一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，屬于器官制造領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括X向運動機構(gòu)、Y向運動機構(gòu)、Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降臺、旋轉(zhuǎn)成形臺、殼體、高壓氣體源、多噴頭成形單元、噴涂溶液壓力罐、溫度控制裝置、滅菌裝置以及控制單元。在控制單元的控制下，多噴頭單元會按照設(shè)定路徑運動并依照設(shè)定次序進(jìn)行噴涂，成形尺寸覆蓋范圍寬，并且噴閥的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺表面之間的相對角也可以改變，方便復(fù)雜曲面的制造。使多種細(xì)胞、支架材料一次性按計算機指令排列到相應(yīng)的位置的同時完成各種后序處理過程，所成形的三維結(jié)構(gòu)可以直接與體內(nèi)相應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)相連接并迅速實現(xiàn)復(fù)雜組織器官的各種生理功能。
【專利說明】一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于組織器官制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]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)所存在的問題提供了新的思路。美國的麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、密歇根大學(xué)、新加坡國立大學(xué)和國內(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發(fā)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(xué)的激光快速成形中心。經(jīng)過近 20年的持續(xù)努力，實現(xiàn)三維快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等幾大類技術(shù)。
[0003]低溫沉積制造工藝(LDM)是由清華大學(xué)機械系材料加工技術(shù)研究所針對生物材料成形的特殊要求而開發(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。
[0004]低溫沉積制造具體的工藝過程為:
[0005]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。
[0006]②選擇實驗的材料，按照合適的比例配制溶液，制成備用。
[0007]③將材料加入到成形設(shè)備的各噴頭的噴射器中，計算機中的控制軟件根據(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。
[0008]④將冷凍支架放入冷凍干燥機中，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。在此過程中，溶劑的升華使冷凍支架內(nèi)產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。
[0009]目前清華大學(xué)機械系已經(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，并且對噴頭的設(shè)計和成形性能做了相關(guān)研究，設(shè)計并制作了活塞擠壓噴頭。如清華大學(xué)先進(jìn)制造快速成形實驗室自主研發(fā)的CLRF-2000-1I型生物材料快速成形機。
[0010]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)，而且各個結(jié)構(gòu)間相互聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，對非均質(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法滿足復(fù)雜組織器官快速制造的要求；
[0011]中國專利文獻(xiàn)(申請?zhí)?01110205970.1)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)，噴射裝置為兩個固定式的電機助推式噴頭，成形臺設(shè)置在三維運動裝置上，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)，切換噴頭時三維運動裝置使工作噴頭與成形臺對正。直線步進(jìn)電機固定在Z向運動裝置支架上，螺桿在直線步進(jìn)電機的帶動下可對噴頭內(nèi)的成形材料施加一定的壓力，成形材料隨即從噴嘴噴出，加熱棒和隔熱外套安裝在噴頭下段使噴頭內(nèi)的成形材料保持設(shè)定的溫度。
[0012]此種設(shè)計簡單可靠，但是，固定式多噴頭成形系統(tǒng)有以下不足之處:
