一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭。本發(fā)明所述絲杠支架安裝在固定板上的中部，滾珠絲杠的一端與步進(jìn)電機(jī)的輸出端相連接，滾珠絲杠螺母與滾珠絲杠組成滾珠絲杠副，加載平臺與滾珠絲杠螺母相連接，噴頭設(shè)置在噴頭支撐架上，擠壓推桿的一端與加載平臺相連接，擠壓推桿的另一端與噴頭內(nèi)的活塞相連接，噴頭的前端設(shè)有噴嘴，加熱保溫裝置一設(shè)置在噴頭上。本發(fā)明中的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)中螺母與絲杠是滾動摩擦，因此在實際運(yùn)用的速度范圍內(nèi)無爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)。并且根據(jù)實驗要求，可以進(jìn)一步細(xì)化漿料在擠出前的溫控過程，實現(xiàn)雙極溫控的過程。該過程可以細(xì)化加工支架組織結(jié)構(gòu)，對加工出具有納米纖維的組織工程支架有重要的作用。
【專利說明】一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，屬于組織工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]組織工程是一門綜合了細(xì)胞生物學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)外科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，組織工程旨在應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)原理，開發(fā)用于恢復(fù)、維持及提高損傷組織和器官功能的生物學(xué)替代物。組織工程支架是生物醫(yī)學(xué)組織工程的核心載體要素之一，組織工程支架的制備是指將生物材料加工成所需要的形態(tài)。自20世紀(jì)80年代中期提出組織工程的概念以后，組織支架的制造技術(shù)得以不斷發(fā)展。它作為組織工程的植入體，需要保證活細(xì)胞可以在載體支架植入體內(nèi)后逐步長入其中。為此，需要制造多級微納米結(jié)構(gòu)的支架以保證細(xì)胞在組織內(nèi)的成活與生長。
[0003]組織工程支架的成形工藝包括纖維連接法、溶液澆鑄致孔劑法、熱致相分離法、熔化造型法等。此外組織工程支架的成形工藝還有熔化造型法、冷凍干燥法、纖維增強(qiáng)法、熔融模壓法、氣壓造孔法等。上述這些傳統(tǒng)工藝都不能實現(xiàn)復(fù)雜的非均質(zhì)材料支架的成形制造，不能實現(xiàn)對微納米孔隙結(jié)構(gòu)的靈活準(zhǔn)確的控制，不能實現(xiàn)個性化的植入物制造。因此，需要找到能夠精密成形制造出微結(jié)構(gòu)可控的組織工程支架的方法。
[0004]快速成形(Rapid Prototyping,簡稱RP)技術(shù)是1987年出現(xiàn)的應(yīng)用于制造業(yè)的高新技術(shù)。它采用離散/堆積的概念制造零件，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實體，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉，具有高度的柔性。快速成型技術(shù)的成形過程是:先利用CAD軟件設(shè)計出零件的CAD電子模型，然后根據(jù)具體工藝要求，按一定厚度分層(通常是沿Z方向)，將其離散為一系列二維層面，習(xí)慣上稱之為分層或切片(Slicing)，再將這些離散信息同加工參數(shù)相結(jié)合，生成NC代碼輸入給成形機(jī)。成形機(jī)根據(jù)NC代碼，順序加工各單元體并彼此結(jié)合，從而得到與模型對應(yīng)的三維實體(又稱為物理模型或原型)。通過離散過程，把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化成一系列有序的簡單單元體的制造與結(jié)合的過程，因而從原理上講，可以完成任意復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系的幾何形體，不受零件復(fù)雜程度的限制。上述制作過程除了按設(shè)定好的成型機(jī)床三維數(shù)控運(yùn)動外(X、Y、Z均可采用簡單的直線運(yùn)動)，生物支架材料主要是從微噴頭噴出，并逐步疊層地注入到各層上，從而可以獲得高度一致的微納米結(jié)構(gòu)組織，而這一點也正是制造個性化的人體器官所必須的。