[发明专利]一种用于生产医用组织工程支架的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造与生物组织培养领域，尤其涉及一种用于生物组织工程支架制备的3D打印机，将熔融沉积成形与片层压成形技术相结合，用于制备更加利于细胞培养的组织工程多孔支架。

背景技术

3D打印技术(又称增材制造技术)在国内外掀起了一波新的发展热潮，随着技术的不断成熟，3D打印越来越多地在制造、医疗、文创、航空航天等产业中得到应用，其中3D打印制备生物组织工程支架已是医疗领域研究的热点。组织工程支架为细胞生长输送营养及排泄代谢产物，为细胞的生长提供载体，广泛应用于骨组织工程、神经组织工程、血管组织工程以及皮肤组织工程的细胞培养。常用的组织工程支架制备方法包括相分离/冷冻干燥法、溶剂浇铸/粒子沥滤法、化学发泡法等，但上述工艺存在产生的微孔大小难以控制、支架中存在的闭孔问题以及制备过程中无法避免有毒溶剂的使用等问题。

通过3D打印技术制备组织工程支架的方法正是组织工程领域研究的热点，具有成型产品精度高、表面质量好等特点，但在微米级支架孔径等方面难以达到要求。同时电纺技术可以制备出较大的面积-体积比和高孔隙率的支架，但其纤维堆积依然难以可控，3D打印与电纺技术相结合可以制备出满足要求的组织工程支架。

发明内容

本发明的目的是针对现有组织工程支架所存在的不足，提出一种熔融沉积成形与片层压工艺相结合的装置，用于制备一种熔丝栅格与电纺膜多层复合的微空隙生物组织工程支架。采用该装置制备的复合支架可实现支架外部轮廓和内部微观孔隙结构的可控制造，满足关节组织修复缺损等对形状可控支架的要求。

本发明采用的技术方案是：一种用于生产医用组织工程支架的装置，主要包括熔丝挤出系统、电纺膜装载与收集系统、三维运动平台系统、过程控制系统及支撑架；其中熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、联轴器、加热器和隔热套；其中电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；其中三维运动平台系统包括基板、X向运动机构、Y向运动机构和Z向运动机构；其中过程控制系统包括数据转换单元和运动控制单元；制品的三维数字模型通过数据转换及控制系统转换为3D打印指令，最终将制品打印成形。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝挤出系统包括伺服电机、机筒、进料口、螺杆、加热器、隔热套、喷嘴；其中伺服电机可精确控制转速，通过控制螺杆转速，保证不同物料均可在机筒内熔融塑化；其中进料口可直接倒入一定量高分子粒料，也可将相配套的粒料盒卡在入口处，方便定量管理以及清洁卫生；进料口与机筒相贯通，能够将粒料直接输送到机筒内部进行熔融；其中隔热套能够阻隔热量，避免机筒的热量往上传导烧坏伺服电机；熔丝通过喷嘴挤出。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的电纺膜装载与收集系统包括膜装载辊筒、过渡辊筒、膜收集辊筒、辊筒驱动电机；其中膜装载辊筒缠绕多层静电纺丝纤维膜，作为医用组织工程支架微观空隙的基本框架，其中过渡辊筒用于拉紧并调平电纺膜；其中膜收集辊筒用于收集剩余的电纺膜；伺服驱动电机驱动膜收集辊筒旋转，拉动电纺膜按照控制以一定速度穿过基板上方。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的三维运动平台系统，其运动精度是决定成型精度的因素之一。其水平方向的运动包括X向和Y向运动。熔丝挤出系统在X向和Y向运动机构的带动下，在基板平面上方做扫描运动，水平方向运动机构的运动精度直接影响每层截面的形状和位置精度；Z方向运动机构的主要功能是带动基板和成型制品沿竖直方向移动，Z方向运动机构需要有较大的驱动力，需具有自锁功能。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的过程控制系统系统分为数据转换单元和运动控制单元；其中数据转换单元将三维数字模型的文件储存于设备中；运动控制单元用于控制熔丝的挤出，熔丝挤出系统X向、Y向移动，电纺膜的平移，基板Z向移动。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝及电纺膜材料主要有左旋聚乳酸、聚氨酯等生物可降解材料，在制备生物组织支架时，熔丝及电纺膜选用同一种材料，有助于增强其粘接性能。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的电纺膜可通过熔体静电纺丝工艺批量制成，纤维直径及间隙空隙通过控制电压、纺丝时间等参数进行控制，保证纤维直径为1μm以下，间隙10μm以下。

本发明一种用于生产医用组织工程支架的装置中的熔丝通过熔丝挤出系统的喷嘴中挤出，其直径通过螺杆转速、喷嘴直径等参数进行控制，熔丝间距通过数字模型及基板运动速度等参数控制，保证熔丝直径0.2mm以下，熔丝间距1mm以下。