基于3D打印的生物支架打印装置的制作方法

基于3d打印的生物支架打印装置
技术领域
1.本发明属于生物技术领域，涉及一种基于3d打印的生物支架打印装置。


背景技术：

2.在日常生活中，由于运动损伤、手术切除、先天骨缺失、车祸等各种创伤造成的肢体关节骨折骨缺损患者数量庞大，需要骨移植骨重建的患者越来越多，骨缺损部位的移植需要找到合适的骨材料。
3.由于在骨移植手术过程中，自体骨移植和异体骨移植存在着诸多问题，研究人员开始研究具有一定组织活性的人工骨修复材料，即在人工制成的材料中加入活体细胞或者诱导一些细胞进行分化，使人工合成的材料具有一定的组织再生能力。而传统的人工骨制造方法有其
4.固有的缺陷，这些制造方法往往不能精确的控制骨的尺寸、几何形状还有内部的微观结构，当患者人工骨和自身骨骼刚性不一致时，往往伤口很难愈合。其次传统制造方法往往无法解决骨缺损部位需要个性化定制化的问题。
5.3d打印技术能够解决上述问题，可以根据自身需求实现骨移植物的人工高精度制造，它通过将所需打印的物体进行计算机软件结构建模，根据所需可以设计人工骨的微观宏观结构，通过软件控制3d生物打印机通过挤压、光固化、选择性激光烧结等方法得到所需的人工骨结构。3d打印技术多余的材料经过加热融化以后可以再回收使用，同时，增材制造的方法可以更好地模拟出自身骨的力学特性和刚度，精细的内部结构也可以使骨细胞能更好的攀附生长，加速伤口的愈合。
6.激光生物打印、喷墨生物打印、挤出式生物打印为如今被广泛应用的三种生物3d打印方法。其中，挤出装置将材料通过喷头挤出到打印平台上，这个过程需要挤出装置的加热组件辅助将材料加热式其流动性增强。喷头按照计算机建模软件设定的轨迹移动，逐层成型。挤出成型工艺打印效果好，可以使用多种材料。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
8.一种基于3d打印的生物支架打印装置，包括外壳、运动机构、打印平台和挤出机构，其中，
9.所述运动机构、打印平台和挤出机构设置在外壳内，打印平台和挤出机构装配在运动机构上；
10.所述运动机构包括x轴机构2个、y轴机构1个和z轴机构1个，其中x轴机构包括x轴电机、x轴丝杠和x轴滑块，y轴机构包括y轴电机、y轴丝杠和y轴滑块，z轴机构包括z轴电机和z轴丝杠，其中，x轴电机驱动x轴丝杠转动，从而带动x轴滑块在x轴丝杠上平移；2个x轴滑块上设置y轴机构，2个x轴滑块同步运动，带动y轴机构运动，y轴电机驱动y轴丝杠转动，从而带动y轴滑块在y轴丝杠上平移；y轴滑块上固定挤出机构；
11.所述打印平台固定在z轴丝杠上，z轴电机驱动z轴丝杠转动，从而带动打印平台上下运动。
12.优选地，所述打印平台包括钢板、固定件、加热件、平台滑块、电阻线圈和玻璃平台，其中，平台滑块套接在z轴丝杠上，平台滑块上固定钢板，钢板上靠近平台滑块的一端设置固定件，固定件呈倒t形，在固定件上设置加热件，钢板上表面设置若干圈电阻线圈，用于加热；电阻线圈上方设置玻璃平台，玻璃平台与钢板套接，玻璃平台将电阻线圈区域覆盖。
13.优选地，所述加热件为圆弧形。
14.优选地，所述加热件包括热阻丝和温度传感器。
15.优选地，所述挤出机构包括挤出基座、挤出电机、挤出丝杠、挤出滑块、活塞、针筒、加热圈和喷头，其中，挤出基座与y轴滑块固定连接，挤出基座上设置挤出电机，挤出电机驱动挤出丝杠旋转，从而带动挤出滑块在挤出丝杠上运动，挤出滑块与活塞连接，活塞设置在针筒中，针筒中装载打印原料，针筒外周设置加热圈对针筒内的打印原料进行预设温度加热，针筒底部连接喷头，打印原料从喷头挤出。
16.优选地，所述挤出机构还包括传感器，设置在针筒外周进行温度采集。
17.优选地，所述挤出机构还包括可拆卸推板，与针筒和挤出基座分别可拆卸连接。
18.优选地，所述喷头底部为圆柱状，内径为0.8mm-1mm。
