一种韧性组织结构的3d打印成形设备的制作方法
【专利摘要】一种韧性组织结构的3D打印成形设备，属于医疗器械【技术领域】。所述设备包括扫描成像系统、快速成形系统、传送系统和控制系统。传送系统一端位于多喷头快速成形系统下方，另一端穿过扫描成像系统；多喷头快速成形系统包括X向运动机构、喷头固定装置和成形台，还可在所述成形台的侧边设置工业机器人。喷头固定装置采用方形或圆形结构，并设置在X向运动机构上，沿X向运动。所述喷头固定装置和工业机器人均包括成形打印组件，成形打印组件含有外科手术组件和喷头组件，成形打印组件可在XY平面和Z向移动。本设备能实现在临床手术中体内外直接打印、再生或替换病变的韧性组织。
【专利说明】一种韧性组织结构的3D打印成形设备
【技术领域】
[0001]本实用新型属于组织工程、复合材料及医疗器械领域，涉及一种韧性组织结构的3D打印成形设备。
【背景技术】
[0002]目前，韧性组织(跟腱、筋膜、韧带、尿道和妇科盆底支撑系统等)的损伤治疗和修复主要依靠仿生材料替代、自体移植或异体移植，但这些方法采用的替代物的生物相容性不高，损伤恢复较慢，甚至面临免疫排斥和病毒传染问题，并且成年人的治疗和修复比幼年更加困难。再生医学和组织工程为人类结缔组织的修复和再造提供了可能，其中涉及到生物学、材料学、机械学等学科。
[0003]韧性组织,如结缔组织(connective tissue),是人和高等动物的基本组织之一，起支持、连接、营养、保护等多种功能。结缔组织分为疏松结缔组织(如皮下组织)、致密结缔组织(如腱和韧带)、脂肪组织和网状组织。结缔组织由细胞、纤维和细胞外基质组成；细胞主要有巨噬细胞、成纤维细胞、浆细胞和肥大细胞；纤维包括胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。
[0004]将3D打印技术与组织工程技术相结合，是目前解决复杂组织器官制造的有效途径。国外许多科研组在该领域有所探索和发展[Boland T, et al.B1technologyjournal, 2006, I (9): 910 ；Cooper G, et al.Tissue Engineering Part A, 2010, 16 (5): 1749 ；Fedorovich N, et al.Tissue Engineering Part C, 2011, 18 (I): 33]。国内清华大学器官制造中心(CenterofOrganManufacturing)开发出系列3D成形设备,如熔融挤压设备、单(双)喷头(针头)针低温沉积成形设备，并成功制备出了简单的血管网、肝组织和骨修复材料等[Wang X, et al.Trends in B1technology, 2007, 25:505 ；ffang X, et al.Tissue EngineeringPart B, 2010, 16:189; Wang X.Artificial organs, 2012, 36:591]。
[0005]干细胞能为组织再生提供再生微环境，目前已应用于骨、软骨、肌肉、骨髓基质、肌腱、脂肪和其他结缔组织的修复[Caplan A.Journal of cellularphys1logy, 2007, 213(2):341]。结缔组织的纤维可人工制备，如将蚕丝纤维纺织成网格，作为脂肪间充质干细胞的场所，用于妇科盆底支撑系统的结缔组织修复替代物[Li Q, etal.Cell and tissue research, 2013, 354(2): 471],该方法能观测到细胞与丝素纤维的交互作用，但蚕丝的生物相容性和生物毒性需要进一步验证，同时网格的宏观孔隙过大，纤维间微观孔隙过小，不适宜细胞生长；同时成品轮廓的可重复性低，生产效率有待提高，不适于批量生产。
[0006]目前世界上使用最广泛的手术机器人为达芬奇机器人[陈广飞等，机器人技术与应用，2011，4:11]，主要有医生控制台、成像系统和机械臂构成，用于实现外科手术的远程操作。但该系统只能实现传统的手术(如切除和缝合)，并不能实现对病变部位的实时再生。并未应用增材制造(3D打印)技术；该系统的成像系统仅为普通视频图像信号，并非医学扫描图像信号(如CT和核磁共振成像)。故达芬奇系统在组织器官体内直接再生领域的局限性很大。
[0007]通过以上分析，将3D打印技术与组织器官相结合已成为医学和工程学的研究热点。现有的弹性组织的修复方法受到材料性能、生物相容性和修复再生速度的影响，并不能完全恢复损伤组织的功能。并将细胞与高分子复合，能实现病变部位的术中实时再生。所成形的结构在形态结构上、免疫生理方面都有良好的性能。
实用新型内容
[0008]本实用新型的目的是提供一种韧性组织结构的3D打印成形设备，该实用新型可将打印成形与医学成像学技术相结合，在临床手术中实现对病人病变组织的再生和直接替换。
[0009]本实用新型的技术方案如下:
[0010]本实用新型提供的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述设备包括多喷头快速成形系统、扫描成像系统、传送系统和控制系统；所述传送系统一端位于多喷头快速成形系统下方，另一端穿过扫描成像系统；所述多喷头快速成形系统包括X向运动机构、喷头固定装置和成形台；所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动；所述喷头固定装置包括成形打印组件，所述成形打印组件含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；所述多喷头快速成形系统、扫描成像系统和传送系统由数据线路分别与控制系统连接；所述扫描成像系统将扫描所得信号传送至控制系统，由控制系统处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统和传送系统。
