一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統的製作方法

2023-04-29 20:54:11 3

專利名稱：一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於器官製造領域，特別涉及一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統。
背景技術：
20世紀80年代末面世的快速成形技術作為先進位造技術中比較重要的一員逐步進入支架的成形領域，其開創的加式新工藝為解 決傳統的支架成形技術所存在的問題提供了新的思路。美國的麻省理工學院、卡內基梅隆大學、密西根大學、新加坡國立大學和國內的清華大學都在從事這方面的研究工作。其中，有的研究者採用現有的快速成形工藝設備和支架材料直接成形，如新加坡國立大學D. Hutmacher的研究小組、麻省理工學院M. J. Cima的研究小組和卡內基梅隆大學的骨組織工程中心。而另外一些研究者則致力於為組織工程的支架材料開發新的快速成形工藝，以滿足支架成形的特殊要求，如清華大學的雷射快速成形中心。經過近20年的持續努力，實現三維快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等幾大類技術。低溫沉積製造工藝(LDM)是由清華大學機械系材料加工技術研究所針對生物材料成形的特殊要求而開發的新工藝。低溫沉積製造是指將支架材料製成液態，經由噴頭，將溶液以絲狀擠出，在低溫成形室中堆積成形。低溫沉積製造具體的工藝過程為①用三維建模軟體建立三維模型，用分層處理軟體將模型分層，得到用於成形的坐標代碼。②選擇實驗的材料，按照合適的比例配製溶液，製成備用。③將材料加入到成形設備的各噴頭的噴射器中，計算機中的控制軟體根據輸入的層片文件和設定的加工參數控制各噴頭的掃描運動和擠壓、噴射運動。在低溫成形室中，從噴頭中出來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乾燥機中，進行冷凍乾燥處理，去除溶劑，得到常溫下為固態的支架。在此過程中，溶劑的升華使冷凍支架內產生微孔結構。目前清華大學機械系已經有了相應的單噴頭和雙噴頭的三維支架受控成型裝置，並且對噴頭的設計和成形性能做了相關研究，設計並製作了活塞擠壓噴頭。如清華大學先進位造快速成形實驗室自主研發的CLRF-2000- II型生物材料快速成形機。然而，人體中的複雜組織或器官一般都是由兩種或兩種以上不同細胞和細胞外基質材料組成的複合結構，而且各個結構間相互聯繫。隨著研究的不斷深入，對非均質多種不同材料三維結構的成形提出了要求。原有的單噴頭和雙噴頭無法滿足複雜組織器官快速製造的要求；同時具備有孔噴射的多噴頭快速成形與無孔噴塗的成形材料結構功能修飾的多功能三維受控成形裝置的設計和研發便成為必然。中國專利文獻(申請號201110205970. I)涉及一種固定式多噴頭複雜器官前體三維受控成形系統，噴射裝置為固定式，成形臺設置在三維運動裝置上，噴頭組件排列在矩形盤或圓盤上，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，切換噴頭時三維運動裝置使工作噴頭與成形臺對正。但固定式多噴頭成形系統有以下不足之處①成形臺只能依靠三維運動裝置進行運動，加工圓截面和圓環截面類材料成型時位置參數由相互垂直的X軸Y軸控制，精確度有待提高。②固定式噴頭均為螺杆擠壓式且不可更換，在進行細胞組裝或列印加工時存在結構性弊端，無法精確控制細胞列印數量、細胞層的厚度和準確位置。③噴射裝置各噴頭只有一個噴嘴，在進行多種細胞、多方位成形時局限性較大。④不能同時滿足既成形微米級高粘度凝膠、漿料或溶液，又能噴塗納米級低粘度的單層細胞、細胞生長因子、交聯劑或高分子溶液層，因而使複雜組織器官製造中成形過程與後序處理過程不能同步進行
