CN103431925B - 一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统 - Google Patents

Abstract

一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，属于器官制造领域。该系统包括X向运动机构、Y向运动机构、Q向旋转机构、升降台、旋转成形台、壳体、高压气体源、多喷头成形单元、喷涂溶液压力罐、温度控制装置、灭菌装置以及控制单元。在控制单元的控制下，多喷头单元会按照设定路径运动并依照设定次序进行喷涂，成形尺寸覆盖范围宽，并且喷阀的中心轴与旋转成形台表面之间的相对角也可以改变，方便复杂曲面的制造。使多种细胞、支架材料一次性按计算机指令排列到相应的位置的同时完成各种后序处理过程，所成形的三维结构可以直接与体内相应循环系统相连接并迅速实现复杂组织器官的各种生理功能。

Description

一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统

技术领域

本发明属于组织器官制造技术领域，特别涉及一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统。

背景技术

20世纪80年代末面世的快速成形技术作为先进制造技术中比较重要的一员逐步进入支架的成形领域，其开创的加式新工艺为解决传统的支架成形技术所存在的问题提供了新的思路。美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、密歇根大学、新加坡国立大学和国内的清华大学都在从事这方面的研究工作。其中，有的研究者采用现有的快速成形工艺设备和支架材料直接成形，如新加坡国立大学D.Hutmacher的研究小组、麻省理工学院M.J.Cima的研究小组和卡内基梅隆大学的骨组织工程中心。而另外一些研究者则致力于为组织工程的支架材料开发新的快速成形工艺，以满足支架成形的特殊要求，如清华大学的激光快速成形中心。经过近20年的持续努力，实现三维快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等几大类技术。

低温沉积制造工艺(LDM)是由清华大学机械系材料加工技术研究所针对生物材料成形的特殊要求而开发的新工艺。低温沉积制造是指将支架材料制成液态，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在低温成形室中堆积成形。

低温沉积制造具体的工艺过程为：

①用三维建模软件建立三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成形的坐标代码。

②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。

③将材料加入到成形设备的各喷头的喷射器中，计算机中的控制软件根据输入的层片文件和设定的加工参数控制各喷头的扫描运动和挤压、喷射运动。在低温成形室中，从喷头中出来的材料迅速凝固且相互粘接在一起，堆积成形冷冻支架。

④将冷冻支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，去除溶剂，得到常温下为固态的支架。在此过程中，溶剂的升华使冷冻支架内产生微孔结构。

目前清华大学机械系已经有了相应的单喷头和双喷头的三维支架受控成型装置，并且对喷头的设计和成形性能做了相关研究，设计并制作了活塞挤压喷头。如清华大学先进制造快速成形实验室自主研发的CLRF-2000-Ⅱ型生物材料快速成形机。

然而，人体中的复杂组织或器官一般都是由两种或两种以上不同细胞和细胞外基质材料组成的复合结构，而且各个结构间相互联系。随着研究的不断深入，对非均质多种不同材料三维结构的成形提出了要求。原有的单喷头和双喷头无法满足复杂组织器官快速制造的要求；

中国专利文献(申请号201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为两个固定式的电机助推式喷头，成形台设置在三维运动装置上，不同喷 头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时三维运动装置使工作喷头与成形台对正。直线步进电机固定在Z向运动装置支架上，螺杆在直线步进电机的带动下可对喷头内的成形材料施加一定的压力，成形材料随即从喷嘴喷出，加热棒和隔热外套安装在喷头下段使喷头内的成形材料保持设定的温度。

此种设计简单可靠，但是，固定式多喷头成形系统有以下不足之处：

①成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高。

②固定式喷头均为螺杆挤压式且不可更换，在进行细胞组装或打印加工时存在结构性弊端，无法精确控制细胞打印数量、细胞层的厚度和准确位置。

③成形效率较低，电机助推式快速成形喷头喷出的浆料的直径取决于喷嘴直径，喷嘴的直径一般为微米级的，对于需要大范围平面喷涂含细胞的水溶胶时，其工作量巨大，工作时间长。

④不能喷涂单层细胞，电机助推式快速成形喷头喷出的浆料直径一般都在100微米以上，但是高等动物细胞的直径大都小于25微米，其一次会喷出多层细胞。

⑤无法对成形体侧表面进行喷涂，电机助推式快速成形喷头需要竖直安装，如果进行水平安装，则浆料从喷嘴挤出后会在自身重力的作用下滴落，无法在成形体侧表面附着。

发明内容

本发明针对已有技术的不足之处，提供一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，该系统采用高压气体作为喷涂动力源，提高了多种细胞、多方位成形时的灵活性和精度。

