基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，包括六自由度運動平臺、供料系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、平臺支架、高壓電源，所述平臺支架固定在六自由度運動平臺的下靜平臺上，所述供料系統(tǒng)安裝在平臺支架上，所述計算機(jī)控制系統(tǒng)與六自由度運動平臺連接，所述高壓電源的正極連接供料系統(tǒng)的注射器針頭的金屬部分，負(fù)極與六自由度運動平臺的上動平臺相連接并接地，從而在注射器針頭與上動平臺之間形成高壓電場。該成形系統(tǒng)可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實現(xiàn)空間曲面直寫，其充分利用了六自由度運動平臺強大的空間運動功能，相對于靜電直寫噴頭可以精確的走出形狀比較復(fù)雜的空間曲面，從而制備出具有特定空間曲面結(jié)構(gòu)的組織工程支架。
【專利說明】
基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，應(yīng)用于機(jī)械制 造和生物制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于創(chuàng)傷、腫瘤、先天性畸形、骨感染等原因，所造成的疾病仍然沒有得到有效治 愈，目前治療骨、皮膚等器官缺損的唯一方法就是通過自體骨、異體骨等移植。從目前國內(nèi) 外情況來看，大量病人只有通過器官移植來實現(xiàn)器官修復(fù)，但是器官不足始終是醫(yī)生和患 者所面臨的問題，致使全球每年有數(shù)萬計的患者因器官缺損不能得到有效的治愈而落下終 生殘疾。如何解決創(chuàng)傷修復(fù)中器官不足的缺陷，從根本上解決器官缺損修復(fù)和功能重建等 問題，已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的國際性前沿課題。從人體獲取少量自體組織，提取種子細(xì)胞并 經(jīng)過體外擴(kuò)增后種植到支架材料上，經(jīng)過體外培養(yǎng)形成工程化組織后再植入體內(nèi)，修復(fù)相 關(guān)組織缺損并恢復(fù)原有功能，這樣的組織再生模式可以避免以創(chuàng)傷修復(fù)創(chuàng)傷的缺陷，有望 真正實現(xiàn)無創(chuàng)或微創(chuàng)的組織器官再生和功能重建。
[0003] 靜電紡絲技術(shù)所制備的纖維具有其他材料無法達(dá)到的與體內(nèi)許多細(xì)胞尺寸相當(dāng) 的納米直徑，其較高的孔隙率和較好的孔道連通能夠促進(jìn)細(xì)胞的貼附、增殖和分化，且靜電 紡絲工藝容易得到三維結(jié)構(gòu)的納米纖維，這對于體外細(xì)胞培養(yǎng)，模擬細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)造具有 特殊優(yōu)勢。
[0004] 傳統(tǒng)的靜電紡絲制備得到的納米纖維呈現(xiàn)無序狀態(tài)，這給納米纖維的研究和應(yīng)用 帶來了極大的不便和困難。近場靜電紡絲技術(shù)可實現(xiàn)電紡過程的可控，制備得到排列有序 且連續(xù)的納米纖維。但目前靜電直寫技術(shù)主要是在平面、滾筒等相對規(guī)則形狀的面上進(jìn)行 打印。隨著再生醫(yī)學(xué)及組織工程領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，修復(fù)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了原位打印探索階段， 這對曲面打印提出了需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在，針對原位打印和組織工程領(lǐng)域?qū)哂锌臻g曲面結(jié)構(gòu)支架的需 求，提出一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，使得近電場靜電紡絲直寫 技術(shù)完成空間曲面組織工程支架打印成為現(xiàn)實，通過基于六自由度運動平臺的曲面靜電直 寫成形系統(tǒng)可制備出具有空間曲面結(jié)構(gòu)的組織工程支架，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，包括六自由度運動平臺、供料 系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、平臺支架、高壓電源，所述平臺支架固定在六自由度運動平臺的下 靜平臺上，所述供料系統(tǒng)安裝在平臺支架上，所述計算機(jī)控制系統(tǒng)與六自由度運動平臺連 接，所述高壓電源的正極連接供料系統(tǒng)的注射器針頭的金屬部分，負(fù)極與六自由度運動平 臺的上動平臺相連接并接地，從而在注射器針頭與上動平臺之間形成高壓電場。
