①本發(fā)明采用了固定式與自由式噴射裝置相結(jié)合的復(fù)合多噴頭設(shè)計(jì)，其中自由式噴射裝置運(yùn)動(dòng)范圍大，相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，各噴頭可協(xié)同或獨(dú)立完成材料的成形工序；可用于非均質(zhì)多種生物材料，包括固態(tài)或液態(tài)合成高分子、溶液或凝膠態(tài)天然高分子和細(xì)胞/基質(zhì)材料的成形；其中固定式多噴頭噴射裝置可垂直運(yùn)動(dòng)方便協(xié)同加工避免干涉， 固定式支架所安裝的噴頭采用單一、并列或陣列方式來(lái)構(gòu)造多噴頭的排列方式。②本發(fā)明采用了可旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)設(shè)計(jì)，成形臺(tái)托盤(pán)為圓形或其他規(guī)則圖形，托盤(pán)下方中心位置安裝有伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，成形臺(tái)可繞幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)，可提高現(xiàn)有技術(shù)水平下管狀柱狀球狀材料成形精度，同時(shí)可提高成形效率。③本發(fā)明采用自由式與固定式噴射裝置可更換噴頭設(shè)計(jì)，噴頭可采用電機(jī)助推式噴頭或壓電式噴頭，每個(gè)噴頭的噴嘴上采用單一噴嘴或多個(gè)噴嘴，適合多噴嘴與壓電式噴頭結(jié)合進(jìn)行高精度單層或多層細(xì)胞三維成形。④本發(fā)明可根據(jù)需要選用合適數(shù)量的噴頭進(jìn)行獨(dú)立或協(xié)同加工，加工區(qū)域適合絕大多數(shù)生物組織和器官前體的成形尺寸要求。⑤本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了兩種以上各種不同性能的組織支架材料、細(xì)胞/基質(zhì)材料、細(xì)胞懸浮液及細(xì)胞生長(zhǎng)因子溶液在成形臺(tái)上不同溫度、多角度、多噴頭協(xié)同作用下的快速堆積和噴射成形過(guò)程。綜上，本發(fā)明所述系統(tǒng)利用復(fù)合式多噴頭噴射裝置、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)、 控制與軟件系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)多種材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的多噴頭協(xié)同高效成形。該系統(tǒng)利用復(fù)合式多噴頭裝置與成形臺(tái)交互成形方式，具有成形精度高、各噴頭獨(dú)立或協(xié)同加工、 噴嘴可更換等優(yōu)點(diǎn)，適用于組織工程與器官制造中各種非均質(zhì)多種材料的大型器官前體三維精確成形。


圖I是本發(fā)明提供的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)的實(shí)施實(shí)例的主視圖(部分剖視)。圖2是本發(fā)明提供的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)的實(shí)施實(shí)例的俯視圖(未畫(huà)出箱體蓋和滅菌器件)。圖3是自由式噴射裝置的主視圖(部分剖視)。圖4是安裝噴頭的固定式噴頭支架主視圖(以四噴頭為例)。圖5是成形臺(tái)與三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的主視圖(半剖視)。圖6是三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖7a和圖7b是螺桿擠壓式噴頭組件的主視圖和側(cè)視圖。
圖8是控制系統(tǒng)完成材料成形的流程圖。
在圖I至圖8中
I-箱體，2-噴頭，3-頂部支架，
4-機(jī)械臂，5-成形臺(tái)，6-溫控制冷裝置，
7-滅菌器件，8-固定式噴頭支架，9-噴頭支架絲杠，
10-噴頭支架導(dǎo)軌，11-噴頭支架步進(jìn)電機(jī)，12-噴射器，
13-控制電機(jī)，14-壓塊，15-壓塊螺桿，
16-噴頭組件支架，17-托盤(pán)，18-外固定結(jié)構(gòu)，
19-成型臺(tái)伺服電機(jī)，20-X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，21-X軸絲杠，
25-X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，26-X軸運(yùn)動(dòng)滑塊，27-Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，
28-Y軸絲杠，29-Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，30-Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一，
31-加熱管，32-Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)，33-壓塊導(dǎo)槽，
34-控制系統(tǒng)硬件，35-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，36-材料輸送管，
37-Z軸運(yùn)動(dòng)控制螺桿，38-Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)槽，39-Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊，
