自动化控制的转盘式气动多喷头生物3d打印成形系统及方法【技术领域】。[0002]组织工程是目前较为热门的一门交叉学科。其三大要素有细胞、生物材料支架及生长因子。[0003]在多孔支架成形工艺方面，传统方法的工艺方法包括纤维粘合法、溶剂浇铸法/颗粒滤粒法、熔融法、气体发泡法、相分离法、烧结微球法等。这些传统方法虽然获得了较成功的多孔支架，但它们所得到的多孔支架的性能并不理想。主要表现在缺乏力学强度、孔隙的相互贯通程度底、孔隙率与孔分布的可控性差，这将影响到细胞的长入和组织的血管化。[0004]3D打印技术(增量制造技术)是近年来发展的一种新型的机械制造技术，也是生物制造领域的一种新兴的技术，为组织工程学提供了有利的方法。增量制造技术是基于离散/堆积成形的原理，把三维模型变成一系列二维层片，再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码，最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，可以精确的复制出与生物体同样形状的形体。[0005]气动挤出成形工艺是指将支架材料制成液态，在气动泵的压力下，经由喷头，将溶液以丝状挤出，在常温下堆积成形。[0006]气动挤出成形的具体工艺过程为: ①通过CT扫描后进行三维重建，补缺得到STL模型文件，然后通过前置处理系统处理后生成加工路径文件，得到成形的坐标代码。[0007]②选择实验的材料，按照合适的比例配制溶液，制成备用。
[0008]③将材料加入到成形设备的各喷头的注射器中，计算机的控制软件来控制各喷头的扫描运动和挤压/喷射运动。在常温成形室中，从喷头中出来的材料凝固且相互粘接在一起，堆积成形三维的支架。
[0009]④将制备出的三维支架放入冷冻干燥机，进行冷冻干燥处理，得到常温下为固态的支架，成形了三维贯通，有孔隙率的支架。
[0010]然而，人体中的复杂组织或器官一般是由两种或者两种以上不同材料组成的复合支架，而且各个支架相互联系。随着研究的不断深入，多种不同材料梯度的三维支架的成形提出了要求。原有的单喷头无法满足科学发展及医学的要求，具有多喷头的复杂骨支架生物3D打印成形系统的设计和研发成为了必然。


[0011]本发明的目的是针对已有技术存在的缺陷，提供一种自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统及方法，该系统采用转盘式多喷头装置与进行生物3D打印机构成一体化，具有装置简单可靠、制作成本低、工艺可控性好，自动化程度高等优点，能实现非均质多种材料梯度的再生骨支架。
[0012]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统包括喷射装置、三维运动机构、成形台以及控制系统，其特征在于:所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Zl轴运动机构上而随Zl轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。
[0013]所述转盘式多喷头喷射装置包括控制转盘电机、横梁、电机轴、连接管、转盘、螺母、注射器活塞筒体、注射器针头、轴套、槽型光电开关和槽型光电开关遮挡物；所述横梁固定安装在Zl轴运动滑块上；所述控制转盘电机通过螺丝固定安装在横梁上，电机轴朝下；所述轴套是一个外螺纹套筒，电机轴与轴套一端螺纹连接；所述转盘中间有一个通孔，内圈为内螺纹，转盘与轴套另一端连接，为内外螺纹连接方式；控制转盘电机运行带动电机轴旋转，同时带动转盘旋转运动，即带动注射器活塞筒体和注射器针头旋转；所述转盘上方表面安装4个连接管，连接管周向均匀分布在转盘上，连接管上连接气管，有气泵提供气体；所述转盘下方加工4个内螺纹孔，所述螺母上部分外表面加工成外螺纹，螺母的上表面加工达成菱形凸台，能够装进注射器活塞筒体，注射器活塞筒体注入材料溶液，并一起与转盘内外螺纹连接，连接之间通过密封圈密封，以防漏气；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体中的材料溶液从注射器针头 中挤出；所述槽型光电开关固连在横梁下方，槽型光电开关遮挡物固连在转盘上表面，控制转盘电机运行转动后带动转盘旋转，即槽型光电开关遮挡物旋转碰到槽型光电开关的信号，停止转盘运动，即注射器针头到达指定的位置。
[0014]所述的三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构、Zl轴运动机构和Z2轴运动机构联接成一体，Zi轴运动机构通过横梁与喷射装置与连接。
[0015]所述X轴运动机构包括X轴运动导轨与X轴运动滑块滑配；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨与Y轴运动滑块滑配；所述Zl轴运动机构包括Zl轴运动导轨与Zl轴运动滑块滑配；所述Z2轴运动机构包括Z2轴运动导轨与Z2轴运动滑块滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Zl轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板上，Y轴运动导轨平行也固定在底板上。