本发明的技术方案如下：

一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统,该系统包括X向运动机构、Y向运动机构、围绕Y轴旋转的Q向旋转机构、壳体、升降台、旋转成形台、高压气体源、多喷头成形单元、喷涂溶液压力罐、温度控制装置、灭菌装置以及控制单元，其特征在于：所述的多喷头成形单元安装在Q向旋转机构上，Q向旋转机构固定安装在X向运动机构上，X向运动机构安装在位于壳体顶部的Y向运动机构上并沿Y向运动，旋转成形台安装在位于壳体底部的沿Z向运动的升降台上；所述的多喷头成形单元包括安装在Q向旋转机构上的多个喷涂阀；高压气体源分别通过气体管路与喷阀控制器和喷涂溶液压力罐相连接，所述的控制单元分别通过控制线路与喷阀控制器和温度控制器相连接,喷阀控制器输出气体与喷涂溶液压力罐输出的溶液汇聚于喷涂阀使溶液喷出。

本发明的另一技术特征是：所述的多喷头成形单元包括多个喷涂阀，所述的多个喷涂阀包括喷雾阀和喷射阀两种类型中的一种或两种的组合。所述的多个喷涂阀布置在同一扇面、同一圆周或径向直线排列。

本发明所述的旋转成形台为多方向、多角度偏转平台，其顶端形状为平板、圆形或网状结构。

本发明所述的高压气体源包括空气压缩机和储气罐，储气罐通过冷却器和过滤器分别与 喷阀控制器和喷涂溶液压力罐连接。

本发明所述的喷涂溶液压力罐包括喷涂溶液压力罐罐体，以及设置在罐体内的进气管、出液管和温度传感器；喷涂溶液压力罐罐体的下半段为阶梯形，阶梯形罐体的外部设有加热片，在加热片的外部覆盖有保温层。

本发明具有以下优点和突出性效果：

①本发明具有多自由度运动，能精确加工圆及圆环截面，并且喷阀的中心轴与旋转成形台表面之间的相对角也可以改变，能对成形体侧表面进行喷涂，方便复杂曲面的制造。。

②本发明采用气动技术，喷涂的精度高和响应速度快。并且，多喷头成形单元采用一个喷雾阀和三个喷射阀共四个喷阀。喷雾阀将喷涂液雾化以后喷出，液体与空气接触面积增大，能使溶剂迅速挥发提高了成形效率，并可使喷涂细胞与已有表面可靠结合，可实现单层细胞的喷涂，且喷幅尺寸较大，喷涂效率高；喷射阀可以将喷涂溶液以线状喷出成形不同材料的支架；也可以点状喷出用于精确喷涂，实现细胞的精确定位。

③本发明采用多喷头成形单元，所成形结构尺寸可从纳米级覆盖到厘米级，成形尺寸覆盖面广。

综上，本发明所述系统利用多喷头气动技术实现了非均质多种材料复杂三维结构的协同高效成形。结构尺寸从纳米级到厘米级。多喷头成形单元还可以对成形材料进行后序处理，包括高分子交联、有机溶剂萃取、生长因子复合，使制造过程更加准确迅速。可以通过微创技术使喷射与喷涂装置直接伸入到人体中，利用病人自体细胞和细胞外基质材料进行原位制造、快速修复病损组织和器官。

附图说明

图1是本发明的一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统三维结构简图。

图2是溶液喷涂系统的结构示意图。

图3是喷涂溶液压力罐示意图。

图4是本发明一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统控制线路图。

图5是本发明一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统工作流程示意图。

图中：101-Q向旋转机构；102-多喷头成形单元；103-温度控制器；104-旋转成形台；105-升降台；106-X向运动机构；107-Y向运动机构；108-灭菌装置；109-电气控制柜；110-高压气体源；111-控制单元；201-空气压缩机；202-压力表；203-储气罐；204-冷却器；205-过滤器；206-控制单元；207-温度控制器；208-喷阀控制器；209-喷涂溶液压力罐；210-喷雾阀；301-进气管；302-出液管；303-温度传感器；304-喷涂溶液压力罐罐体；305-加热片；306-保温层。