41-Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過(guò)程內(nèi)容。本發(fā)明設(shè)計(jì)的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，如圖I和圖2所示， 所述系統(tǒng)包括箱體I、固定式多噴頭噴射裝置、自由式噴射裝置、頂部支架3、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)5、溫控及制冷裝置6、滅菌器件7以及控制系統(tǒng)。固定式多噴頭噴射裝置通過(guò)頂部支架3固定于箱體I頂部中心位置，頂部支架3與箱體I連接方式為螺栓連接，自由式噴射裝置固定在箱體I側(cè)壁上，本發(fā)明中自由式噴射裝置采用四個(gè)，其底部分別以螺栓連接安裝在箱體I上部四角位置，;三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)5和滅菌器件7設(shè)置在箱體I內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以螺栓連接安裝在箱體I底部，成形臺(tái)5固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，與所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接；溫控及制冷裝置6設(shè)置在箱體I外部，由管道與箱體I聯(lián)通。圖3為自由式噴射裝置的主視圖，所述三維受控成形系統(tǒng)包括至少一個(gè)自由式噴射裝置，所述的自由式噴射裝置由螺栓連接固定安裝在箱體側(cè)壁上，每個(gè)自由式噴射裝置包括機(jī)械臂4、夾持裝置、噴頭2、材料輸送管36和噴嘴，所述噴頭(2)由夾持裝置安裝在機(jī)械臂4的末端，材料輸送管36捆綁在機(jī)械臂4外側(cè)，夾持裝置可采用螺栓連接、銷(xiāo)連接、鍵連接等結(jié)構(gòu)；所述自由式噴射裝置采用單噴頭方式，各自由式噴射裝置協(xié)同或獨(dú)立完成材料的成形工序。自由式噴射裝置可在水平面內(nèi)帶動(dòng)機(jī)械臂4后部轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為90°，中間臂與之鉸接，在豎直平面內(nèi)繞鉸鏈大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，最后鉸接安裝夾持裝置的機(jī)械臂4末端， 噴頭以螺栓連接固定于夾持裝置上，噴頭類(lèi)型及噴嘴可更換；各自由式噴射裝置可由控制系統(tǒng)總體調(diào)配避免干涉協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。圖4為安裝噴頭的固定式噴頭支架主視圖(以四噴頭為例)，所述三維受控成形系統(tǒng)包括一個(gè)固定式多噴頭噴射裝置，所述固定式多噴頭噴射裝置包括噴頭、固定式噴頭支架8、噴頭支架絲杠9、噴頭支架導(dǎo)軌10和電機(jī)11，所述噴頭支架絲杠9和噴頭支架導(dǎo)軌10 固定在所述頂部支架3上，裝有噴頭的固定式噴頭支架8設(shè)置在噴頭支架絲杠9和噴頭支架導(dǎo)軌10上，沿噴頭支架導(dǎo)軌10上下運(yùn)動(dòng)，可獨(dú)立進(jìn)行加工或閑置時(shí)升起為工作中的自由噴射裝置提供更多空間，噴頭與所述固定式噴頭支架8之間為螺栓連接方式；所述電機(jī)11 采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)；所述固定式噴頭支架8表面為正多邊形、圓形等規(guī)則圖形，噴頭組件以單一、并列或陣列均勻分布在所述固定式噴頭支架8上，噴頭采用壓電式噴頭和電機(jī)助推式噴頭，噴頭端部可配備單一或多個(gè)噴嘴，所述固定式多噴頭噴射裝置可單獨(dú)進(jìn)行成形加工或與自由式噴射裝置配合完成工作。圖5為成形臺(tái)5與三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的主視圖，所述成形臺(tái)5采用旋轉(zhuǎn)式成形臺(tái) 5，包括托盤(pán)17、成型臺(tái)伺服電機(jī)19和外固定結(jié)構(gòu)18 ;所述托盤(pán)17為圓形或其他規(guī)則圖形， 成型臺(tái)伺服電機(jī)19安裝于托盤(pán)17下方；所述成形臺(tái)5與所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以螺栓連接固定。所述成形臺(tái)5由控制系統(tǒng)控制繞托盤(pán)幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)。成形加工圓截面和圓環(huán)截面類(lèi)材料時(shí)，只需轉(zhuǎn)動(dòng)托盤(pán)而避免噴頭在水平面的移動(dòng)，提高加工精度和效率。圖6為本發(fā)明三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的俯視圖，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25、X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26、X軸絲杠21和X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20 ;所述Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌29、Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊、Y 軸絲杠28和Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27 'Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊包括Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41 ;所述X軸絲杠21和X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25兩端分別固接在所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41上；Χ軸運(yùn)動(dòng)滑塊26套接在所述X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌25上；Χ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20 固定在所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41上，且X軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20的電機(jī)軸與X軸絲杠21固接；X 軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)20轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26做X軸平動(dòng)；所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊一 30和Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊二 41分別套接在Y軸絲杠28和Y軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌29上；Υ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27固定在設(shè)備底部，與Y軸絲杠28連接，Y軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)27轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述Y軸運(yùn)動(dòng)滑塊做Y軸方向平動(dòng)。