發明內容
本發明針對已有技術的不足之處，提供一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，該系統採用有孔噴射快速成形與無孔噴塗複合技術，提高了多種細胞、多方位成形時的靈活性和精度。本發明的技術方案如下一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，該系統包括殼體，多噴頭噴射單元、成形臺、滅菌裝置、溫度控制裝置、三維運動單元以及控制單元，所述的多噴頭噴射單元、成形臺、滅菌裝置、溫度控制裝置和三維運動單元設置在殼體內，其特徵在於複雜組織器官製造系統還包括成形臺姿態調整裝置，該成形臺姿態調整裝置是一個六維運動平臺；多噴頭噴射單元安裝在三維運動單元上，成形臺固定安裝在成形臺姿態調整裝置的頂部；所述的多噴頭噴射單元包括有孔噴射裝置和無孔噴塗裝置，兩者並列安裝在三維運動單元上；所述控制單元分別通過控制線路與三維運動單元、多噴頭噴射單元和成形臺姿態調整裝置相連接。本發明所述的成形臺姿態調整裝置包括一個以伺服電機為動力源的旋轉裝置和一個六桿的史都華運動機構，旋轉裝置安裝在史都華運動機構的頂端。所述的有孔噴射裝置採用電機助推式快速成形噴頭、壓電噴頭和筆尖直流噴頭；無孔噴塗裝置採用雷射引導裝置。本發明具有以下優點和突出性效果①本發明採用了有孔噴射與無孔噴塗組合技術，可用於非均質多種生物材料，包括固態或液態合成高分子、溶液或凝膠態天然高分子和細胞/基質材料的成形；結構尺寸從納米級到釐米級。②本發明採用有孔噴射與無孔噴塗組合技術，一方面採用有孔噴射裝置可以成形微米級的多細胞層。另一方面無孔噴塗可以精確成形鈉米到微米級的細胞層、支架高分子層。噴塗系統還可以對成形材料進行後序處理，包括高分子交聯、有機溶劑萃取、生長因子複合，使製造過程更加準確迅速。③本發明可根據需要選用合適數量的噴射、噴塗技術進行獨立或協同加工，加工區域適合絕大多數生物組織和器官前體的成形尺寸要求。可以通過微創技術使噴射與噴塗裝置直接伸入到人體中，利用病人自體細胞和細胞外基質材料進行原位製造、直接與宿主體內循環系統相連接，並達到修復病損組織和器官的目的。綜上，本發明所述系統利用有孔噴射與無孔噴塗組合技術實現了非均質多種材料複雜三維結構的協同高效成形。結構尺寸從納米級到釐米級。噴塗系統還可以對成形材料進行後序處理，包括高分子交聯、有機溶劑萃取、生長因子複合，使製造過程更加準確迅速。可以通過微創技術使噴射與噴塗裝置直接伸入到人體中，利用病人自體細胞和細胞外基質材料進行原位製造、快速修復病損組織和器官。


圖I是本發明的一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統實施例的主視圖。
圖2是本發明的一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統實施例的俯視圖。圖3是史都華運動機構結構示意圖。圖4是筆尖直寫噴頭結構示意圖。圖5是電機助推式快速成形噴頭結構示意圖。圖6是本發明一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統工作流程示意圖。