快速成形的高度柔性和快速性可以滿足組織工程支架個性化制造的需求，具有傳統(tǒng)組織工程支架無法比擬的優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是在傳統(tǒng)噴頭基礎(chǔ)上進(jìn)行微噴頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提供一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，使該微噴頭通過控制電機(jī)能夠調(diào)整噴料量的多少和噴料速度，實現(xiàn)組織工程支架的穩(wěn)定、快速、大孔隙可調(diào)的成型制造，可以快速靈活制造出適合各類生物細(xì)胞生長的微納米尺度空洞支架，實現(xiàn)個性化的植入物支架的制造。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭:包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、固定板、滾珠絲杠螺母、加載平臺、絲杠支架、擠壓推桿、噴頭、噴頭支撐架、加熱保溫裝置一和噴嘴，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)安裝在固定板上的一側(cè)，噴頭支撐架安裝在固定板上的另一側(cè)，絲杠支架安裝在固定板上的中部，滾珠絲杠設(shè)置在絲杠支架上，滾珠絲杠的一端與步進(jìn)電機(jī)的輸出端相連接，滾珠絲杠螺母與滾珠絲杠組成滾珠絲杠副，加載平臺與滾珠絲杠螺母相連接，噴頭設(shè)置在噴頭支撐架上，擠壓推桿的一端與加載平臺相連接，擠壓推桿的另一端與噴頭內(nèi)的活塞相連接，噴頭的前端設(shè)有噴嘴，加熱保溫裝置一設(shè)置在噴頭上。
[0007]還包括加熱保溫裝置二，所述加熱保溫裝置二設(shè)置在加熱保溫裝置一后部的噴頭上。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其技術(shù)效果是:第一，改進(jìn)噴頭可以擴(kuò)大快速材料成型機(jī)加工材料的范圍。傳統(tǒng)噴頭的送料原理為自重式送料，當(dāng)漿料的粘度較大的時候，會造成送料不足。本發(fā)明改進(jìn)后的噴頭是直接擠壓送料，漿料的輸送過程和噴頭的噴料過程是同時進(jìn)行的，因此無論材料的粘度是大還是小，僅僅需要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可以控制噴頭噴料的速度。第二，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)較為精確，因為往往噴頭的噴絲運(yùn)動所需的直線運(yùn)動的速度較小，普通絲杠螺母在緩慢運(yùn)動過程中，會有爬行現(xiàn)象。本發(fā)明中的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)中螺母與絲杠是滾動摩擦，因此在實際運(yùn)用的速度范圍內(nèi)無爬行現(xiàn)象的出現(xiàn)。并且經(jīng)過改進(jìn)后的噴頭，根據(jù)實驗的要求，可以進(jìn)一步細(xì)化漿料在擠出前的溫控過程。實現(xiàn)雙極溫控的過程，該過程可以細(xì)化加工支架組織結(jié)構(gòu)，對加工出具有納米纖維的組織工程支架有重要的作用。
[0009]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭工作原理圖；
圖2是微噴頭結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]
【具體實施方式】
[0012]如圖f圖3所示，本【具體實施方式】提供了一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，包括步進(jìn)電機(jī)1、滾珠絲杠2、固定板3、滾珠絲杠螺母5、加載平臺6、絲杠支架7、擠壓推桿8、噴頭9、噴頭支撐架10、加熱保溫裝置一 11、加熱保溫裝置二 12和噴嘴13，所述步進(jìn)電機(jī)I安裝在固定板3上的一側(cè)，噴頭支撐架10安裝在固定板3上的另一側(cè)，絲杠支架7安裝在固定板3上的中部，滾珠絲杠2設(shè)置在絲杠支架7上，滾珠絲杠2的一端與步進(jìn)電機(jī)I的輸出端相連接，滾珠絲杠螺母5與滾珠絲杠2組成滾珠絲杠副，加載平臺6與滾珠絲杠螺母5相連接，噴頭9設(shè)置在噴頭支撐架10上，擠壓推桿8的一端與加載平臺6相連接，擠壓推桿8的另一端與噴頭9內(nèi)的活塞8-1相連接，噴頭9的前端設(shè)有噴嘴13，加熱保溫裝置一 11設(shè)置在噴頭9上。[0013]進(jìn)一步的，還包括加熱保溫裝置二 12，所述加熱保溫裝置二 12設(shè)置在加熱保溫裝直一 11后部的嗔頭9上。
[0014]所述加熱保溫裝置一 11或加熱保溫裝置二 12中的加熱裝置為電阻加熱器，功率為 IOOw0
[0015]工作原理:
通過滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的圓周方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠螺母沿水平方向的直線運(yùn)動，通過加載平臺的直線運(yùn)動，直接擠壓噴頭內(nèi)部的漿料，將漿料從噴頭內(nèi)部噴射出去。擠出漿料的速度可以通過計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)；漿料擠出的溫度可以通過對噴頭內(nèi)部溫度的控制來實現(xiàn)。