[0011]本实用新型所述的设备中，其特征在于:所述设备还包括至少一个工业机器人，该机器人安装在所述成形台的侧边，每个机器人包括成形打印组件，成形打印组件含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
[0012]本实用新型所述的设备中，其特征在于:所述喷头固定装置采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件安装在Z向运动机构上；或所述喷头固定装置采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件安装在径向运动机构上。
[0013]本实用新型所述的设备中，所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件；所述吸除组件含真空泵、吸除嘴、连接管和污物收集箱；所述真空泵一侧由连接管连在吸除嘴上，另一侧由连接管连在污物收集箱上。
[0014]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:本实用新型提供的韧性组织结构的3D打印成形设备可实现在手术中对病人病变部位的切除、再生或修饰；可实现在动物体内外直接进行打印，为实时成形复杂组织或器官提供了可行性，是韧性组织器官修复和再生的良好选择。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为韧性组织结构的3D打印成形设备的结构原理示意图。
[0016]图2a、2b、2c和2d分别为方形喷头固定装置、圆形喷头固定装置、单个喷头组件和工业机器人的示意图。
[0017]图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f分别为螺杆挤压喷头、电纺丝喷头、喷雾喷头、吸除组件、夹持组件和外科手术组件的示意图。
[0018]图3g和3h分别为电纺丝喷头和喷雾喷头工作示意图。
[0019]图4为韧性组织结构3D打印成形设备控制路线图。
[0020]图5为打印成的立方体韧性组织结构的示意图。
[0021]图6为打印成的圆柱体韧性组织结构的示意图。
[0022]图中:102-多喷头快速成形系统；103_传送系统；104_控制系统；105_成形台；106-喷头固定装置；107_工业机器人；108_喷头组件；109_导轨支架；110_手术台；111-手术台运动导轨；202-X向运动导轨；203-X向电机；204_方形支撑架；205_Y向运动导轨；206-Υ向电机；207-Ζ向运动导轨；208-Ζ向电机；209_喷头放置板；210_圆形支撑架；211-径向运动导轨；212_径向电机；301-螺杆；302-电机；303_固定夹；304_注射器；305-喷嘴；306-带电喷嘴；307-凸轮；308_凸轮传动轴；309_喷壶固定夹；310_喷壶；311-喷壶喷嘴；312-真空泵；313-连接管；314_污物收集箱；315_吸除嘴；316_夹子；317-手术刀；318-医用缝合胶；319_旋转柄。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的设备进一步说明。
[0024]如图1所示，本实用新型提供的一种制备韧性组织结构的3D打印成形设备，包括多喷头快速成形系统102、扫描成像系统101、传送系统103和控制系统104。所述传送系统103 一端位于多喷头快速成形系统102下方，另一端穿过扫描成像系统101 ;所述多喷头快速成形系统102包括X向运动机构、喷头固定装置106和成形台105。所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动，所述X向运动机构包括X向运动导轨202和X向电机203 (见图2);所述喷头固定装置106包括成形打印组件108，所述成形打印组件108含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件。所述多喷头快速成形系统102、扫描成像系统101和传送系统103由数据线路分别与控制系统104连接；所述扫描成像系统101将扫描所得信号传送至控制系统104，由控制系统104处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统102和传送系统103。
[0025]如图1和图2d所示，本实用新型的设备还包括至少一个工业机器人107，该机器人安装在所述成形台105的侧边，每个机器人包括成形打印组件108，成形打印组件108含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
[0026]如图2a所示，喷头固定装置106采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件108安装在Z向运动机构上，其中Y向运动机构包括Y向运动导轨205和Y向电机206，Z向运动机构包括Z向运动导轨207和Z向电机208。如图2b所示，喷头固定装置106采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件108安装在径向运动机构上，其中径向运动机构包括径向运动导轨211和径向电机212，Z向运动机构包括Z向运动导轨207和Z向运动电机208。