圖中101_X向運動裝置；102-電機助推式快速成形噴頭；103-筆尖直寫噴頭；104-壓電噴頭；105_雷射引導裝置；106_運動單元支架；107_成形臺；108_支架；109_旋轉裝置；110-史都華運動機構；111-滅菌裝置；112-控制單元；201_殼體；202-Z向運動裝置；203-Y向滑塊；204_溫度控制裝置；205-Y向滑軌；206_Y向絲槓；207_Y向伺服電機；301-可動板；302_萬向接頭；303_線性致動器；304_固定板；401_噴嘴；402_微尖；403_液橋；404_成形臺；501-螺杆；502_直線步進電機；503-Z向運動裝置支架；504_加熱棒；505-隔熱外套；506_密封圈；507_噴嘴。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明作進一步詳細說明。圖I、圖2是本發明的一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統結構原理示意圖，該系統包括殼體201，多噴頭噴射單元、成形臺404、滅菌裝置111、溫度控制裝置204、三維運動單元、控制單元112以及成形臺姿態調整裝置；所述的多噴頭噴射單元、成形臺107、滅菌裝置111、溫度控制裝置204和三維運動單元設置在殼體內，複雜組織器官製造系統還包括成形臺姿態調整裝置，該成形臺姿態調整裝置是一個六維運動平臺；多噴頭噴射單元安裝在三維運動單元上，成形臺107固定安裝在成形臺姿態調整裝置的頂部；所述的多噴頭噴射單元包括有孔噴射裝置和無孔噴塗裝置，兩者並列安裝在三維運動單元上；所述控制單元分別通過控制線路與三維運動單元、多噴頭噴射單元和成形臺姿態調整裝置相連接。多噴頭噴射單元是有孔噴射快速成形裝置和無孔噴塗裝置的組合結構。其中，有孔噴射裝置採用電機助推式快速成形噴頭102、筆尖直寫噴頭103和壓電噴頭104，電機助推式快速成形噴頭102和筆尖直寫噴頭103的結構分別如圖5和圖4所示；無孔噴塗設備是雷射引導裝置105。筆尖直寫噴頭結構如圖4所示，噴頭內的流體材料在壓力的作用下從微尖402與噴嘴401之間的間隙流出，通過微尖402的引流作用到達指定位置。電機助推式快速成形噴頭結構如圖5所示，直線步進電機502固定在Z向運動裝置支架上，螺杆501在直線步進電機502的帶動下可對噴頭內的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴507噴出，加熱棒504和隔熱外套505安裝在噴頭下段使噴頭內的成形材料保持設定的溫度。多噴頭噴射單元被安裝在三維運動單元中的Z向運動裝置202上，在控制單元112的控制下工作噴頭可在基材上進行精確定位，使各種不同材料，包括高粘度凝膠、漿料、溶液，和低粘度的單層細胞、細胞生長因子、交聯劑、高分子溶液組裝、列印或噴塗在恰當的空間位置上。在實現兩種以上細胞和支架材料三維受控組裝的同時，實現高分子材料交聯、有機溶劑萃取、單層細胞及鈉米級合成高分子支架層複合多種功能。 三維運動單元包括X向運動裝置101、Y向運動裝置和Z向運動裝置202。Y向運動裝置安裝在支架108頂部，Y向運動裝置由Y向伺服電機207，Y向絲槓206和Y向滑軌205組成，Y向伺服電機207和Y向絲槓206通過聯軸器相聯接，兩幅Y向滑軌205分別安裝在支架108的左右兩側支柱上，Y向伺服電機207和Y向絲槓206安裝在左側支架上，以伺服電機為動力源即可帶動安裝在Y向滑塊上的機構沿Y軸方向做直線運動，並可精確定位。X向運動裝置101由滾珠絲槓副、直線導軌、滑塊、聯軸器和伺服電機組成。其中，滾珠絲槓和直線導軌的兩端分別固定在Y向直線運動導軌的左右兩側的滑塊上，伺服電機固定在右側的Y向滑塊上，伺服電機通過聯軸器和滾珠絲槓相聯結。Z向運動運動裝置202安裝在X向運動裝置101的滑塊上，Z向運動裝置202為成套的直線運動模塊。