具体实施方式

为了进一步理解本发明的技术方案，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统结构原理示意图，该系 统包括X向运动机构106、Y向运动机构107、围绕Y轴旋转的Q向旋转机构101、壳体、升降台105、旋转成形台104、高压气体源110、多喷头成形单元102、喷涂溶液压力罐209、温度控制装置103、灭菌装置108以及电气控制柜109和控制单元111。

围绕Y轴旋转的Q向旋转机构101、升降台105、旋转成形台104、多喷头成形单元102、温度控制装置103和灭菌装置108设置在壳体内，X向运动机构106和Y向运动机构107安装在壳体的顶部。

所述的多自由度包括X向、Y向和Z向三个直线运动，还有旋转成形台围绕Z向旋转的R向转动和围绕Y向的Q向转动，Q向旋转机构围绕Y轴旋转产生的Q向转动。

所述的多喷头成形单元102安装在Q向旋转机构101上，Q向旋转机构101固定安装在X向运动机构106上，X向运动机构106安装在位于壳体顶部的Y向运动机构107上并沿Y向运动，旋转成形台104安装在位于壳体底部的沿Z向运动的升降台105上；高压气体源110分别通过气体管路与喷阀控制器208和喷涂溶液压力罐209相连接，所述的控制单元206分别通过控制线路与喷阀控制器208和温度控制器303相连接,喷阀控制器208输出气体与喷涂溶液压力罐209输出的溶液汇聚于喷涂阀使溶液喷出。

所述的多喷头成形单元102包括安装在Q向旋转机构101上的多个喷涂阀，多个喷涂阀包括喷雾阀和喷射阀两种类型中的一种或两种的组合。多个喷涂阀可以布置在同一扇面或同一圆周上，也可以径向直线排列。

喷雾阀将喷涂液体以雾滴状喷出，喷射阀将喷涂液体根据设定的压力以丝状或点状喷出，四个喷阀在同一扇面均布安装，均以高压气体为喷涂动力源。

图2是溶液喷涂系统的结构示意图，空气压缩机201产生高压空气，然后高压空气输送到储气罐203存储，储气罐203不仅有储存压缩气体的功能，也可以降低压缩气体压力的波动。压力表202显示储气罐中的气体压力值。储气罐203送出的高压空气具有很高的温度，需要经冷却器204将其温度降低到符合工作要求的温度值，然后再有过滤器205将高压空气中的水、油以及其他杂质颗粒进行彻底的过滤。其中所述的高压气体源110包括空器压缩机201、储气罐203、压力表202、冷却器204和过滤器205；经过滤器205过滤后符合要求的高压气体被分成两路，其中一路和喷涂溶液压力罐209接通，含细胞水溶胶装在喷涂溶液压力罐209中，高压气体给喷涂溶液压力罐209中的液体提供压力，喷涂溶液压力罐209的出液口和喷雾阀210的进液口连接，含细胞水溶胶在此压力下会流向喷雾阀210。另一路经空气过滤器205过滤后符合要求的高压气体接通到喷阀控制器208上，从喷阀控制器208出来的高压气体连同到喷雾阀210进气口。设定压力值的空气和液体混合后，在控制单元206的控制下，含细胞水溶胶雾化并以一定的速度和幅值喷出。

所述的喷涂溶液压力罐209的下半段为阶梯形，加热片305环绕其外，然后覆盖保温层306。温度传感器303实时测量喷涂溶液压力罐209中液体的温度，加热片305接受温度控制器303信号，当温度液体温度低于设定值时即启动发热，保温层306覆盖其外减少热量的散失

所述喷射阀系统结构与喷雾阀系统结构类似，三者使用统一的高压空气源110，三者的区别在于使用的喷阀和喷阀控制器不同。

多喷头成形单元102被安装在Q向旋转机构101上，Q向旋转机构101安装在X向运动机构106的滑块上，通过Q向旋转机构101的转动可选择使用不同的喷阀。在控制单元的控制下工作喷阀可在基材上进行精确定位，使各种不同材料，包括高粘度凝胶、浆料、溶液，和低粘度含细胞溶液、细胞生长因子、交联剂、高分子溶液组装、打印或喷涂在恰当的空间位置上。在实现两种以上细胞和支架材料三维受控组装的同时，实现高分子材料交联、有机溶剂萃取、单层细胞及纳米级合成高分子支架层复合多种功能。

