一种用于生产医用组织工程支架的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及增材制造与生物组织培养领域，尤其涉及一种用于生物组织工程支架制备的3D打印机，将熔融沉积成形与片层压成形技术相结合，用于制备更加利于细胞培养的组织工程多孔支架。
【背景技术】
[0002]3D打印技术(又称增材制造技术)在国内外掀起了一波新的发展热潮，随着技术的不断成熟，3D打印越来越多地在制造、医疗、文创、航空航天等产业中得到应用，其中3D打印制备生物组织工程支架已是医疗领域研宄的热点。组织工程支架为细胞生长输送营养及排泄代谢产物，为细胞的生长提供载体，广泛应用于骨组织工程、神经组织工程、血管组织工程以及皮肤组织工程的细胞培养。常用的组织工程支架制备方法包括相分离/冷冻干燥法、溶剂浇铸/粒子沥滤法、化学发泡法等，但上述工艺存在产生的微孔大小难以控制、支架中存在的闭孔问题以及制备过程中无法避免有毒溶剂的使用等问题。
[0003]通过3D打印技术制备组织工程支架的方法正是组织工程领域研宄的热点，具有成型产品精度高、表面质量好等特点，但在微米级支架孔径等方面难以达到要求。同时电纺技术可以制备出较大的面积-体积比和高孔隙率的支架，但其纤维堆积依然难以可控，3D打印与电纺技术相结合可以制备出满足要求的组织工程支架。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是针对现有组织工程支架所存在的不足，提出一种熔融沉积成形与片层压工艺相结合的装置，用于制备一种熔丝栅格与电纺膜多层复合的微空隙生物组织工程支架。采用该装置制备的复合支架可实现支架外部轮廓和内部微观孔隙结构的可控制造，满足关节组织修复缺损等对形状可控支架的要求。
[0005]本实用新型采用的技术方案是:一种用于生产医用组织工程支架的装置，主要包括熔丝挤出系统、电纺膜装载与收集系统、三维运动平台系统、过程控制系统及支撑架；其中熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器和隔热套；其中电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；其中三维运动平台系统包括基板、X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；其中过程控制系统包括数据转换单元和运动控制单元；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将制品打印成形。
[0006]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、加热器、隔热套、喷嘴；其中伺服电机可精确控制转速，通过控制螺杆转速，保证不同物料均可在机筒内熔融塑化；其中进料口可直接倒入一定量高分子粒料，也可将相配套的粒料盒卡在入口处，方便定量管理以及清洁卫生；进料口与机筒相贯通，能够将粒料直接输送到机筒内部进行熔融；其中隔热套能够阻隔热量，避免机筒的热量往上传导烧坏伺服电机；熔丝通过喷嘴挤出。
[0007]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；其中膜装载辊筒缠绕多层静电纺丝纤维膜，作为医用组织工程支架微观空隙的基本框架，其中过渡辊筒用于拉紧并调平电纺膜；其中膜收集辊筒用于收集剩余的电纺膜；伺服驱动电机驱动膜收集辊筒旋转，拉动电纺膜按照控制以一定速度穿过基板上方。
[0008]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的三维运动平台系统，其运动精度是决定成型精度的因素之一。其水平方向的运动包括X向和Y向运动。熔丝挤出系统在X向和Y向运动机构的带动下，在基板平面上方做扫描运动，水平方向运动机构的运动精度直接影响每层截面的形状和位置精度；z方向运动机构的主要功能是带动基板和成型制品沿竖直方向移动，Z方向运动机构需要有较大的驱动力，需具有自锁功能。
[0009]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的过程控制系统系统分为数据转换单元和运动控制单元；其中数据转换单元将三维数字模型的文件储存于设备中；运动控制单元用于控制熔丝的挤出，熔丝挤出系统X向、Y向移动，电纺膜的平移，基板Z向移动。
[0010]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝及电纺膜材料主要有左旋聚乳酸、聚氨酯等生物可降解材料，在制备生物组织支架时，熔丝及电纺膜选用同一种材料，有助于增强其粘接性能。
[0011]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的电纺膜可通过熔体静电纺丝工艺批量制成，纤维直径及间隙空隙通过控制电压、纺丝时间等参数进行控制，保证纤维直径为I μπι以下，间隙10 μm以下。
[0012]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝通过熔丝挤出系统的喷嘴中挤出，其直径通过螺杆转速、喷嘴直径等参数进行控制，熔丝间距通过数字模型及基板运动速度等参数控制，保证熔丝直径0.2mm以下，熔丝间距Imm以下。
[0013]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的制备方法，伺服电机驱动螺杆在机筒中旋转，支架材料通过进料口进入机筒，在螺杆的剪切摩擦作用下变为熔融物料，通过喷嘴挤出形成熔丝；熔丝挤出系统在X向和Y向运动机构的带动下，在基板平面上方做扫描运动，熔丝以栅格的形式按照模型数据路径堆积基板上，Z向运动系统带动基板及第I层熔丝栅格下降一层；电纺膜装载与收集系统中的辊筒驱动电机带动膜收集辊筒旋转，电纺膜从膜装载辊筒中拉出，沿过渡辊筒拉伸到第I层熔丝栅格上方，第2层熔丝按照一定路径继续堆积，并将部分电纺膜压制于第I层与第2层熔丝栅格之间，熔丝的温度可将电纺膜与熔丝栅格粘接；Z向运动系统继续下降一层，辊筒驱动电机带动膜收集辊筒旋转，栅格之外的电纺膜脱离并沿旋转方向延伸一定距离；第三层熔丝堆积，逐层累积叠加后，可制备出熔丝支架与电纺膜多层复合的宏微空隙生物组织工程支架。