[0013]①成形臺只能依靠三維運動裝置進(jìn)行運動，加工圓截面和圓環(huán)截面類材料成型時位置參數(shù)由相互垂直的X軸Y軸控制，精確度有待提高。
[0014]②固定式噴頭均為螺桿擠壓式且不可更換，在進(jìn)行細(xì)胞組裝或打印加工時存在結(jié)構(gòu)性弊端，無法精確控制細(xì)胞打印數(shù)量、細(xì)胞層的厚度和準(zhǔn)確位置。
[0015]③成形效率較低，電機助推式快速成形噴頭噴出的漿料的直徑取決于噴嘴直徑，噴嘴的直徑一般為微米級的，對于需要大范圍平面噴涂含細(xì)胞的水溶膠時，其工作量巨大，工作時間長。
[0016]④不能噴涂單層細(xì)胞，電機助推式快速成形噴頭噴出的漿料直徑一般都在100微米以上，但是高等動物細(xì)胞的直徑大都小于25微米，其一次會噴出多層細(xì)胞。
[0017]⑤無法對成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，電機助推式快速成形噴頭需要豎直安裝，如果進(jìn)行水平安裝，則漿料從噴嘴擠出后會在自身重力的作用下滴落，無法在成形體側(cè)表面附著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高壓氣體作為噴涂動力源，提高了多種細(xì)胞、多方位成形時的靈活性和精度。
.[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0020]一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括X向運動機構(gòu)、Y向運動機構(gòu)、圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、殼體、升降臺、旋轉(zhuǎn)成形臺、高壓氣體源、多噴頭成形單元、噴涂溶液壓力罐、溫度控制裝置、滅菌裝置以及控制單元，其特征在于:所述的多噴頭成形單元安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)固定安裝在X向運動機構(gòu)上，X向運動機構(gòu)安裝在位于殼體頂部的Y向運動機構(gòu)上并沿Y向運動，旋轉(zhuǎn)成形臺安裝在位于殼體底部的沿Z向運動的升降臺上；所述的多噴頭成形單元包括安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上的多個噴涂閥；高壓氣體源分別通過氣體管路與噴閥控制器和噴涂溶液壓力罐相連接，所述的控制單元分別通過控制線路與噴閥控制器和溫度控制器相連接，噴閥控制器輸出氣體與噴涂溶液壓力罐輸出的溶液匯聚于噴涂閥使溶液噴出。
[0021]本發(fā)明的另一技術(shù)特征是:所述的多噴頭成形單元包括多個噴涂閥，所述的多個噴涂閥包括噴霧閥和噴射閥兩種類型中的一種或兩種的組合。所述的多個噴涂閥布置在同一扇面、同一圓周或徑向直線排列。
[0022]本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)成形臺為多方向、多角度偏轉(zhuǎn)平臺，其頂端形狀為平板、圓形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明所述的高壓氣體源包括空氣壓縮機和儲氣罐，儲氣罐通過冷卻器和過濾器分別與噴閥控制器和噴涂溶液壓力罐連接。
[0024]本發(fā)明所述的噴涂溶液壓力罐包括噴涂溶液壓力罐罐體，以及設(shè)置在罐體內(nèi)的進(jìn)氣管、出液管和溫度傳感器；噴涂溶液壓力罐罐體的下半段為階梯形，階梯形罐體的外部設(shè)有加熱片，在加熱片的外部覆蓋有保溫層。
[0025]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和突出性效果:
[0026]①本發(fā)明具有多自由度運動，能精確加工圓及圓環(huán)截面，并且噴閥的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺表面之間的相對角也可以改變，能對成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，方便復(fù)雜曲面的制
造。O
[0027]②本發(fā)明采用氣動技術(shù)，噴涂的精度高和響應(yīng)速度快。并且，多噴頭成形單元采用一個噴霧閥和三個噴射閥共四個噴閥。噴霧閥將噴涂液霧化以后噴出，液體與空氣接觸面積增大，能使溶劑迅速揮發(fā)提高了成形效率，并可使噴涂細(xì)胞與已有表面可靠結(jié)合，可實現(xiàn)單層細(xì)胞的噴涂，且噴幅尺寸較大，噴涂效率高；噴射閥可以將噴涂溶液以線狀噴出成形不同材料的支架；也可以點狀噴出用于精確噴涂，實現(xiàn)細(xì)胞的精確定位。
[0028]③本發(fā)明采用多噴頭成形單元，所成形結(jié)構(gòu)尺寸可從納米級覆蓋到厘米級，成形尺寸覆蓋面廣。