X向运动机构106由滚珠丝杠副、直线导轨、滑块、联轴器和步进电机组成。其中，滚珠丝杠和直线导轨的两端分别固定在Y向运动装置107左右两侧的滑块上，步进电机通过联轴器和滚珠丝杠相联结。

升降台105安装在壳体底部，旋转成形台104安装升降台105的顶部。

旋转成形台104除了可以绕Z向旋转外，还可以多方向、多角度偏转，其顶端形状可为平板、圆形或网状结构。

还可以绕Y向进行一定角度的倾斜偏转，通过旋转成形台104和Q向旋转机构101的配合运动，喷阀的中心轴与旋转成形台104表面之间的相对角可以改变，能对成形体侧表面进行喷涂，方便复杂曲面的制造。

温度控制装置103，为了保持生物细胞的活性和成形材料固化的需要，温度控制装置103使所述系统内部温度应根据需要保持在合适的温度，温度控制装置103安装在壳体的左侧。

灭菌装置108，使用紫外线灭菌装置，可对一些生物材料和整个系统内部进行消毒。灭菌装置安装在壳体的右侧。

壳体实现适当的封闭和必要的保护，确保整个加工制造过程的顺利进行和复杂组织、器官制造的无菌环境，并实现接地保护、通风隔热等功能。

控制单元111，提供友好的用户操作界面，解析处理待成形三维文件，输出各喷头具有正确时序和数据的组装或打印命令，补偿机械偏差、校准喷头和测试设备的工作状态等。

本发明一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统控制线路如图5所示，运动控制卡插在控制单元111的PCI插槽上，端子板通过控制线缆与运动控制卡的接口相连接。电机驱动器和喷阀控制器直接与端子板相连接接受控制单元111的信号，进而控制步进电机的运动和喷阀的启停。

结合图5，本实施例的工作原理和工作过程，叙述如下：

选择实验的材料，按照合适的比例配置，制成成形材料备用。

利用三维建模软件建立肝脏叶片三维模型，用分层处理软件将模型分层，得到用于成型的NC代码，将层片文件和加工参数输入计算机控制软件。

先启动灭菌装置108，给整个壳体内环境灭菌。

先从病人身上提取几种相关细胞，如脂肪干细胞、肝细胞、星状细胞。准备几种细胞生 长因子，如内皮细胞生长因子，和生物相容性优良的生物材料，如合成高分子聚氨酯（PU）/四乙二醇（Tetraglycol）溶液、聚乙交酯和丙交酯共聚物（PLGA）/四乙二醇溶液、明胶/PBS（或细胞培养液）溶液、海藻酸钠/PBS（或细胞培养液）溶液、纤维蛋白原/PBS（或细胞培养液）溶液、明胶/纤维蛋白原/PBS（或细胞培养液）溶液、明胶/海藻酸钠/纤维蛋白原/PBS（或细胞培养液）溶液。含细胞的高分子溶液还可添加二甲基亚砜（DMSO）、甘油和葡萄糖等冻存剂。将上述一种细胞和一种生长因子溶液或天然高分子溶液混合，如脂肪干细胞和内皮细胞生长因子溶液混合、肝细胞和明胶/细胞培养液混合、星状细胞与明胶/海藻酸钠/纤维蛋白原/PBS（或细胞培养液）溶液混合。首先将PU高分子溶液装入喷雾阀压力罐中，将含肝细胞的高分子溶液、含脂肪干细胞和细胞生长因子的高分子溶液、含星状细胞的高分子溶液分别装入三个喷射阀压力罐中，（PLGA）/四乙二醇溶液经喷射阀喷出形成支架，含脂肪干细胞和细胞生长因子的高分子溶液经喷射阀喷出形成模拟血管系统的内皮层，含肝细胞和星状细胞的高分子溶液经喷射阀喷出形成肝小叶结构中的不同肝功能细胞层，用喷雾阀将合成PU高分子溶液喷涂到所成形的肝细胞层内外围，使成形结构的机械性能与肝脏动脉、静脉血管的机械性能相匹配。若制成的器官前体暂时不用可放在-200℃低温环境中长期保存，便于贮存、运输。组装后的结构可以直接与人体血管系统相连接，起到肝脏修复的作用，同时不引起凝学、炎症反应等副作用。