[0014]本实用新型采用熔丝栅格与电纺膜多层复合形成宏观和微观空隙生物组织工程支架，熔丝将膜和栅格粘接在一起，熔丝的铺设有X向、Y向和Z向运动机构控制，因而形成的空隙可调，有电纺膜铺设，膜的丝的直径更小，所得到的空隙能达到微米级。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置结构示意图。
[0016]图2是本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置制备的熔丝栅格与电纺膜多层复合的宏微空隙生物组织工程支架结构示意图。
[0017]图中，1-伺服电机，2-机筒，3-进料口，4-螺杆，5-加热器，6_隔热套，7_喷嘴，8-X向运动机构，9-Y向运动机构，1-Z向运动机构，11-基板，12-辊筒驱动电机，13-膜收集辊筒，14-膜装载辊筒，15-过渡辊筒，16-过程控制系统，17-熔丝，18-电纺膜，19-支撑架。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的装置，如图1所示，主要包括熔丝挤出系统、电纺膜装载与收集系统、三维运动平台系统、过程控制系统16及支撑架19 ;其中熔丝挤出系统包括伺服电机1、机筒2、进料口 3、螺杆4、加热器5、隔热套6 ;其中电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒14、过渡辊筒15、膜收集辊筒13、辊筒驱动电机12 ;其中三维运动平台系统包括基板11、X向运动机构8、Y向运动机构9、Z向运动机构10 ;其中过程控制系统16包括数据转换单元和运动控制单元；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将组织工程支架制品打印成形。
[0019]本实用新型一种用于生产医用组织工程支架的制备方法，伺服电机I驱动螺杆4在机筒2中旋转，支架材料通过进料口 3进入机筒2，在螺杆4的剪切摩擦作用下变为熔融物料，通过喷嘴7挤出形成熔丝17 ;熔丝挤出系统在X向运动机构8和Y向运动机构9的带动下，在基板11平面上方做扫描运动，熔丝17以栅格的形式按照模型数据路径堆积基板11上，Z向运动系统10带动基板11及第I层熔丝17栅格下降一层；电纺膜装载与收集系统中的辊筒驱动电机12带动膜收集辊筒13旋转，电纺膜18从膜装载辊筒14中拉出，沿过渡辊筒15拉伸到第I层熔丝17栅格上方，第2层熔丝17按照一定路径继续堆积，并将部分电纺膜18压制于第I层与第2层熔丝17栅格之间，熔丝17的温度可将电纺膜18与熔丝17栅格粘接；Z向运动系统10继续下降一层，辊筒驱动电机12带动膜收集辊筒13旋转，熔丝17栅格之外的电纺膜18脱离并沿旋转方向延伸一定距离；第三层熔丝17堆积，逐层累积叠加后，可制备出熔丝17支架与电纺膜18多层复合的宏微空隙生物组织工程支架。
【主权项】
1.一种用于生产医用组织工程支架的装置，其特征在于:主要包括熔丝挤出系统、电纺膜装载与收集系统、三维运动平台系统、过程控制系统及支撑架；熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器和隔热套；电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；三维运动平台系统包括基板、X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；过程控制系统包括数据转换单元和运动控制单元；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将制品打印成形。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产医用组织工程支架的装置，其特征在于:熔丝挤出系统中伺服电机精确控制转速，进料口可直接倒入一定量高分子粒料，或将相配套的粒料盒卡在入口处；进料口与机筒相贯通。
3.根据权利要求1所述的一种用于生产医用组织工程支架的装置，其特征在于:过程控制系统系统分为数据转换单元和运动控制单元；数据转换单元将三维数字模型的文件储存于设备中；运动控制单元用于控制熔丝的挤出，熔丝挤出系统X向、Y向移动，电纺膜的平移，基板Z向移动。
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于生产医用组织工程支架的装置，其装置主要包括熔丝挤出系统、电纺膜装载与收集系统、三维运动平台系统、过程控制系统及支撑架；熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器和隔热套；电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；三维运动平台系统包括基板、X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将组织工程支架制品打印成形。本实用新型采用熔丝栅格与电纺膜多层复合形成宏观和微观空隙生物组织工程支架，熔丝将膜和栅格粘接在一起，熔丝空隙可调，电纺膜铺得到的空隙能达到微米级。
【IPC分类】C12M3-00, B33Y30-00, B29C67-00, B33Y10-00, B33Y70-00
【公开号】CN204604924
【申请号】CN201520299920
【发明人】谭晶, 迟百宏, 刘丰丰, 杨卫民, 丁玉梅
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月11日