[发明专利]复合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，特别涉及一种复合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。

20世纪80年代末面世的快速成形技术作为先进制造技术中比较重要的一员逐步进入支架的成形领域，其开创的加式新工艺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。经过近20年的持续努力，实现三维快速成型已有SLA、FDM、3DP、SLS和LOM等几大类技术。

低温沉积制造工艺(LDM)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，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型装置，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细胞和细胞外基质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。原有的单喷头和双喷头无法满足组织工程和生物医学发展的要求；具有复合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。而现今各高校和研究机构的相关研发目标仅限为增加同一固定支架下的喷头数量和改变相对排列方式，并不能从根本上解决如何同时成形材料不同结构并精确植入细胞、如何减少工序提高效率等问题，由传统机械工业加工中心的优势汲取灵感，自由式多喷头快速原型加工系统必将成为未来的发展趋势。

中国专利文献(申请号201110205970.1)涉及一种固定式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，喷射装置为固定式，只包含三维运动装置一个运动机构，喷头组件排列在矩形盘或圆盘上，不同喷头组件装有不同的成形材料；所有喷头在同一平面内，切换喷头时运动三维运动装置使工作喷头与成形台对正。但固定式多喷头成形系统有以下不足之处：

①固定式喷射装置同时只能用某一个喷头进行加工，成型效率低，切换喷头时要求三维运动装置重新对中，喷头喷射作用衔接误差较大；

②喷头支架上喷头数量较多但同一时间只有一个喷头进行工作，其余喷头不能移动或协同工作，且喷头间相对位置固定，效率低下；

③成形台只能依靠三维运动装置进行运动，加工圆截面和圆环截面类材料成型时位置参数由相互垂直的X轴Y轴控制，精确度有待提高；

④固定式喷头均为螺杆挤压式且不可更换，在进行细胞打印加工时存在结构性弊端，无法控制细胞打印数量和精确位置；

⑤喷射装置各喷头只有一个喷嘴，在进行多种细胞、多方位成形时局限性较大。

发明内容

本发明针对已有技术的不足之处，提供一种复合式多喷头复杂器官前体三维受控成形系统，该系统采用自由式与固定式喷头相结合的复合式多喷头装置，以达到各喷头可相对移动、独立或协同加工，实现多方位、多角度、多喷头协同作用下的快速堆积和喷射成形的过程。