[0029]綜上，本發(fā)明所述系統(tǒng)利用多噴頭氣動技術(shù)實現(xiàn)了非均質(zhì)多種材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的協(xié)同高效成形。結(jié)構(gòu)尺寸從納米級到厘米級。多噴頭成形單元還可以對成形材料進(jìn)行后序處理，包括高分子交聯(lián)、有機溶劑萃取、生長因子復(fù)合，使制造過程更加準(zhǔn)確迅速?？梢酝ㄟ^微創(chuàng)技術(shù)使噴射與噴涂裝置直接伸入到人體中，利用病人自體細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)材料進(jìn)行原位制造、快速修復(fù)病損組織和器官。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)簡圖。
[0031]圖2是溶液噴涂系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3是噴涂溶液壓力罐示意圖。
[0033]圖4是本發(fā)明一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)控制線路圖。
[0034]圖5是本發(fā)明一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)工作流程示意圖。
[0035]圖中:101-Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；102-多噴頭成形單元；103-溫度控制器；104-旋轉(zhuǎn)成形臺；105-升降臺；106-X向運動機構(gòu)；107-Y向運動機構(gòu)；108-滅菌裝置；109_電氣控制柜；110-高壓氣體源；111-控制單元；201-空氣壓縮機；202_壓力表；203_儲氣罐；204_冷卻器；205_過濾器；206_控制單元；207_溫度控制器；208_噴閥控制器；209_噴涂溶液壓力罐；210-噴霧閥；301-進(jìn)氣管；302-出液管；303-溫度傳感器；304_噴涂溶液壓力罐罐體；305-加熱片；306-保溫層。
【具體實施方式】
[0036]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]圖1是本發(fā)明的一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，該系統(tǒng)包括X向運動機構(gòu)106、Y向運動機構(gòu)107、圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101、殼體、升降臺105、旋轉(zhuǎn)成形臺104、高壓氣體源110、多噴頭成形單元102、噴涂溶液壓力罐209、溫度控制裝置103、滅菌裝置108以及電氣控制柜109和控制單元111。[0038]圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)的Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101、升降臺105、旋轉(zhuǎn)成形臺104、多噴頭成形單元102、溫度控制裝置103和滅菌裝置108設(shè)置在殼體內(nèi)，X向運動機構(gòu)106和Y向運動機構(gòu)107安裝在殼體的頂部。
[0039]所述的多自由度包括X向、Y向和Z向三個直線運動，還有旋轉(zhuǎn)成形臺圍繞Z向旋轉(zhuǎn)的R向轉(zhuǎn)動和圍繞Y向的Q向轉(zhuǎn)動，Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的Q向轉(zhuǎn)動。
[0040]所述的多噴頭成形單元102安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101上，Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101固定安裝在X向運動機構(gòu)106上，X向運動機構(gòu)106安裝在位于殼體頂部的Y向運動機構(gòu)107上并沿Y向運動，旋轉(zhuǎn)成形臺104安裝在位于殼體底部的沿Z向運動的升降臺105上；高壓氣體源110分別通過氣體管路與噴閥控制器208和噴涂溶液壓力罐209相連接，所述的控制單元206分別通過控制線路與噴閥控制器208和溫度控制器303相連接，噴閥控制器208輸出氣體與噴涂溶液壓力罐209輸出的溶液匯聚于噴涂閥使溶液噴出。
[0041]所述的多噴頭成形單元102包括安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101上的多個噴涂閥，多個噴涂閥包括噴霧閥和噴射閥兩種類型中的一種或兩種的組合。多個噴涂閥可以布置在同一扇面或同一圓周上，也可以徑向直線排列。
[0042]噴霧閥將噴涂液體以霧滴狀噴出，噴射閥將噴涂液體根據(jù)設(shè)定的壓力以絲狀或點狀噴出，四個噴閥在同一扇面均布安裝，均以高壓氣體為噴涂動力源。