三維運動單元帶動固定在其上的多噴頭噴射單元進行精確定位，並可使其按照控制單元112規劃的路徑進行準確運動。成形臺107，是承載產品的平臺，安裝在成形臺姿態調整裝置的頂部。成形臺姿態調整裝置是一個六維運動平臺，能圍繞X軸、Y軸偏轉一定的角度，可調整成形臺107表面與噴頭中心軸之間的相對角。成形臺107能圍繞其Z軸中心軸進行旋轉運動，成形臺姿態調整裝置與三維運動單元進行聯動，可大幅提高加工圓截面和圓環截面類材料成型時精度，並可製造和噴塗複雜的曲面結構。成形臺姿態調整裝置由上下兩部分組成，上部為一個以伺服電機為動力源的旋轉裝置109，下部為一個六桿的史都華運動機構110，旋轉裝置109安裝在史都華運動機構110的頂端，史都華運動機構110的結構如圖3所示。旋轉裝置109提供圍繞其Z軸的旋轉運動，史都華運動機構110則提供圍繞X軸、Y軸和Z軸的偏轉運動。史都華運動機構如圖3所示，史都華運動機構由線性致動器303通過萬向接頭302與可動板301和固定板304連接組成，經由6根線性致動器303的長度變化，相互牽引萬向接頭302，可使上方的可動板301呈現不動位置及角度。溫度控制裝置204，為了保持生物細胞的活性和成形材料固化的需要，溫度控制裝置204使所述系統內部溫度應根據需要保持在合適的溫度。溫度控制裝置204安裝在左側支架上。滅菌裝置111，使用紫外線滅菌裝置，可對一些生物材料和整個系統內部進行消毒。滅菌裝置安裝在右側支架上。殼體201，實現適當的封閉和必要的保護，確保整個加工製造過程的順利進行和複雜組織、器官製造的無菌環境，並實現接地保護、通風散熱等功能。支架108，整個設備的框架和支撐，各個硬體系統均安裝在固定機架上。控制單元112，提供友好的用戶操作界面，解析處理待成形三維文件，輸出各噴頭具有正確時序和數據的組裝或列印命令，補償機械偏差、校準噴頭和測試設備的工作狀態
坐寸o 通過計算機進行肝臟葉片建模。再利用電機助推式快速成形對病人身上提取的幾種細胞與生物相容性細胞外基質材料，如平滑肌細胞/纖維蛋白原、肝細胞/明膠、星狀細胞/透明質酸進行組裝的同時，利用一個雷射引導裝置105將內皮細胞列印在平滑肌細胞/纖維蛋白原所形成的血管網結構內側，用另一個雷射將合成高分子聚氨酯噴塗到所成形的肝臟葉片外圍，使成形結構的機械性能與肝臟動脈、靜脈血管的機械性能相匹配。組裝後的結構可以直接與人體血管系統相連接，起到肝臟修復的作用，並不引起凝學、炎症反應等副作用。結合圖6，本實施例的工作原理和工作過程，敘述如下複雜器官用三維建模軟體建立三維模型，用分層處理軟體將模型分層，得到用於成型的NC代碼。將層片文件和加工參數輸入計算機控制軟體。選擇實驗的材料，按照合適的比例配置，製成成形材料備用。先啟動滅菌裝置111，給整個殼體內環境滅菌。將不同的成形材料加入到多噴頭單元的各噴頭組件中，設定噴頭及成形臺姿態調整裝置的初始坐標，關閉箱門。啟動溫度控制裝置204，使成形室溫度達到實驗設定值並維持恆定。等成形室溫度穩定時，開始成形工作。由控制單元112根據輸入的層片文件和設定的加工參數控制三維運動單元的運動路徑和成形臺姿態調整裝置的姿態位置，設定的噴頭開始工作，從噴頭中噴射出來的材料迅速凝固且相互粘結在一起，堆積成形。隨著每一層的堆積完成，噴頭在Z向運動裝置202的帶動下下降一個特定高度，中間要更換不同的成形材料時，通過控制單元112啟動切換噴頭的程序，控制噴頭抬升一定的距離，然後根據噴頭之間的位置關係，控制工作噴頭移動到設定位置，再使工作噴頭下降同等的距離，繼續受控成形。若需要加工圓環類結構時，噴頭在三維運動單元的帶動下運動到設定位置，設置成形臺姿態調整器的位置為初始值，成形臺107平面與XY平面平行，啟動旋轉裝置109，成形臺圍繞其Z軸進行旋轉運動。等成形臺107旋轉一周後，噴頭提升一定的高度即可連續成形。若需要在加工結構表面噴塗另一層材料時，切換工作噴頭，並將工作噴頭在三維運動單元的帶動下運動到設定位置，成形臺姿態調整裝置偏轉到設定位置，此時成形臺107中心軸與工作噴頭中心軸之間的夾角大於零度，啟動旋轉裝置109，噴頭即可在在加工結構表面噴塗另一層材料。
