一種用于生產(chǎn)醫(yī)用組織工程支架的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造與生物組織培養(yǎng)領域，尤其涉及一種用于生物組織工程支架制備的3D打印機，將熔融沉積成形與片層壓成形技術相結合，用于制備更加利于細胞培養(yǎng)的組織工程多孔支架。
【背景技術】
[0002]3D打印技術(又稱增材制造技術)在國內(nèi)外掀起了一波新的發(fā)展熱潮，隨著技術的不斷成熟，3D打印越來越多地在制造、醫(yī)療、文創(chuàng)、航空航天等產(chǎn)業(yè)中得到應用，其中3D打印制備生物組織工程支架已是醫(yī)療領域研宄的熱點。組織工程支架為細胞生長輸送營養(yǎng)及排泄代謝產(chǎn)物，為細胞的生長提供載體，廣泛應用于骨組織工程、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題以及制備過程中無法避免有毒溶劑的使用等問題。
[0003]通過3D打印技術制備組織工程支架的方法正是組織工程領域研宄的熱點，具有成型產(chǎn)品精度高、表面質量好等特點，但在微米級支架孔徑等方面難以達到要求。同時電紡技術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打印與電紡技術相結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合的裝置，用于制備一種熔絲柵格與電紡膜多層復合的微空隙生物組織工程支架。采用該裝置制備的復合支架可實現(xiàn)支架外部輪廓和內(nèi)部微觀孔隙結構的可控制造，滿足關節(jié)組織修復缺損等對形狀可控支架的要求。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案是: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)、三維運動平臺系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)及支撐架；其中熔絲擠出系統(tǒng)包括伺服電機、機筒、進料口、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、過渡輥筒、膜收集輥筒、輥筒驅動電機；其中三維運動平臺系統(tǒng)包括基板、X向運動機構、Y向運動機構和Z向運動機構；其中過程控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)轉換單元和運動控制單元；制品的三維數(shù)字模型通過數(shù)據(jù)轉換及控制系統(tǒng)轉換為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、機筒、進料□、螺桿、加熱器、隔熱套、噴嘴；其中伺服電機可精確控制轉速，通過控制螺桿轉速，保證不同物料均可在機筒內(nèi)熔融塑化；其中進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；進料口與機筒相貫通，能夠將粒料直接輸送到機筒內(nèi)部進行熔融；其中隔熱套能夠阻隔熱量，避免機筒的熱量往上傳導燒壞伺服電機；熔絲通過噴嘴擠出。
[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、過渡輥筒、膜收集輥筒、輥筒驅動電機；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，其中過渡輥筒用于拉緊并調平電紡膜；其中膜收集輥筒用于收集剩余的電紡膜；伺服驅動電機驅動膜收集輥筒旋轉，拉動電紡膜按照控制以一定速度穿過基板上方。
[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動平臺系統(tǒng)，其運動精度是決定成型精度的因素之一。其水平方向的運動包括X向和Y向運動。熔絲擠出系統(tǒng)在X向和Y向運動機構的帶動下，在基板平面上方做掃描運動，水平方向運動機構的運動精度直接影響每層截面的形狀和位置精度；Z方向運動機構的主要功能是帶動基板和成型制品沿豎直方向移動，Z方向運動機構需要有較大的驅動力，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程控制系統(tǒng)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)轉換單元和運動控制單元；其中數(shù)據(jù)轉換單元將三維數(shù)字模型的文件儲存于設備中；運動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，電紡膜的平移，基板Z向移動。
[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，熔絲及電紡膜選用同一種材料，有助于增強其粘接性能。
[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熔體靜電紡絲工藝批量制成，纖維直徑及間隙空隙通過控制電壓、紡絲時間等參數(shù)進行控制，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熔絲擠出系統(tǒng)的噴嘴中擠出，其直徑通過螺桿轉速、噴嘴直徑等參數(shù)進行控制，熔絲間距通過數(shù)字模型及基板運動速度等參數(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，伺服電機驅動螺桿在機筒中旋轉，支架材料通過進料口進入機筒，在螺桿的剪切摩擦作用下變?yōu)槿廴谖锪?，通過噴嘴擠出形成熔絲；熔絲擠出系統(tǒng)在X向和Y向運動機構的帶動下，在基板平面上方做掃描運動，熔絲以柵格的形式按照模型數(shù)據(jù)路徑堆積基板上，Z向運動系統(tǒng)帶動基板及第I層熔絲柵格下降一層；電紡膜裝載與收集系統(tǒng)中的輥筒驅動電機帶動膜收集輥筒旋轉，電紡膜從膜裝載輥筒中拉出，沿過渡輥筒拉伸到第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向運動系統(tǒng)繼續(xù)下降一層，輥筒驅動電機帶動膜收集輥筒旋轉，柵格之外的電紡膜脫離并沿旋轉方向延伸一定距離；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，熔絲的鋪設有X向、Y向和Z向運動機構控制，因而形成的空隙可調，有電紡膜鋪設，膜的絲的直徑更小，所得到的空隙能達到微米級。
【附圖說明】