[0043]圖2是溶液噴涂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，空氣壓縮機201產(chǎn)生高壓空氣，然后高壓空氣輸送到儲氣罐203存儲，儲氣罐203不僅有儲存壓縮氣體的功能，也可以降低壓縮氣體壓力的波動。壓力表202顯 示儲氣罐中的氣體壓力值。儲氣罐203送出的高壓空氣具有很高的溫度，需要經(jīng)冷卻器204將其溫度降低到符合工作要求的溫度值，然后再有過濾器205將高壓空氣中的水、油以及其他雜質(zhì)顆粒進(jìn)行徹底的過濾。其中所述的高壓氣體源110包括空器壓縮機201、儲氣罐203、壓力表202、冷卻器204和過濾器205 ;經(jīng)過濾器205過濾后符合要求的高壓氣體被分成兩路，其中一路和噴涂溶液壓力罐209接通，含細(xì)胞水溶膠裝在噴涂溶液壓力罐209中，高壓氣體給噴涂溶液壓力罐209中的液體提供壓力，噴涂溶液壓力罐209的出液口和噴霧閥210的進(jìn)液口連接，含細(xì)胞水溶膠在此壓力下會流向噴霧閥210。另一路經(jīng)空氣過濾器205過濾后符合要求的高壓氣體接通到噴閥控制器208上，從噴閥控制器208出來的高壓氣體連同到噴霧閥210進(jìn)氣口。設(shè)定壓力值的空氣和液體混合后，在控制單元206的控制下，含細(xì)胞水溶膠霧化并以一定的速度和幅值噴出。
[0044]所述的噴涂溶液壓力罐209的下半段為階梯形，加熱片305環(huán)繞其外，然后覆蓋保溫層306。溫度傳感器303實時測量噴涂溶液壓力罐209中液體的溫度，加熱片305接受溫度控制器303信號，當(dāng)溫度液體溫度低于設(shè)定值時即啟動發(fā)熱，保溫層306覆蓋其外減少熱量的散失
[0045]所述噴射閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與噴霧閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，三者使用統(tǒng)一的高壓空氣源110，三者的區(qū)別在于使用的噴閥和噴閥控制器不同。
[0046]多噴頭成形單元102被安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101上，Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101安裝在X向運動機構(gòu)106的滑塊上，通過Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101的轉(zhuǎn)動可選擇使用不同的噴閥。在控制單元的控制下工作噴閥可在基材上進(jìn)行精確定位，使各種不同材料，包括高粘度凝膠、漿料、溶液，和低粘度含細(xì)胞溶液、細(xì)胞生長因子、交聯(lián)劑、高分子溶液組裝、打印或噴涂在恰當(dāng)?shù)目臻g位置上。在實現(xiàn)兩種以上細(xì)胞和支架材料三維受控組裝的同時，實現(xiàn)高分子材料交聯(lián)、有機溶劑萃取、單層細(xì)胞及納米級合成高分子支架層復(fù)合多種功能。
[0047]X向運動機構(gòu)106由滾珠絲杠副、直線導(dǎo)軌、滑塊、聯(lián)軸器和步進(jìn)電機組成。其中，滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的兩端分別固定在Y向運動裝置107左右兩側(cè)的滑塊上，步進(jìn)電機通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠相聯(lián)結(jié)。
[0048]升降臺105安裝在殼體底部,旋轉(zhuǎn)成形臺104安裝升降臺105的頂部。
[0049]旋轉(zhuǎn)成形臺104除了可以繞Z向旋轉(zhuǎn)外，還可以多方向、多角度偏轉(zhuǎn)，其頂端形狀可為平板、圓形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0050]還可以繞Y向進(jìn)行一定角度的傾斜偏轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)成形臺104和Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101的配合運動，噴閥的中心軸與旋轉(zhuǎn)成形臺104表面之間的相對角可以改變，能對成形體側(cè)表面進(jìn)行噴涂，方便復(fù)雜曲面的制造。
[0051]溫度控制裝置103，為了保持生物細(xì)胞的活性和成形材料固化的需要，溫度控制裝置103使所述系統(tǒng)內(nèi)部溫度應(yīng)根據(jù)需要保持在合適的溫度，溫度控制裝置103安裝在殼體的左側(cè)。
[0052]滅菌裝置108，使用紫外線滅菌裝置，可對一些生物材料和整個系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行消毒。滅菌裝置安裝在殼體的右側(cè)。
[0053]殼體實現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆忾]和必要的保護(hù)，確保整個加工制造過程的順利進(jìn)行和復(fù)雜組織、器官制造的無菌環(huán)境，并實現(xiàn)接地保護(hù)、通風(fēng)隔熱等功能。
[0054]控制單元111，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(shù)據(jù)的組裝或打印命令，補償機械偏差、校準(zhǔn)噴頭和測試設(shè)備的工作狀態(tài)
坐寸ο.
