一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造與生物組織培養(yǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于生物組織工程支架制備的3D打印機(jī)，將熔融沉積成形與片層壓成形技術(shù)相結(jié)合，用于制備更加利于細(xì)胞培養(yǎng)的組織工程多孔支架。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)(又稱增材制造技術(shù))在國(guó)內(nèi)外掀起了一波新的發(fā)展熱潮，隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印越來(lái)越多地在制造、醫(yī)療、文創(chuàng)、航空航天等產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用，其中3D打印制備生物組織工程支架已是醫(yī)療領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)。組織工程支架為細(xì)胞生長(zhǎng)輸送營(yíng)養(yǎng)及排泄代謝產(chǎn)物，為細(xì)胞的生長(zhǎng)提供載體，廣泛應(yīng)用于骨組織工程、神經(jīng)組織工程、血管組織工程以及皮膚組織工程的細(xì)胞培養(yǎng)。常用的組織工程支架制備方法包括相分離/冷凍干燥法、溶劑澆鑄/粒子瀝濾法、化學(xué)發(fā)泡法等，但上述工藝存在產(chǎn)生的微孔大小難以控制、支架中存在的閉孔問(wèn)題以及制備過(guò)程中無(wú)法避免有毒溶劑的使用等問(wèn)題。
[0003]通過(guò)3D打印技術(shù)制備組織工程支架的方法正是組織工程領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)，具有成型產(chǎn)品精度高、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，但在微米級(jí)支架孔徑等方面難以達(dá)到要求。同時(shí)電紡技術(shù)可以制備出較大的面積-體積比和高孔隙率的支架，但其纖維堆積依然難以可控，3D打印與電紡技術(shù)相結(jié)合可以制備出滿足要求的組織工程支架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有組織工程支架所存在的不足，提出一種熔融沉積成形與片層壓工藝相結(jié)合的裝置，用于制備一種熔絲柵格與電紡膜多層復(fù)合的微空隙生物組織工程支架。采用該裝置制備的復(fù)合支架可實(shí)現(xiàn)支架外部輪廓和內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的可控制造，滿足關(guān)節(jié)組織修復(fù)缺損等對(duì)形狀可控支架的要求。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置，主要包括熔絲擠出系統(tǒng)、電紡膜裝載與收集系統(tǒng)、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)及支撐架；其中熔絲擠出系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、機(jī)筒、進(jìn)料口、螺桿、聯(lián)軸器、加熱器和隔熱套；其中電紡膜裝載與收集系統(tǒng)包括膜裝載輥筒、過(guò)渡輥筒、膜收集輥筒、輥筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)；其中三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)包括基板、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中過(guò)程控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和運(yùn)動(dòng)控制單元；制品的三維數(shù)字模型通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為3D打印指令，最終將制品打印成形。
[0006]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的熔絲擠出系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、機(jī)筒、進(jìn)料□、螺桿、加熱器、隔熱套、噴嘴；其中伺服電機(jī)可精確控制轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制螺桿轉(zhuǎn)速，保證不同物料均可在機(jī)筒內(nèi)熔融塑化；其中進(jìn)料口可直接倒入一定量高分子粒料，也可將相配套的粒料盒卡在入口處，方便定量管理以及清潔衛(wèi)生；進(jìn)料口與機(jī)筒相貫通，能夠?qū)⒘Ａ现苯虞斔偷綑C(jī)筒內(nèi)部進(jìn)行熔融；其中隔熱套能夠阻隔熱量，避免機(jī)筒的熱量往上傳導(dǎo)燒壞伺服電機(jī)；熔絲通過(guò)噴嘴擠出。
[0007]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的電紡膜裝載與收集系統(tǒng)包括膜裝載輥筒、過(guò)渡輥筒、膜收集輥筒、輥筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)；其中膜裝載輥筒纏繞多層靜電紡絲纖維膜，作為醫(yī)用組織工程支架微觀空隙的基本框架，其中過(guò)渡輥筒用于拉緊并調(diào)平電紡膜；其中膜收集輥筒用于收集剩余的電紡膜；伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)膜收集輥筒旋轉(zhuǎn)，拉動(dòng)電紡膜按照控制以一定速度穿過(guò)基板上方。
[0008]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)精度是決定成型精度的因素之一。其水平方向的運(yùn)動(dòng)包括X向和Y向運(yùn)動(dòng)。熔絲擠出系統(tǒng)在X向和Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，在基板平面上方做掃描運(yùn)動(dòng)，水平方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度直接影響每層截面的形狀和位置精度；Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要功能是帶動(dòng)基板和成型制品沿豎直方向移動(dòng)，Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要有較大的驅(qū)動(dòng)力，需具有自鎖功能。
[0009]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的過(guò)程控制系統(tǒng)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和運(yùn)動(dòng)控制單元；其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元將三維數(shù)字模型的文件儲(chǔ)存于設(shè)備中；運(yùn)動(dòng)控制單元用于控制熔絲的擠出，熔絲擠出系統(tǒng)X向、Y向移動(dòng)，電紡膜的平移，基板Z向移動(dòng)。
[0010]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的熔絲及電紡膜材料主要有左旋聚乳酸、聚氨酯等生物可降解材料，在制備生物組織支架時(shí)，熔絲及電紡膜選用同一種材料，有助于增強(qiáng)其粘接性能。
[0011]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的電紡膜可通過(guò)熔體靜電紡絲工藝批量制成，纖維直徑及間隙空隙通過(guò)控制電壓、紡絲時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行控制，保證纖維直徑為Iym以下，間隙10 μ m以下。
[0012]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置中的熔絲通過(guò)熔絲擠出系統(tǒng)的噴嘴中擠出，其直徑通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速、噴嘴直徑等參數(shù)進(jìn)行控制，熔絲間距通過(guò)數(shù)字模型及基板運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)控制，保證熔絲直徑0.2mm以下，熔絲間距Imm以下。
[0013]本發(fā)明一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的制備方法，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿在機(jī)筒中旋轉(zhuǎn)，支架材料通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)筒，在螺桿的剪切摩擦作用下變?yōu)槿廴谖锪希ㄟ^(guò)噴嘴擠出形成熔絲；熔絲擠出系統(tǒng)在X向和Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，在基板平面上方做掃描運(yùn)動(dòng)，熔絲以柵格的形式按照模型數(shù)據(jù)路徑堆積基板上，Z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)基板及第I層熔絲柵格下降一層；電紡膜裝載與收集系統(tǒng)中的輥筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)膜收集輥筒旋轉(zhuǎn)，電紡膜從膜裝載輥筒中拉出，沿過(guò)渡輥筒拉伸到第I層熔絲柵格上方，第2層熔絲按照一定路徑繼續(xù)堆積，并將部分電紡膜壓制于第I層與第2層熔絲柵格之間，熔絲的溫度可將電紡膜與熔絲柵格粘接；Z向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)下降一層，輥筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)膜收集輥筒旋轉(zhuǎn)，柵格之外的電紡膜脫離并沿旋轉(zhuǎn)方向延伸一定距離；第三層熔絲堆積，逐層累積疊加后，可制備出熔絲支架與電紡膜多層復(fù)合的宏微空隙生物組織工程支架。
[0014]本發(fā)明采用熔絲柵格與電紡膜多層復(fù)合形成宏觀和微觀空隙生物組織工程支架，熔絲將膜和柵格粘接在一起，熔絲的鋪設(shè)有X向、Y向和Z向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，因而形成的空隙可調(diào)，有電紡膜鋪設(shè)，膜的絲的直徑更小，所得到的空隙能達(dá)到微米級(jí)。
【附圖說(shuō)明】