所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接在所述X軸運(yùn)動(dòng)滑塊26上，包括Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)槽38、Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39、Ζ軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32及Z軸運(yùn)動(dòng)控制螺桿37，Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32固定在X 軸運(yùn)動(dòng)滑塊26上，Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32的電機(jī)軸與Z軸運(yùn)動(dòng)控制螺桿37固接；Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39位于Z軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)槽38上且套接在Z軸運(yùn)動(dòng)控制螺桿37上；Ζ軸運(yùn)動(dòng)螺管套接在Z軸運(yùn)動(dòng)控制螺桿37上且與所述Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39固接；Z軸運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)32轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Z軸運(yùn)動(dòng)滑塊39和Z軸運(yùn)動(dòng)螺管一起做Z軸方向平動(dòng)；所述可旋轉(zhuǎn)成形臺(tái)5固接于所述Z軸運(yùn)動(dòng)螺管上；所述成形臺(tái)5隨X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一起做X、Y、Z三維方向運(yùn)動(dòng)。圖7a和圖7b是螺桿擠壓式噴頭組件的主視圖和側(cè)視圖，螺桿擠壓式噴頭中所述噴頭組件包括噴射器12、控制電機(jī)13、壓塊14、壓塊螺桿15、噴頭組件支架16和加熱管31 ； 所述控制電機(jī)13固定在所述噴頭組件支架16的上部且與所述螺桿15固接；所述噴頭組件支架16上設(shè)有壓塊導(dǎo)槽33 ;所述壓塊14放置在壓塊導(dǎo)槽33中；所述壓塊14和螺桿15構(gòu)成絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)；所述加熱管31與噴頭組件支架16下部固接，所述噴射器12放置在加熱管31中；噴射器12包括活塞、噴射管和噴頭；將噴射器12放置在加熱管31中，控制電機(jī)13轉(zhuǎn)動(dòng)，使壓塊14下降，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，擠壓噴射器內(nèi)所裝的成形材料，使之?dāng)D出成形。圖8是控制系統(tǒng)完成材料成形的基本流程圖。本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)包括含有軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)35和控制系統(tǒng)硬件34 ;所述的控制系統(tǒng)對(duì)各自由式噴射裝置的移動(dòng)、成形盤(pán)5的轉(zhuǎn)動(dòng)、固定式多噴頭噴射裝置的豎直運(yùn)動(dòng)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)以及所有噴頭噴射的啟停進(jìn)行總體調(diào)控，并控制以上所述運(yùn)動(dòng)組件不發(fā)生干涉，處理反饋信息并檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)。結(jié)合圖I 圖8，本實(shí)施例的工作原理和工作過(guò)程，敘述如下復(fù)雜器官前體，即三維結(jié)構(gòu)成形前，用三維建模軟件建立三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成形的數(shù)控NC代碼。將層片文件和加工參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)控制軟件。選擇實(shí)驗(yàn)的材料，本實(shí)施例中用合成高分子聚氨酯(PU) /四乙二醇 (Tetraglycol)溶液做血管系統(tǒng)的支架材料、含一定比例三種以上細(xì)胞的明膠/纖維蛋白原混合溶液和含內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子的磷酸緩沖液(PBS)為原料，按照合適的比例配制，制成成形材料備用。先啟動(dòng)滅菌器件7，給整個(gè)箱體I滅菌。將不同成形材料分別加入到復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)的各噴頭組件的噴射器中，再將噴射器置于加熱管31中，將系統(tǒng)試運(yùn)行達(dá)到加工條件并除去噴頭中氣泡。以固定式噴射裝置為例，在安裝噴射器12的過(guò)程中，也可先手動(dòng)旋動(dòng)壓塊螺桿 15，使壓塊14上升，為安裝空出足夠的空間。使加熱管31工作并監(jiān)測(cè)溫度，確保成形材料的溫度穩(wěn)定而且不會(huì)凝固。噴射器12安裝完畢后，可手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)壓塊螺桿15將壓塊14往下移，使壓塊14和噴射器12的活塞接觸；同理可應(yīng)用在自由式噴射裝置噴頭上。開(kāi)始加工前設(shè)定固定式多噴頭噴射裝置和自由式噴射裝置中噴頭位置及成形臺(tái)5 的初始坐標(biāo)，利用機(jī)械臂的升降、PMAC多方向控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)中(刀)。關(guān)上箱門(mén)。 啟動(dòng)溫控制冷裝置6，使設(shè)備內(nèi)溫度降到一定的實(shí)驗(yàn)值并維持基本恒定。