[发明专利]转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统

说明书

技术领域

本发明属于组织工程领域，特别涉及一种转盘式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统的设计。

背景技术

组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素是细胞、生物材料支架及生长因子。

在多孔支架的成形工艺方面，传统的成形工艺包括：纤维编织法、纤维粘接法、热致相分离法、溶液浇铸致孔剂浸出法、熔化造型法和气压造孔法等。这些方法可以都可以成形二维或三维的多孔支架。但是这些工艺制备的支架均存在一定的局限，如缺乏稳定的结构、力学性能差或存在有害化学溶剂残留等。所有这些传统工艺都不能实现复杂的非均质材料支架的成形制造，不能实现对孔隙结构的灵活和准确的控制，不能实现个性化的植入物制造。

20世纪90年代中后期开始，先进的制造技术——快速成形技术进入支架的成形领域，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。

低温沉积制造工艺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，在步进电机的驱动下，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形装置，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。而原有的单喷头和双喷头无法满足科学发展及临床病人的要求；具有多喷头的复杂器官三维受控成形装置的设计和研发便成为必然。

目前国外Clemson大学的Boland T和Mironov V已经生产出基于商用喷墨打印机的细胞打印装置，但利用其成形材料有限，精度不高，三维控制弱；University of Arizona的SmithCM等设计出三维生物组装装置，有一系列沉积喷头，成形不同材料，但是成形工艺不突出，成形结构体较简单，近似平面；Univ Calif San Diego的Bhatia SN等研发的三维光绘图技术，成形效率低，结构体近似二维，且用紫外光，光固化诱导剂DMPA有毒性。

对于现有的双喷头及多喷头成形装置来说，喷头排列在固定平台上并随着固定平台运动喷料的方式是主要的喷射方式，该种方式存在以下不足：

①若干个喷头排列在固定平台上，要求支架成形区域是所有喷头所能覆盖的区域的交集，为开发多喷头成形装置带来了不便，无法满足对大尺寸支架的成形要求；

②对于若干个喷头排列在固定平台的方式来说，其各喷头的位置参数是不一样的，因此，会给成形的编程控制过程带来麻烦，而且对于喷头组件的相互切换也造成一定的不便。

多喷头及成形工艺相关的概念，在中国国家专利(申请号00124985.1)(申请号200510063378.7)(申请号200610011550.9)(申请号200410009787.4)(申请号01141863.X)(申请号02148654.9)里都有提及，不过，对于多喷头的结构设计没有特定的说明。

发明内容