[0055]本發(fā)明一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)控制線路如圖5所示，運動控制卡插在控制單元111的PCI插槽上，端子板通過控制線纜與運動控制卡的接口相連接。電機驅(qū)動器和噴閥控制器直接與端子板相連接接受控制單元111的信號，進(jìn)而控制步進(jìn)電機的運動和噴閥的啟停。
[0056]結(jié)合圖5，本實施例的工作原理和工作過程，敘述如下:
[0057]選擇實驗的材料，按照合適的比例配置，制成成形材料備用。
[0058]利用三維建模軟件建立肝臟葉片三維模型，用分層處理軟件將模型分層，得到用于成型的NC代碼，將層片文件和加工參數(shù)輸入計算機控制軟件。
[0059]先啟動滅菌裝置108，給整個殼體內(nèi)環(huán)境滅菌。
[0060]先從病人身上提取幾種相關(guān)細(xì)胞，如脂肪干細(xì)胞、肝細(xì)胞、星狀細(xì)胞。準(zhǔn)備幾種細(xì)胞生長因子，如內(nèi)皮細(xì)胞生長因子，和生物相容性優(yōu)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、明膠/PBS (或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液、海藻酸鈉/PBS (或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液、纖維蛋白原/PBS (或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液、明膠/纖維蛋白原/PBS (或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液、明膠/海藻酸鈉/纖維蛋白原/PBS(或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液。含細(xì)胞的高分子溶液還可添加二甲基亞砜(DMS0)、甘油和葡萄糖等凍存劑。將上述一種細(xì)胞和一種生長因子溶液或天然高分子溶液混合，如脂肪干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞生長因子溶液混合、肝細(xì)胞和明膠/細(xì)胞培養(yǎng)液混合、星狀細(xì)胞與明膠/海藻酸鈉/纖維蛋白原/PBS (或細(xì)胞培養(yǎng)液)溶液混合。首先將I3U高分子溶液裝入噴霧閥壓力罐中，將含肝細(xì)胞的高分子溶液、含脂肪干細(xì)胞和細(xì)胞生長因子的高分子溶液、含星狀細(xì)胞的高分子溶液分別裝入三個噴射閥壓力罐中，(PLGA) /四乙二醇溶液經(jīng)噴射閥噴出形成支架，含脂肪干細(xì)胞和細(xì)胞生長因子的高分子溶液經(jīng)噴射閥噴出形成模擬血管系統(tǒng)的內(nèi)皮層，含肝細(xì)胞和星狀細(xì)胞的高分子溶液經(jīng)噴射閥噴出形成肝小葉結(jié)構(gòu)中的不同肝功能細(xì)胞層，用噴霧閥將合成PU高分子溶液噴涂到所成形的肝細(xì)胞層內(nèi)外圍，使成形結(jié)構(gòu)的機械性能與肝臟動脈、靜脈血管的機械性能相匹配。若制成的器官前體暫時不用可放在_200°C低溫環(huán)境中長期保存，便于貯存、運輸。組裝后的結(jié)構(gòu)可以直接與人體血管系統(tǒng)相連接，起到肝臟修復(fù)的作用，同時不引起凝學(xué)、炎癥反應(yīng)等副作用。
[0061]設(shè)定X向運動機構(gòu)106、Y向運動機構(gòu)107、升降臺105和Q向旋轉(zhuǎn)臺101的初始坐標(biāo)。
[0062]啟動溫度控制裝置103，使殼體內(nèi)部溫度達(dá)到實驗設(shè)定值并維持恒定。
[0063]等殼體內(nèi)部溫度穩(wěn)定時，開始成形工作。由控制單元111根據(jù)輸入的層片文件和設(shè)定的加工參數(shù)控制運動機構(gòu)的運動參數(shù)，設(shè)定的噴閥開始工作，從噴閥中噴射出來的材料迅速凝固且相互粘結(jié)在一起，堆積成形。隨著每一層的堆積完成，旋轉(zhuǎn)成形臺104在升降臺105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111啟動切換噴閥的程序，控制升降臺105下降一定的距離，然后根據(jù)噴閥之間的位置關(guān)系，控制工作噴閥移動到設(shè)定位置，再使升降臺105升同等的距離，繼續(xù)受控成形。
[0064]若需要加工圓環(huán)類結(jié)構(gòu)時，噴閥在控制單元111的控制下運動到設(shè)定位置，啟動旋轉(zhuǎn)成形臺104,旋轉(zhuǎn)成形臺104成形臺圍繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。等成形臺旋轉(zhuǎn)一周后，然后升降臺105再下降一定的高度即可連續(xù)成形。