[0007] 所述六自由度運動平臺包括一個下靜平臺、六組虎克鉸鏈、六支電動缸和一個上 動平臺，所述下靜平臺靜止固定，六組虎克鉸鏈分別固定在下靜平臺與上動平臺上，六支電 動缸通過虎克鉸鏈與上動平臺和下靜平臺相連接，上動平臺隨著電動缸的伸縮在空間實現(xiàn) 六自由度運動，從而模擬出各種空間姿態(tài)。
[0008] 所述的供料系統(tǒng)包括微量栗控制器、微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)、注射器活塞筒體和注射器 針頭;所述注射器活塞筒體固定安裝在微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，注射器針頭安裝在注射器活塞 筒體上，微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)在微量栗控制器的聯(lián)接驅(qū)動下，推動注射器活塞筒體進(jìn)行紡絲材 料的擠出。
[0009] 所述計算機(jī)控制系統(tǒng)包括主控計算機(jī)、多軸控制卡、電機(jī)驅(qū)動器，所述主控計算機(jī) 通過以太網(wǎng)與多軸控制卡相連，多軸控制卡與電機(jī)驅(qū)動器相連，電機(jī)驅(qū)動器與電動缸上的 步進(jìn)電機(jī)相連接，形成控制回路。
[0010] 本發(fā)明基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)充分利用了六自由度運 動平臺強大的空間運動功能，能實現(xiàn)復(fù)雜空間曲面形狀的組織工程支架打印，為原位打印， 以及構(gòu)建具有特定空間曲面結(jié)構(gòu)的組織工程支架提供了一種途徑。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下突出實質(zhì)性特點和顯著技術(shù)進(jìn)步： 1)本發(fā)明充分利用六自由度運動平臺，借助六只電動缸的伸縮運動，完成上動平臺在 空間六個自由度(α，β，γ，X，Y，Z)的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。
[0012] 2)本發(fā)明能實現(xiàn)復(fù)雜空間曲面組織工程支架的打印，滿足組織工程學(xué)對支架的要 求。能夠?qū)υ淮蛴∵M(jìn)行初步試驗。本發(fā)明各個部分都是模塊化的，易于集成，維修方便。
【附圖說明】
[0013] 圖1是基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖。
[0014] 圖2是六自由度運動平臺裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3是基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)的邏輯控制圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下： 如圖1和圖2所示，一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，包括六自由 度運動平臺I、供料系統(tǒng)Π 、計算機(jī)控制系統(tǒng):議、平臺支架4、高壓電源5,所述平臺支架4固定 在六自由度運動平臺I的下靜平臺11上，所述供料系統(tǒng)Π 安裝在平臺支架4上，所述計算機(jī) 控制系統(tǒng)21與六自由度運動平臺I連接，所述高壓電源5的正極連接供料系統(tǒng)Π 的注射器針 頭24的金屬部分，負(fù)極與六自由度運動平臺I的上動平臺14相連接并接地，從而在注射器針 頭24與上動平臺14之間形成高壓電場。
[0017] 所述六自由度運動平臺I包括一個下靜平臺11、六組虎克鉸鏈12、六支電動缸13和 一個上動平臺14,所述下靜平臺11靜止固定，六組虎克鉸鏈12分別固定在下靜平臺11與上 動平臺14上，六支電動缸13通過虎克鉸鏈12與上動平臺14和下靜平臺11相連接，上動平臺 14隨著電動缸13的伸縮在空間實現(xiàn)六自由度運動，從而模擬出各種空間姿態(tài)。
[0018] 所述的供料系統(tǒng)Π 包括微量栗控制器21、微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)22、注射器活塞筒體23 和注射器針頭24;所述注射器活塞筒體23固定安裝在微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)22上，注射器針頭24 安裝在注射器活塞筒體23上，微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)22在微量栗控制器21的聯(lián)接驅(qū)動下，推動注 射器活塞筒體23進(jìn)行紡絲材料的擠出。