19.优选地，所述外壳的侧壁上，在挤出机构的相应位置设置取物门。
20.优选地，所述外壳为长方体盒状，亚克力材质。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
22.1)现有的挤出式3d生物打印机往往体积较大，用于制备大型人工骨；而本发明的3d打印机小型化且便于移动，同时结构简单精度高，可以满足小型骨的打印，例如手掌骨、指骨等；
23.2)打印材料的温度会影响打印材料的粘性，本发明的3d打印装置上具有温度控制反馈装置，可以提高打印精度，避免材料浪费；
24.3)不似以往的锥形喷头，本发明对喷头进行了改进，将喷头锥形面进行适当车削打磨，降低喷头粘料的情况。
附图说明
25.图1为本发明实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的结构示意图；
26.图2为本发明具体实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的运动机构结构示意图；
27.图3为本发明又一具体实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的打印平台结构示意图；
28.图4为本发明实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的挤出机构结构示意图；
29.图5为本发明实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的挤出机构剖面图；
30.图6为本发明实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的喷头对比图；
31.图7为本发明实施例的基于3d打印的生物支架打印装置的打印流程图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
34.术语说明：
35.1.亚克力：又称特殊处理的有机玻璃，是有机玻璃换代产品。
36.2.生物墨水：生物墨水，是可用于3d打印机的墨水，该研究成果是将组织或脏器经过处理去除细胞后生产成的一种“墨水”。
37.3.超净台：是为了适应现代化工业、光电产业、生物制药以及科研试验等领域对局部工作区域洁净度的需求而设计的。
38.4.联轴器：联接两轴或轴与回转件，在传递运动和动力过程中一同回转，在正常情况下不脱开的一种装置。
39.5.滚珠丝杠：是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品，以下用丝杠简称。
40.参见图1-5，所示为本发明实施例的一种基于3d打印的生物支架打印装置整体及运动机构、打印平台和挤出机构的结构图，包括外壳3、运动机构、打印平台11和挤出机构10，其中，
41.运动机构、打印平台11和挤出机构10设置在外壳3内，打印平台11和挤出机构10装配在运动机构上；
42.运动机构包括x轴机构2个、y轴机构1个和z轴机构1个，其中x轴机构包括x轴电机1、x轴丝杠8和x轴滑块81，y轴机构包括y轴电机2、y轴丝杠7和y轴滑块71，z轴机构包括z轴电机4和z轴丝杠6，其中，x轴电机1驱动x轴丝杠8转动，从而带动x轴滑块81在x轴丝杠8上平移；2个x轴滑块81上设置y轴机构，2个x轴滑块81同步运动，带动y轴机构运动，y轴电机2驱动y轴丝杠7转动，从而带动y轴滑块71在y轴丝杠7上平移；y轴滑块71上固定挤出机构10；
43.所述打印平台11固定在z轴丝杠6上，z轴电机4驱动z轴丝杠6转动，从而带动打印平台11上下运动。