[0065]若需要在加工結(jié)構(gòu)表面噴涂另一層材料時，啟動Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)101，將噴霧閥210設(shè)定為水平方向，并將其位置移動到旋轉(zhuǎn)成形臺104側(cè)方，然后旋轉(zhuǎn)成形臺104開始轉(zhuǎn)動，此時噴霧閥啟動工作，在設(shè)定的時間后升降臺105啟動下降一定的高度，這樣噴霧閥即可在在加工結(jié)構(gòu)表面噴涂另一層材料。
[0066]不同材料在成形臺表面成形以后，依照程序?qū)⒊啥鄧婎^成形單元102移出成形加工區(qū)域，成形過程結(jié)束，然后可將成形結(jié)構(gòu)取出。
[0067]本發(fā)明所述的一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，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、含細(xì)胞高分子溶液、含細(xì)胞培養(yǎng)液、細(xì)胞生長因子材料溶液、生物活性熒光染料、無機溶液、有機溶液、水溶液中的一種或兩種以上的組合。
[0068]本發(fā)明所述的一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其優(yōu)點在于:可以實現(xiàn)多種不同狀態(tài)下的材料體系在空間位置上的準(zhǔn)確定位，能實現(xiàn)復(fù)雜曲面的制造和噴涂，結(jié)構(gòu)尺寸從納米級到厘米級，成形材料尺寸覆蓋范圍廣。
【權(quán)利要求】
1.一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，含有殼體、多噴頭成形單元(102)、升降臺(105)、安裝在升降臺上的旋轉(zhuǎn)成形臺(104)、噴涂溶液壓力罐(209)、溫度控制器(103)和滅菌裝置(108)以及控制單元(111)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括X向運動機構(gòu)(106)、Y向運動機構(gòu)(107)、繞Y軸旋轉(zhuǎn)的Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(101)和高壓氣體源(110)；所述的多噴頭成形單元(102)安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(101)上，Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(101)固定安裝在X向運動機構(gòu)(106)上，X向運動機構(gòu)(106)安裝在位于殼體頂部的Y向運動機構(gòu)(107)上并沿Y向運動；所述的多噴頭成形單元(102)包括安裝在Q向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(101)上的多個噴涂閥；高壓氣體源(110)分別通過氣體管路與噴閥控制器(208)和噴涂溶液壓力罐(209)相連接，所述的控制單元(111)通過控制線路經(jīng)電氣控制柜(109)分別與噴閥控制器(208)和溫度控制器(103 )相連接，噴閥控制器(208 )輸出氣體與噴涂溶液壓力罐(209 )輸出的溶液匯聚于噴涂閥使溶液噴出。
2.如權(quán)利要求1所述一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其特征在于:所述的多噴頭成形單元(102)包括多個噴涂閥，所述的多個噴涂閥包括噴霧閥和噴射閥兩種類型中的一種或兩種的組合。
3.如權(quán)利要求2所述一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其特征在于:所述的多個噴涂閥布置在同一扇面、同一圓周或徑向直線排列。
4.如權(quán)利要求1所述一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)成形臺(104)為多方向、多角度偏轉(zhuǎn)平臺，其頂端形狀為平板、圓形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其特征在于:所述的高壓氣體源(110)包括空氣壓縮機(201)和儲氣罐(203)，儲氣罐通過冷卻器(204)和過濾器(205)分別與噴閥控制器(208)和噴涂溶液壓力罐(209)連接。
6.如權(quán)利要求1所述一種多自由度氣動多噴頭復(fù)雜組織器官制造系統(tǒng)，其特征在于:所述的噴涂溶液壓力罐包括噴涂溶液壓力罐罐體(304)，以及設(shè)置在罐體內(nèi)的進(jìn)氣管(301)、出液管(302)和溫度傳感器(303);噴涂溶液壓力罐罐體的下半段為階梯形，階梯形罐體的外部設(shè)有加熱片(305 )，在加熱片的外部覆蓋有保溫層(306 )。
【文檔編號】A61F2/02GK103431925SQ201310159590
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月3日
【發(fā)明者】王小紅, 劉利彪 申請人:清華大學(xué)