等成形室溫度基本穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始成形工作。由控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制成形臺(tái)5 的旋轉(zhuǎn)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、固定式多噴頭噴射裝置豎直移動(dòng)及各機(jī)械臂4的協(xié)同工作，控制裝有相同或不同液態(tài)材料的各噴頭同時(shí)配合進(jìn)行擠壓和噴射運(yùn)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)類(lèi)似設(shè)備需要停止、更換噴頭、對(duì)中(刀)再開(kāi)始加工成形的弊端。在不同溫度(如室溫1_40°C、低溫(0--50°C )條件下，從噴射器中出來(lái)的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆積成形。加工圓管類(lèi)材料時(shí)只需某一個(gè)或幾個(gè)噴頭靜止在特定位置，使成形臺(tái)旋轉(zhuǎn)即可得到理想形狀。 不同材料在成型臺(tái)上成形后，依照特定程序?qū)⒊尚闻_(tái)移出成形加工區(qū)域，再將材料取出。將成形后的結(jié)構(gòu)體放入注入含凝血酶(20IU/mL)的細(xì)胞培養(yǎng)液或磷酸緩沖液 (PBS)中將中的有機(jī)溶劑萃取掉，同時(shí)使纖維蛋白原聚合、含細(xì)胞/明膠/纖維蛋白原材料的多種材料形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，復(fù)雜組織器官前體的制備工作完成。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，所述三維受控成形系統(tǒng)包括箱體(I)、固定式多噴頭噴射裝置、頂部支架(3)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成形臺(tái)(5)、溫控及制冷裝置(6)及滅菌器件(7);固定式多噴頭噴射裝置通過(guò)頂部支架(3)固定于箱體(I)頂部中心位置；三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和成形臺(tái)(5)設(shè)置在箱體內(nèi)部，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 Y軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；成形臺(tái)(5)固定于三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，與所述Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接；其特征在于所述三維受控成形系統(tǒng)還包括至少一個(gè)自由式噴射裝置，所述的自由式噴射裝置固定安裝在箱體(I)側(cè)壁上，每個(gè)自由式噴射裝置包括機(jī)械臂(4)、材料輸送管(36)、夾持裝置和噴頭(2)，所述噴頭通過(guò)夾持裝置安裝在機(jī)械臂(4)末端。
2.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于 所述固定式多噴頭噴射裝置包括噴頭、固定式噴頭支架(8)、噴頭支架絲杠(9)、噴頭支架導(dǎo)軌(10)和電機(jī)(11)，所述噴頭支架絲杠(9)和噴頭支架導(dǎo)軌(10)固定在所述頂部支架(3)上，裝有噴頭的所述固定式噴頭支架設(shè)置在噴頭支架絲杠(9)和噴頭支架導(dǎo)軌(10)上， 沿噴頭支架導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)；所述電機(jī)(11)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于自由式噴射裝置采用四個(gè)，分別安裝在箱體(I)上部的四角位置。
4.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于 所述固定式噴頭支架(8)表面為正多邊形或圓形，噴頭組件以單一、并列或陣列均勻分布在所述固定式噴頭支架上。
5.如權(quán)利要求I或2所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述噴頭采用電機(jī)助推式噴頭或壓電式噴頭，所述電機(jī)助推式噴頭包括螺桿擠壓式噴頭和氣壓推動(dòng)式嗔頭，所述嗔頭％5部配備單一或多個(gè)嗔嘴。
6.如權(quán)利要求I或2所述的復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，其特征在于所述成形臺(tái)(5)采用旋轉(zhuǎn)式成形臺(tái)(5)，所述成型臺(tái)(5)包括托盤(pán)(17)和成型臺(tái)伺服電機(jī)(19);成型臺(tái)伺服電機(jī)(19)安裝在托盤(pán)(17)下方，所述成型臺(tái)伺服電機(jī)(19)與所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的Z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固接。
全文摘要
復(fù)合式多噴頭復(fù)雜器官前體三維受控成形系統(tǒng)，屬于組織工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要包括箱體、頂部支架、自由式噴射裝置、固定式多噴頭噴射裝置、成形臺(tái)、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制冷裝置以及控制系統(tǒng)。本發(fā)明采用自由式與固定式相結(jié)合的復(fù)合式多噴頭裝置，同時(shí)結(jié)合固定式多噴頭噴射裝置豎直移動(dòng)以及成形臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使各噴頭可相對(duì)移動(dòng)、獨(dú)立或協(xié)同加工，從而實(shí)現(xiàn)多方位、多角度、多噴頭協(xié)同作用下的快速堆積和噴射成形過(guò)程。
文檔編號(hào)A61F2/02GK102599990SQ20121008012
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者王小紅, 王鎵垠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)