44.整体机身具体采的是xyz箱体机型中的darwin式，即打印喷头16的移动方向为xy轴移动，打印平台11的移动方向为z轴移动，均采用滚珠丝杠充当驱动轴，z轴丝杠上的平台滑块20保持立起，滚珠丝杠的使用保证了高精度。在x轴方向上两边共采用了两个x轴电机1，y轴方向上采用一个y轴电机2，z轴丝杠采用一个z轴电机4，运动机构共使用了4个电机，挤出机构10使用了1个电机。框架9为长方体结构，由铝型材组成，铝型材使底座稳固性非常强，能保证打印装置在工作的时候不会发生变形，导致打印精度下降。框架9设置在外壳3内，为运动机构提供支撑，框架9的尺寸为300
×
350
×
400，选取型材尺寸30
×
30槽宽为8毫米铝型材，x轴丝杠8、y轴丝杠7和z轴丝杠的长度分别为260mm，340mm，360mm。同时，铝材之间采用连接件来保证铝型框架9稳定，t型螺栓均采用m8的规格。
45.作为生物打印装置，需要保证材料不受污染，全程打印打印机需要在无菌无尘的环境中进行，打印装置需要放置在超净台上进行打印。这里选用亚克力式的外壳3，亚克力成本较低，拼装简单，关键是质量非常小。使用亚克力式外壳3有保持打印区环境稳定、有利于操作者实时观察打印效果、重量轻，便于移动和拆卸的优点。在外壳3与z轴机构对侧的侧壁中心设有取物门25，在打印完成后打开取物门25，将生物骨架等打印成品取出。
46.运动机构采用步进电机加丝杠的方式，步进电机选57步进电机，型号为ss2305a42a，57步进电机的参数参见表1。
47.表1 57电机基本参数
[0048][0049]
通过联轴器与滚珠丝杠(在xyz三轴所用的滚珠丝杠中，z轴丝杠要求最高，z轴丝杠需带动上下方向的负载。z轴向上的负载约为1kg，具体实施例中选用公称直径为12的滚珠丝杠，导程选择为4mm，精度为c7)相连，框架9中x轴方向的铝材上安装有两根x轴丝杠8，两端的x轴电机1从单片机接收到脉冲信号跟脉冲频率之后，进行相应的转动，x轴电机1将转动通过联轴器传递给x轴丝杠8，然后x轴丝杠8将动力传递给x轴滑块81，让x轴滑块81进行x轴向上的平移运动。由于两个x轴丝杠8同步转动，可以保证两个x轴滑块81运动保持同步，在两个x轴滑块81上固定的y轴丝杠7，从而能保证y轴丝杠保持水平移动，进而能实现喷头16在y轴丝杠7上的平移移动。运用高精度的丝杠滑台，保证了喷头16在xy方向上的移动精度。在z轴方向上，运用一个立着的z轴丝杠6，带动打印平台11及其组件实现z方向上的上下运动。
[0050]
参见图3，打印平台11包括钢板17、固定件18、加热件19、平台滑块20、电阻线圈21和玻璃平台22，其中，平台滑块20套接在z轴丝杠6上，平台滑块20上固定钢板17，钢板17上靠近平台滑块20的一端设置固定件18，固定件18呈倒t形，在固定件18上设置加热件19，钢板17上表面设置若干圈电阻线圈21，用于加热；电阻线圈21上方设置玻璃平台22，玻璃平台22与钢板17套接，玻璃平台22将电阻线圈21区域覆盖。加热件19为圆弧形，包括热阻丝和温度传感器。
[0051]
z轴电机4转动通过联轴器带动z轴丝杠6转动，z轴丝杠6上的平台滑块20随之转动，平台滑块20和钢板17通过螺栓连接，从而带动整个打印平台11实现z轴上下移动。打印平台11的钢板17使用了较厚的钢材料，z轴丝杠6能承受较大的载荷，并且具有高精度，能够保证打印平台11在z轴方向移动的平稳性，钢板17本身也具有很高的刚性，不易变形，在打
印过程中能够保持打印平台11平稳。钢板17上方覆盖一层玻璃平台22，在钢板17和玻璃平台22之间夹有电阻线圈21，可以通电进行加热。同时，钢板17具有很好的导热性，能够在加热时使打印平台11快速升温，加快材料的凝固速率。
[0052]
将打印平台11中的固定部分设计成圆弧型，并将加热电阻丝置于圆弧式加热件19中，圆弧形既能有效的固定打印出的骨支架，并且圆弧形能够为打印材料提供均匀的加热，使各个部分的温度差不多，最终有利于形成性能均匀的骨移植物。圆弧式的加热件19保持在一定高度，能够有效对打印成型物体的中部进行加热，使打印物快速干燥，利于成型，做到高效打印。
[0053]