不同材料在成形臺107表面成形以後，依照程序將成多噴頭單元移出成形加工區域，成形過程結束，然後可將成形結構取出。本發明所述的有孔噴射與無孔噴塗技術相複合的全自動複雜組織器官製造技術，所使用的生物材料可以是粘度很高的膠體、懸浮液、漿料、熔融體，也可以是粘度很低的溶液體系，包括可降解與不可降解高分子固體或液體材料、細胞生長因子材料溶液、生物活性螢光染料、無機溶液、有機溶液、水溶液、細胞培養液中的一種或兩種以上的組合。本發明所述的有孔噴射與無孔噴塗技術相複合的全自動複雜組織器官製造技術，其優點在於所組合起來的噴射和噴塗系統可以實現多種不同狀態下的材料體系在空間位置上的準確定位，能實現複雜曲面的製造和噴塗，結構尺寸從納米級到釐米級。以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內， 本發明所主張的權利範圍應以發明申請範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
權利要求
1.ー種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，該系統包括殼體，多噴頭噴射単元、成形臺、滅菌裝置、溫度控制裝置、三維運動單元以及控制單元，所述的多噴頭噴射單元、成形臺、滅菌裝置、溫度控制裝置和三維運動單元設置在殼體內，其特徵在於複雜組織器官製造系統還包括成形臺姿態調整裝置，該成形臺姿態調整裝置是ー個六維運動平臺；多噴頭噴射単元安裝在三維運動単元上，成形臺固定安裝在成形臺姿態調整裝置的頂部；所述的多噴頭噴射単元包括有孔噴射裝置和無孔噴塗裝置，兩者並列安裝在三維運動単元上；所述控制単元分別通過控制線路與三維運動単元、多噴頭噴射単元和成形臺姿態調整裝置相連接。
2.如權利要求I所述ー種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，其特徵在於所述的成形臺姿態調整裝置包括一個以伺服電機為動カ源的旋轉裝置和一個六桿的史都華運動機構，旋轉裝置安裝在史都華運動機構的頂端。
3.如權利要求I所述ー種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，其特徵在於有孔噴射裝置採用電機助推式快速成形噴頭、筆尖直流噴頭和壓電噴頭；無孔噴塗裝置採用雷射引導裝置。
全文摘要
一種噴射與噴塗相結合的複雜組織器官製造系統，屬於組織工程技術領域。該發明主要包括多噴頭噴射單元、三維運動單元、成形臺、成形臺姿態調整裝置、溫度控制裝置、滅菌裝置、殼體、支架以及控制單元。多噴頭噴射單元安裝在三維運動單元上，成形臺安裝在成形臺姿態調整裝置的頂部，在控制單元的控制下，噴頭會按照設定路徑運動並依照設定次序進行噴塗，並且噴頭的中心軸與成形臺表面之間的相對角也可以改變，方便複雜曲面的製造。使多種細胞、支架材料一次性按計算機指令排列到相應的位置的同時完成各種後序處理過程，所成形的三維結構可以直接與體內相應循環系統相連接並迅速實現複雜組織器官的各種生理功能。
文檔編號A61F2/02GK102755203SQ20121024493
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者王小紅 申請人:清華大學