设定X向运动机构106、Y向运动机构107、升降台105和Q向旋转台101的初始坐标。

启动温度控制装置103，使壳体内部温度达到实验设定值并维持恒定。

等壳体内部温度稳定时，开始成形工作。由控制单元111根据输入的层片文件和设定的加工参数控制运动机构的运动参数，设定的喷阀开始工作，从喷阀中喷射出来的材料迅速凝固且相互粘结在一起，堆积成形。随着每一层的堆积完成，旋转成形台104在升降台105的带动下下降一个特定高度，中间要更换不同的成形材料时，通过控制单元111启动切换喷阀的程序，控制升降台105下降一定的距离，然后根据喷阀之间的位置关系，控制工作喷阀移动到设定位置，再使升降台105升同等的距离，继续受控成形。

若需要加工圆环类结构时，喷阀在控制单元111的控制下运动到设定位置，启动旋转成形台104，旋转成形台104成形台围绕其中心轴进行旋转运动。等成形台旋转一周后，然后升降台105再下降一定的高度即可连续成形。

若需要在加工结构表面喷涂另一层材料时，启动Q向旋转机构101，将喷雾阀210设定为水平方向，并将其位置移动到旋转成形台104侧方，然后旋转成形台104开始转动，此时喷雾阀启动工作，在设定的时间后升降台105启动下降一定的高度，这样喷雾阀即可在在加工结构表面喷涂另一层材料。

不同材料在成形台表面成形以后，依照程序将成多喷头成形单元102移出成形加工区域，成形过程结束，然后可将成形结构取出。

本发明所述的一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，所使用的生物材料可以是粘度很高的胶体、悬浮液、浆料、熔融体，也可以是粘度很低的溶液体系，包括可降解与 不可降解高分子固体或液体材料、含细胞高分子溶液、含细胞培养液、细胞生长因子材料溶液、生物活性荧光染料、无机溶液、有机溶液、水溶液中的一种或两种以上的组合。

本发明所述的一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其优点在于：可以实现多种不同状态下的材料体系在空间位置上的准确定位，能实现复杂曲面的制造和喷涂，结构尺寸从纳米级到厘米级，成形材料尺寸覆盖范围广。

Claims (6)

1.一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，含有壳体、多喷头成形单元(102)、升降台（105）、安装在升降台上的旋转成形台（104）、喷涂溶液压力罐（209）、温度控制器（103）和灭菌装置(108)以及控制单元(111)，其特征在于：所述系统还包括X向运动机构（106）、Y向运动机构（107）、绕Y轴旋转的Q向旋转机构（101）和高压气体源(110)；所述的多喷头成形单元（102）安装在Q向旋转机构（101）上，Q向旋转机构（101）固定安装在X向运动机构（106）上，X向运动机构（106）安装在位于壳体顶部的Y向运动机构（107）上并沿Y向运动；所述的多喷头成形单元（102）包括安装在Q向旋转机构（101）上的多个喷涂阀；高压气体源（110）分别通过气体管路与喷阀控制器（208）和喷涂溶液压力罐（209）相连接，所述的控制单元（111）通过控制线路经电气控制柜（109）分别与喷阀控制器（208）和温度控制器（103）相连接，喷阀控制器（208）输出气体与喷涂溶液压力罐（209）输出的溶液汇聚于喷涂阀使溶液喷出。

2.如权利要求1所述一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其特征在于：所述的多喷头成形单元（102）包括多个喷涂阀，所述的多个喷涂阀包括喷雾阀和喷射阀两种类型中的一种或两种的组合。

3.如权利要求2所述一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其特征在于：所述的多个喷涂阀布置在同一扇面、同一圆周或径向直线排列。

4.如权利要求1所述一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其特征在于：所述的旋转成形台（104）为多方向、多角度偏转平台，其顶端形状为平板、圆形或网状结构。

5.如权利要求1所述一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其特征在于：所述的高压气体源(110)包括空气压缩机（201）和储气罐（203），储气罐通过冷却器（204）和过滤器（205）分别与喷阀控制器（208）和喷涂溶液压力罐（209）连接。

6.如权利要求1所述一种多自由度气动多喷头复杂组织器官制造系统，其特征在于：所述的喷涂溶液压力罐包括喷涂溶液压力罐罐体（304），以及设置在罐体内的进气管（301）、出液管（302）和温度传感器（303）；喷涂溶液压力罐罐体的下半段为阶梯形，阶梯形罐体的外部设有加热片（305），在加热片的外部覆盖有保温层（306）。