参见图4、图5，挤出机构10包括挤出基座101、挤出电机5、挤出丝杠12、挤出滑块、活塞24、针筒23、加热圈14和喷头16，其中，挤出基座101与y轴滑块71固定连接，挤出基座101上设置挤出电机5，挤出电机5驱动挤出丝杠12旋转，从而带动挤出滑块在挤出丝杠12上运动，挤出滑块与活塞24连接，活塞24设置在针筒23中，针筒23中装载打印原料，针筒23外周设置加热圈14对针筒23内的打印原料进行预设温度加热，针筒23底部连接喷头16，打印原料从喷头16挤出。挤出机构10还包括传感器15，设置在针筒23外周进行温度采集，使得加热圈14可以根据传感器15采集的温度进行加热温度调节，更加智能，使挤出的打印材料更加流畅、成型好。
[0054]
挤出电机5采用双极性步进电机，具体实施例中该电机的参数参见表2。
[0055]
表2挤出电机5技术参数表
[0056][0057]
挤出电机5与挤出丝杠12组合，两者之间通过联轴器相连，挤出电机5转动通过联轴器带动挤出丝杠12运动，从而带动活塞24运动。同时为了保证z轴上下移动的精度，挤出丝杠12两侧又增添两根导轨，这样设置可以让移动更加稳定，同时不易使轴心偏移。通过挤出电机5推动挤出丝杠12使活塞24移动的的传动方案具备移动精度高、定位精度高、结构简单，效率高、减少了机械损耗的优点。
[0058]
喷头16拟采用活塞24式的挤出方式，活塞24式挤出的优点有结构简单直观，易于控制和加工，操作方便等优点。活塞24式挤出喷头16在加料时只需取下针筒23拔出活塞24，将材料填充进去即可，同时，如果出现内壁有材料附着固化，可以立刻进行拆卸清洗。针筒23和挤出基座101之间采用压紧连接，压紧方式可参考现有技术方法。挤出机构10还设计加热圈14，由于打印骨支架的生物墨水粘性比较大，类似于水泥，需要设计加热装置将材料加热到熔融状态，使材料流动性更好。简单合理便捷的加热装置设计方式就是在针筒23外层包裹一个铝制的加热圈14，加热圈14内部有电热元件，外部包裹着铝合金材料，铝合金材料的导热性能比较好，可以将热量均匀传递给针筒23料管，使材料能够被快速加热，具有良好的流动性。
[0059]
挤出机构10还包括可拆卸推板13，与针筒23和挤出基座101分别可拆卸连接，用于稳定针筒23，在针筒23需要更换或加料时可拆卸。
[0060]
参见图6，喷头16直径的大小直接决定了挤出线条的粗细，进而影响成型的精度。具体实施例中，采用喷头16直径为0.8mm。现有技术中喷头形状参见图6中左侧，锥形易于加工，缺点在于锥形面容易沾上粘度较大的材料，为了降低喷头粘料的情况，将喷头16锥形面
进行适当车削打磨，表面粗糙度达到1.6，达到图6中右侧的本发明设计的结构。
[0061]
所需所执行的打印指令由计算机软件预先设定，系统的参数由输入预先确定，在计算机中用solidworks构建所需骨移植物的三维模型。通过软件控制3d打印机运动机构进行xyz轴精确移动，运动机构都采用了丝杠滑台，采用精度非常高的滚珠丝杠进行传动，步进电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，驱动滚珠丝杠传动，进而实现xyz轴的精确移动。设计的活塞24式喷头16外的加热圈14可让里面的打印材料保持近乎液体的状态，通过挤出丝杠12带动活塞24加压将加热的打印材料通过喷头16进行挤出，挤出的材料根据预先设定的指令一层一层打印于打印平台11上，打印平台11的加热件19和电阻线圈21可以使打印的每一层骨支架的水分蒸发，使骨支架刚刚好具备连接粘性又具有一定结构，打印平台11的温度传感器可以检测到某一部分温度过低过高，再将信息反馈给加热装置，进行温度调节，最终可以精确打印出所需要的骨支架。装置工作流程参见图7。
[0062]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。