[0027]如图3f所示，外科手术组件包括手术刀317、医用缝合胶318、电机302和旋转臂319 ;手术刀317和医用缝合胶318分别安装在旋转臂319上，该旋转臂由电机302驱动。如图3c和3h所示，喷雾喷头组件包括电机302、凸轮307、凸轮带动轴308、喷壶310、喷壶固定夹309和喷壶喷嘴311 ;所述电机302依靠凸轮传动轴308带动凸轮307旋转，所述凸轮307与喷壶310顶部接触。如图3d所示，吸除组件含真空泵312、吸除嘴315、连接管313和污物收集箱314 ;所述真空泵312 —侧由连接管313连在吸除嘴上315，另一侧由连接管313连在污物收集箱314上。
[0028]如图3a所示，螺杆挤压喷头包括螺杆301、电机302、固定夹303、注射器304和喷嘴305，驱动电机通过螺杆旋转挤压注射器，使得材料挤出。如图3b和3g所示，电纺丝喷头包括螺杆301、驱动电机302、固定夹303、注射器304和带电喷嘴306，驱动电机通过螺杆旋转挤压注射器，使得材料挤出，材料在电场作用下在成形台上成形。如图3e所示，夹持组件包括夹子316和电机302，夹子可对成形结构体进行转移。
[0029]图4为韧性组织结构3D打印成形设备控制路线图。由控制系统接收来自扫描成像系统的信号并对其进行处理；随后控制系统发出指令信号，使得快速成形系统和传送系统运动，完成部分打印步骤；随后由扫描成像系统对已成形的结构进行扫描，并将信号再次发送至控制系统，再由控制系统控制后续快速成形系统和传送系统运动，完成后续打印步骤，直至得到最终韧性组织结构体。在使用该实用新型所述的3D打印成形设备前，需要先由计算机设计韧性组织结构的三维模型，或由扫描成像系统得到韧性组织结构的三维模型，由计算机分配纤维层和水凝胶层的打印路径，并将高分子水凝胶、细胞和高分子纤维原材料装入相应喷头组件中。对于体内直接打印成形，需由3D打印成形设备的外科手术组件对病变部位微创开口，并由吸除组件吸除部分或全部病变组织，之后由喷头组件将高分子水凝胶、细胞和高分子纤维原材料逐层打印于病变部位，得到所述韧性组织，并由外科手术组件进行缝合。对于体外打印成形，需由3D打印成形设备的喷头组件将高分子水凝胶、细胞和高分子纤维原材料逐层打印在成形台上，得到所述韧性组织；之后由3D打印成形设备的外科手术组件对病变部位微创开口，并由吸除组件吸除部分或全部病变组织，随后由夹持组件将上述韧性组织结构转移至病变部位，最后由外科手术组件进行缝合。
【权利要求】
1.一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述设备包括多喷头快速成形系统(102)、扫描成像系统(101)、传送系统(103)和控制系统(104);所述传送系统(103)一端位于多喷头快速成形系统(102)下方，另一端穿过扫描成像系统(101);所述多喷头快速成形系统(102)包括X向运动机构、喷头固定装置(106)和成形台(105);所述喷头固定装置设置在X向运动机构上，并沿X向运动；所述喷头固定装置(106)包括成形打印组件(108)，所述成形打印组件(108)含有外科手术组件和喷头组件，并在XY平面和Z向移动；所述多喷头快速成形系统(102)、扫描成像系统(101)和传送系统(103)由数据线路分别与控制系统(104)连接；所述扫描成像系统(101)将扫描所得信号传送至控制系统(104)，由控制系统(104)处理后得到指令信号并将指令信号发送至快速成形系统(102)和传送系统(103)。
2.如权利要求1所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述设备还包括至少一个工业机器人(107)，该机器人安装在所述成形台(105)的侧边，每个机器人包括成形打印组件(108)，成形打印组件(108)含有外科手术组件和喷头组件，并在空间内运动。
3.如权利要求1所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述喷头固定装置(106)采用方形结构，方形结构包括多条相互平行的Y向运动机构，在每条Y向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件(108)安装在Z向运动机构上。
4.如权利要求1所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述喷头固定装置(106)采用圆形结构，该圆形结构包括多条径向运动机构，在每条径向运动机构上装有Z向运动机构，所述成形打印组件(108)安装在径向运动机构上。
5.如权利要求1?4任一权利要求所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述喷头组件包括螺杆挤压喷头、电纺丝喷头和喷雾喷头至少一种，以及吸除组件和夹持组件。
6.如权利要求5所述的一种韧性组织结构的3D打印成形设备，其特征在于:所述吸除组件含真空泵(312)、吸除嘴(315)、连接管(313)和污物收集箱(314);所述真空泵(312)一侧由连接管(313)连在吸除嘴上(315)，另一侧由连接管(313)连在污物收集箱(314)上。
【文档编号】A61F2/02GK203829093SQ201420192586
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】王小红, 许雨帆 申请人:清华大学