[0019] 所述計算機(jī)控制系統(tǒng)包括主控計算機(jī)31、多軸控制卡32、電機(jī)驅(qū)動器33,所述主 控計算機(jī)31通過以太網(wǎng)與多軸控制卡32相連，多軸控制卡32與電機(jī)驅(qū)動器33相連，電機(jī)驅(qū) 動器33與電動缸13上的步進(jìn)電機(jī)相連接，形成控制回路。
[0020] 如圖3所示，一個具體的實驗例敘述如下： 稱取lg聚左旋乳酸一已內(nèi)酯(PLCL)，將其置于10mL的HFIP溶劑中，在室溫下放置于磁 力攪拌器上攪拌直至完全溶解，形成有機(jī)相A。
[0021] 將配置好的有機(jī)相A裝入到供料系統(tǒng)Π 中的注射器活塞筒體23中。
[0022] 將需要打印成形的支架模型通過桌面打印機(jī)打印出來，固定在六自由度運動平臺 I的上動平臺14上。
[0023] 將需要打印的支架模型輸入主控計算機(jī)31，并通過軟件對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，控制軟 件采用位置反解算法，即通過平臺的姿態(tài)反算六支電動缸13的長度，根據(jù)計算出來的長度 和反饋指令通過多軸控制卡32向電機(jī)驅(qū)動器33發(fā)送模擬量速度指令，控制電動缸13運動到 指定長度。
[0024] 設(shè)定供料系統(tǒng)Π 的注射速率為2.4mL/h，與上動平臺14的運動相配合，在支架實體 模型表面可打印出需要的預(yù)期的組織工程支架。
【主權(quán)項】
1. 一種基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，其特征在于：包括六自由度 運動平臺（I)、供料系統(tǒng)（n)、計算機(jī)控制系統(tǒng)(_)、平臺支架(4)、高壓電源(5)，所述平臺 支架(4)固定在六自由度運動平臺（I)的下靜平臺（11)上，所述供料系統(tǒng)（n)安裝在平臺支 架(4)上，所述計算機(jī)控制系統(tǒng)(m)與六自由度運動平臺（I)連接，所述高壓電源(5)的正極 連接供料系統(tǒng)（n)的注射器針頭(24)的金屬部分，負(fù)極與六自由度運動平臺（I)的上動平 臺（14)相連接并接地，從而在注射器針頭(24)與上動平臺（14)之間形成高壓電場。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，其特征在 于：所述六自由度運動平臺（I)包括一個下靜平臺（11)、六組虎克鉸鏈（12)、六支電動缸 (13)和一個上動平臺（14)，所述下靜平臺（11)靜止固定，六組虎克鉸鏈（12)分別固定在下 靜平臺（11)與上動平臺（14)上，六支電動缸（13)通過虎克鉸鏈（12)與上動平臺（14)和下靜 平臺（11)相連接，上動平臺（14)隨著電動缸（13)的伸縮在空間實現(xiàn)六自由度運動，從而模 擬出各種空間姿態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，其特征在 于:所述的供料系統(tǒng)（II)包括微量栗控制器(21)、微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)（22)、注射器活塞筒體 (23)和注射器針頭（24);所述注射器活塞筒體(23)固定安裝在微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)（22)上，注 射器針頭(24)安裝在注射器活塞筒體(23)上，微量栗執(zhí)行機(jī)構(gòu)(22)在微量栗控制器(21)的 聯(lián)接驅(qū)動下，推動注射器活塞筒體(23)進(jìn)行紡絲材料的擠出。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六自由度運動平臺的曲面靜電直寫成形系統(tǒng)，其特征在 于:所述計算機(jī)控制系統(tǒng)(歷)包括主控計算機(jī)(31)、多軸控制卡(32)、電機(jī)驅(qū)動器(33)，所 述主控計算機(jī)(31)通過以太網(wǎng)與多軸控制卡(32)相連，多軸控制卡(32)與電機(jī)驅(qū)動器(33) 相連，電機(jī)驅(qū)動器(33 )與電動缸(13 )上的步進(jìn)電機(jī)相連接，形成控制回路。
【文檔編號】A61L27/18GK106048900SQ201610386605
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月4日
【發(fā)明人】劉媛媛, 劉麗軍, 蔣維健, 李冬冬, 胡慶夕
【申請人】上海大學(xué)