[0016]所述的成形台是一个成形平台，成形平台与所述的X轴运动机构固连。
[0017]所述的控制及数据处理系统包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统联接用于控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。
[0018]一种利用上述系统进行生物3D打印成形方法，实现非均质多种材料梯度的再生骨支架制备，其特征在于:包括如下操作步骤:
a.在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；
b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将注射器活塞筒体安装在转盘上；
c.将转盘式多喷头喷射装置与三维运动机构连接在一起，安装在Zl轴运动滑块上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制转盘转动，通过槽型光电开关来确定注射器针头的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体中液体挤出，从而控制注射器针头的输出液流的速度；
d.根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的再生骨支架制品。
[0019]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明采用转盘来构造多喷头的周向排列方式，可以实现喷头间的自由切换，自动化程度高，可用于非均质多种材料支架的成形。
[0020]2.对于支架成形的编程控制来说，只须通过电机的转动来控制转盘来换喷头，不受喷头位置参数的影响。
[0021]3.本发明实现了通过控制喷头来成形支架，操作简单，增加了喷头喷丝的稳定性。
[0022]综上所述，本发明所述系统利用转盘式多喷头喷射装置、三维运动机构以及控制系统综合实现了非均质多种材料支架的成形。该系统具有结构简单可靠、自动化程度高、易控制等优点，适用于组织工程中具有复杂三维结构的非均质多种材料支架成形。



[0023]图1是本发明提供的自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统的实施例的结构示意图。
[0024]图2是喷射装置的结构示意图。
[0025]图3是图2中66的视图。
[0026]图4是气动挤出成形的简易工艺流程。
[0027]在图1至图4中:
I一X轴运动机构，11 一X轴运动控制电机， 12 — X轴丝杠(外壳内部)，
13—X轴运动滑块，
2—Y轴运动机构，21—Y轴运动控制电机(外壳内部)，22—Y轴丝杠(外壳内部)， 23 — Y轴光杆， 24 — Y轴运动滑块一，25 — Y轴运动滑块二，
3—Zl轴运动机构，31—Zl轴运动控制电机，32— Zl轴丝杠(外壳内部)，
33—Zl轴运动滑块，
4一Z2轴运动机构， 41 一Z2轴运动控制电机，42 — Z2轴丝杠(外壳内部)，
43—Z2轴运动滑块，
5 一成形平台，
6—喷射装置，61—控制转盘电机，62—横梁，
63—电机轴，64—连接管，65—转盘，
66—螺母，67—注射器活塞筒体，68—注射器针头，
69—轴套，71—槽型光电开关，72—槽型光电开关遮挡物，
8 一计算机系统，9 一底板，91 一基座1，
92—基座2。
[0028]下面结合附图及实施例进行进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程内容:
实施例一:
参见图f图3，本自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置、三维运动机构、成形台和控制及数据处理系统，其特征在于:所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Zl轴运动机构上而随Zl轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。
[0029]实施例二:
本实例与实例一基本相同，特别之处如下:
所述转盘式多喷头喷射装置包括控制转盘电机、横梁、电机轴、连接管、转盘、螺母、注射器活塞筒体、注射器针头、轴套、槽型光电开关和槽型光电开关遮挡物；所述横梁固定安装在Zl轴运动滑块上；所述控制转盘电机通过螺丝固定安装在横梁上，电机轴朝下；所述轴套是一个外螺纹套筒，电机轴与轴套一端螺纹连接；所述转盘中间有一个通孔，内圈为内螺纹，转盘与轴套另一端连接，为内外螺纹连接方式；控制转盘电机运行带动电机轴旋转，同时带动转盘旋转运动，即带动注射器活塞筒体和注射器针头旋转；所述转盘上方表面安装4个连接管，连 接管周向均匀分布在转盘上，连接管上连接气管，有气泵提供气体；所述转盘下方加工4个内螺纹孔，所述螺母上部分外表面加工成外螺纹，螺母的上表面加工达成菱形凸台，能够装进注射器活塞筒体，注射器活塞筒体注入材料溶液，并一起与转盘内外螺纹连接，连接之间通过密封圈密封，以防漏气；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体中的材料溶液从注射器针头中挤出；所述槽型光电开关固连在横梁下方，槽型光电开关遮挡物固连在转盘上表面，控制转盘电机运行转动后带动转盘旋转，即槽型光电开关遮挡物旋转碰到槽型光电开关的信号，停止转盘运动，即注射器针头到达指定的位置。
[0030]所述的三维运动机构由X轴运动机构、Y轴运动机构、Zl轴运动机构和Z2轴运动机构联接成一体，Zi轴运动机构通过横梁与喷射装置与连接。
[0031]所述X轴运动机构包括X轴运动导轨与X轴运动滑块滑配；所述Y轴运动机构包括Y轴运动导轨与Y轴运动滑块滑配；所述Zl轴运动机构包括Zl轴运动导轨与Zl轴运动滑块滑配；所述Z2轴运动机构包括Z2轴运动导轨与Z2轴运动滑块滑配；所述X轴运动导轨与所述Y轴运动滑块固接，Zl轴运动导轨和Z2轴运动导轨平行竖直固定在一个底板上，Y轴运动导轨平行也固定在底板上。
[0032]所述的成形台是一个成形平台，成形平台与所述的X轴运动机构固连。
[0033]所述的控制及数据处理系统包括一个计算机系统联接一个控制系统，控制系统联接用于控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。
[0034]实施例三:
参见图4，利用上述系统进行生物3D打印成形方法，实现非均质多种材料梯度的再生骨支架制备，其特征在于:包括如下操作步骤:
a.在制备成形支架前，通过CT扫描重建得到三维模型，用数据处理软件进行模型分层，得到成形的坐标G代码，将文件输入到计算机控制软件中；b.将混合的3D打印材料溶液分别装载于活塞式注射器的注射器活塞筒体中，消除注射器活塞筒体中的气泡，再将注射器活塞筒体安装在转盘上；
c.将转盘式多喷头喷射装置与三维运动机构连接在一起，安装在Zl轴运动滑块上，利用控制及数据处理系统驱动三维运动机构以及喷射装置的电机，再通过喷射装置的电机来控制转盘转动，通过槽型光电开关来确定注射器针头的精确位置，然后通过气泵提供气压来控制注射器活塞筒体中液体挤出，从而控制注射器针头的输出液流的速度；
d.根据预设的支架结构与坐标G代码，在计算机系统程序控制下，在空间的指定位置通过3D打印方式加工出非均质多种材料梯度的再生骨支架制品。
[0035]实施例四:
本自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，如图1~图3所示，包括喷射装置1、三维运动机构I1、成形台II1、控制及数据处理系统IV。所述的喷射装置I采用转盘式多喷头喷射装置，该转盘式多喷头喷射装置6包括控制转盘电机61、横梁62、电机轴63、连接管64、转盘65、螺母66、注射器活塞筒体67、注射器针头68、轴套69、槽型光电开关71、槽型光电开关遮挡物72 ;所述转盘式多喷头装置设置在三维运动机构中Zl轴运动机构3上，与Zl轴运动滑块33上下滑动；所述成形台III安装在三维运动机构中X轴运动滑块13上。 [0036]本发明中，所述转盘65可以采用圆形、正方形、长方形或多边形，本实施例中，转盘65为圆形，如图1、图2所示。
[0037]图1为本发明三维运动机构的机构示意图，所述三维运动机构II包括X轴运动机构1、Y轴运动机构2、Zl轴运动机构3、Z2轴运动机构4 ;所述X轴运动机构I包括X轴运动导轨及X轴运动滑块13 ;所述Y轴运动机构2包括Y轴运动导轨及Y轴运动滑块；所述Y轴运动导轨包括Y轴丝杠22和Y轴光杆23 ；Y轴运动滑块包括Y轴运动滑块一 24和Y轴运动滑块二 25 ;所述X轴丝杠12固连在所述Y轴运动滑块一 24和Y轴运动滑块二 25上；X轴运动滑块13套接在所述X轴运动导轨上；Χ轴运动控制电机11的电机轴与X轴丝杠12固连；X轴运动控制电机11转动时，X轴运动滑块13做X轴平动；所述Y轴运动轨迹包括Y轴丝杠22和Y轴光杆23 ;所述Y轴丝杠22和Y轴光杆23固接在所述底板9上；所述Y轴运动滑块一 24和Y轴运动滑块二 25分别套接在Y轴丝杠22和Y轴光杆23上；所述Y轴运动控制电机21的电机轴与Y轴丝杠22固连；Υ轴运动控制电机21转动时，所述Y轴运动滑块做Y轴平动；所述Zl轴运动机构和Ζ2轴运动机构分别固连在基座1、基座2上，所述Zl轴运动机构3包括Zl轴运动导轨及Zl轴运动滑块33 ;所述Ζ2轴运动机构4包括Ζ2轴运动导轨及Ζ2轴运动滑块43 ；Z1轴运动滑块33套接在所述Zl轴运动导轨上；Z1轴运动控制电机31的电机轴与Zl轴丝杠32固连；Z1轴运动控制电机31转动时，Zl轴运动滑块33做Zl轴平动(LI轴运动滑块43套接在所述Z2轴运动导轨上(LI轴运动控制电机41的电机轴与Z2轴丝杠42固连；Z2轴运动控制电机41转动时，Z2轴运动滑块43做Z2轴平动；所述成形平台5可以随着X轴运动机构1、Y轴运动机构2—起做X、Y 二维方向运动。