[0016]滾珠絲杠和滾珠絲杠螺母組成了滾珠絲杠副，步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠螺母5與加載平臺固連，當(dāng)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)相連的步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲杠精密旋轉(zhuǎn)時，與滾珠絲杠精密配合的螺母及加載平臺產(chǎn)生精密的平移運(yùn)動，帶動擠壓推桿，使噴頭內(nèi)的漿料從噴嘴噴射出來。滾珠絲杠和噴頭通過絲杠支架、噴頭支撐架和固定板固連在一起。
[0017]所述的加載平臺為一直線滾動導(dǎo)軌，與相同的滑動導(dǎo)軌相比，摩擦系數(shù)較小(0.0003-0.0005)，因此用于直線低速小位移的情況下運(yùn)動靈活，不打滑，運(yùn)動精度高，定位精度也高可以達(dá)到0.lym-0.2 ym。同時在預(yù)緊后，剛度好，壽命長。根據(jù)噴頭使用條件以及精度要求選用THK的LM導(dǎo)軌SRS系列，型號為SRS12M UU+120L M，經(jīng)過對負(fù)載和容量進(jìn)行驗算，該導(dǎo)軌滿足要求。
[0018]滾珠絲杠副軸向剛度較高、運(yùn)動平穩(wěn)、傳動效率高、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長、低速不易爬行?？紤]本發(fā)明的使用條件，選用導(dǎo)程為Imm的THKBNK0801標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)程精密滾珠螺桿。然后根據(jù)整個噴頭的整體設(shè)計負(fù)載和壽命要求的情況下選擇BNK0801-3GT+145LC5Y M絲杠。由于行程短、運(yùn)動速度低，本滾珠絲杠采用一端固定、一端游動的支撐方式，可以減少絲桿熱變形帶來的影響，保持較高的定位精度。
[0019]擠壓時考慮取用漿料方便，擠壓推桿采用的是醫(yī)用一次性注射器。該注射器成本低，并可以直接從廣口瓶中吸取漿料。在注射器的外部，有加熱保溫裝置。其中加熱裝置為電阻加熱器，功率為100w。溫控裝置的溫度傳感器采用熱電偶裝置。溫控裝置核心采用日本FUJI公司生產(chǎn)的PXW-4溫控表。溫控表根據(jù)實時檢測得到的溫度值來控制加熱組件的運(yùn)行。
[0020]當(dāng)需要雙極溫控的時候，可以根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)，在噴頭處再加一個加熱保溫裝置，即可以實現(xiàn)漿料在擠出前的雙極溫控。在單級溫控的基礎(chǔ)之上只需多加一個加熱保溫裝置就可以達(dá)到雙極溫度控制的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，包括步進(jìn)電機(jī)(I)、滾珠絲杠(2)、固定板(3)、滾珠絲杠螺母(5)、加載平臺(6)、絲杠支架(7)、擠壓推桿(8)、噴頭(9)、噴頭支撐架(10)、加熱保溫裝置一(11)和噴嘴(13)，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)(I)安裝在固定板(3 )上的一側(cè)，噴頭支撐架(10 )安裝在固定板(3 )上的另一側(cè)，絲杠支架(7 )安裝在固定板(3)上的中部，滾珠絲杠(2)設(shè)置在絲杠支架(7)上，滾珠絲杠(2)的一端與步進(jìn)電機(jī)(I)的輸出端相連接，滾珠絲杠螺母(5)與滾珠絲杠(2)組成滾珠絲杠副，加載平臺(6)與滾珠絲杠螺母(5 )相連接，噴頭(9 )設(shè)置在噴頭支撐架(10 )上，擠壓推桿(8 )的一端與加載平臺(6)相連接，擠壓推桿(8)的另一端與噴頭(9)內(nèi)的活塞(8-1)相連接，噴頭(9)的前端設(shè)有噴嘴(13 )，加熱保溫裝置一(11)設(shè)置在噴頭(9 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，其特征在于，還包括加熱保溫裝置二(12)，所述加熱保溫裝置二( 12)設(shè)置在加熱保溫裝置一(11)后部的噴頭(9)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于三維微納米纖維支架制造的微噴頭，其特征在于，所述加熱保溫裝置一(11)或加熱保溫裝置二( 12)中的加熱裝置為電阻加熱器，功率為IOOw0
【文檔編號】B29C67/00GK103753818SQ201410025693
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】孫濤, 鄭雄飛, 翟文杰, 謝新春, 梁迎春 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)