[0038]图2为本发明喷射装置I的结构示意图，所述的喷射装置I采用转盘式多喷头喷射装置6。该转盘式多喷头喷射装置6包括控制转盘电机61、横梁62、电机轴63、连接管64、转盘65、螺母66、注射器活塞筒体67、注射器针头68、轴套69、槽型光电开关71、槽型光电开关遮挡物72构成；所述横梁62安装在Zl轴运动滑块33上；所述控制转盘电机61通过螺丝安装在横梁62上，电机轴63朝下放置；所述轴套69是一个外螺纹套筒，电机轴63与轴套69 —端连接；所述转盘65中间有一个通孔，内圈为内螺纹，转盘65与轴套69另一端连接，为内外螺纹连接方式；控制转盘电机61运行带动电机轴63旋转，同时带动转盘65旋转运动，即带动注射器活塞筒体67和注射器针头68旋转；所述转盘65上方表面安装4个连接管64，连接管64周向均匀分布在转盘65上，连接管64上连接气管，有气泵提供气体；所述转盘65下方加工4个内螺纹孔，所述螺母66上部分外表面加工成外螺纹，螺母66的上表面加工达成如图4所示，能够装进注射器活塞筒体67，注射器活塞筒体67注入材料溶液，并一起与转盘65内外螺纹连接，连接之间通过密封圈密封，以防漏气。通过气泵提供气体将注射器活塞筒体67中的材料溶液从注射器针头68中挤出；所述槽型光电开关固连在横梁62下方，槽型光电开关遮挡物固连在转盘65上表面，控制转盘电机61运行转动后带动转盘65旋转，即槽型光电开关遮挡物旋转碰到槽型光电开关的信号，停止转盘65运动，即注射器针头68到达指定的位置。
[0039]图3为本发明螺母66的视图，所述螺母66的上表面加工样式为注射器活塞筒体67上方的模型，能够刚好将注射器活塞筒体67放进去夹住，螺母66外圆柱上表面加工为外螺纹，与转盘65下方的内螺纹孔连接。
[0040]本发明所述的自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，所述控制及数据处理系统包括计算机系统8和控制系统。
[0041]在本实施例中，结合图f图4，利用本实施例自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，该系统采用转盘式多喷头装置与进行生物3D打印机构成一体化，能实现非均质多种材料梯度的三维骨支架，其非均质多种材料梯度的三维骨支架制备的方法，叙述如下:
成形支架前，通过CT扫描后进行三维重建，补缺得到STL模型文件，然后通过前置处理系统处理后生成加工路径文件，得到成形的坐标G代码。将加工参数输入到计算机控制软件。
[0042]选择实验的材料，本实施例中用PLAG和TCP溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体67 (a)中；用海藻酸钠和TCP溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体67(b)中；用明胶和壳聚糖溶液按照合适的比例配制溶液，装入注射器活塞筒体67(c)中，制备成形材料备用。
[0043]开启三维运动机构II的开关，先将注射器活塞筒体67 (a)通过手动控制调节到成形台指定的位置，通过气泵提供气体来挤压注射器活塞筒体67 (a)中的溶液，调整气压速度达到溶液均匀的针头挤出时，然后通过计算机控制系统发出命令按照程序运行成形平台5，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体67 (a)中的气体通过继电器停止供气，启动控制转盘电机61运行至槽型光电开关遮挡物72碰到槽型光电开关71信号时，控制转盘电机61停止运行，注射器活塞筒体67 (b)精确到达成形平台5指定位置，此时接通注射器活塞筒体67(b)中的气体，调整气压速度达到均匀的针头挤出时，控制成形平台5程序继续运行，当制备出需要的层数时，注射器活塞筒体67(b)中的气体通过继电器停止供气，这样循环往复，制 备出非均质多种材料梯度的再生骨支架。
[0044]成形支架后，依照特定程序将成形平台5移出成形加工区域，再将其取出。
[0045]将支架放入冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，得到常温下为固态的支架，产生微孔结构，复杂支架的制备工作完成。
[0046]在本实施例中，参见图1~图4，利用本实施例自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，通过成形平台5运动来制备出非均质多种材料梯度的复杂三维支架。此外利用本发明提供的自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，可实现自动化程度高、易控制，生产操作简单，工艺控制容易，生产效率高。
[0047]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统的技术原理和发明构思，都属于本 发明的保护范围。