织工程载体支架的无加热沉积制造装备设计-开题报告

课题介绍：本设计属于人体组织工程载体框架制造工艺技术领域，其方法包括以下步骤：首先制备室温下含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体；根据用户的预先设计的路径，将上述两种液体在低于 0 度的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或喷射出来，逐层堆积成形为冷冻的多孔组织工程载体框架，然后在冻干机中冷冻干燥，去除溶剂后得到组织工程载体框架。课题名称：组织工程载体支架的无加热沉积制造装备设计课题背景：目前国际上组织工程的载体框架的成形方法一般使用发泡法，溶盐法，浸浆法和热相分离法等。这些工艺都遵循相似的原理。那就是通过间接的手段造孔，如加入发泡剂，糖，无机盐，多空海绵和有机溶剂等作为造孔剂，空隙的形态参数与造孔剂的选择有着直接的关系。例如浸浆法的典型工艺，聚氨酯海绵浸浆法就是将聚氨酯海绵浸如陶瓷浆料中，然后在 125C 干燥一小时，以 0.5C/Min 的速度加热到 500c，再以1Cmin 的速度加热至高温烧成。其工艺方法的原理如图 1，这中工艺方法只能成形烧结的陶瓷载体框架，而许多生物材料不能承受高温的加工过程，因此可用的材料受限制。图 1这些传统的组织工程载体框架制造工艺通常存在以下问题；1、难以形成 200 微米到 500 微米尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构，由于这些工艺都是简介造孔（通过发泡剂，无机盐等）很难实现对与载体框架孔隙结构的直接有效控制。成形的孔隙结构在一定程度上存在随意性。很难满足组织工程载体框架的形态参数要求200 微米到 500微米的尺寸范围，且相互贯通的可控孔隙结构。2、难以实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形。这种均匀孔隙结构与材料组成的载体框架，很难协调载体框架的降解性能与机械强度之间的矛盾。很难满足组织工程载体框架的复杂性能要求。3、难以实现用户化的载体框架制造。由于不同病例的组织缺损情况千差万别，需要针对具体的病例设计和制造载体框架，传统的工艺方法难以实现。 如果采用低温挤压喷射堆积成型的工艺方法，就可以克服传统的组织工程载体框架成型工艺的不足之处，提供一种组织工程载体框架制造的低温挤压，喷射堆积成形工艺，是其便于道道组织工程载体框架的形态参数要求及复杂的性能要求，实现孔隙梯度结构和材料梯度结构的成形，实现用户化的载体框架制造。该工艺可以按照以下步骤进行：1、将所需的组织工程载体框架材料和溶剂混合，制备成室温下的含组织工程载体框架材料的液体，并制备室温下含所需生长因子的液体。2、根据用户组织的具体结构以及预先设计的路径，将上述含组织工程载体框架材料的液体和含生长因子的液体在低于 0 度的低温环境中分别通过不同的喷头挤出或者喷射出来，逐层堆积成行为冷冻的多孔组织工程载体框架。3、将上述冷冻的组织工程载体框架送入冻干机中干燥，去除溶剂后即可得到组织工程载体框架。上述步骤中，1 步骤中所述的制备含组织工程载体框架材料的液体为含组织工程载体框架材料的溶液，悬浊液，乳浊液或者材料部分溶解的浆料，所述的室温下含所需生长因子的液体为包括生长因子的溶液，悬浊液，乳浊液或者生长因子部分溶解的浆料。该工艺方法的原理和特点：1、低温挤压喷射堆积成型工艺方法的原理是基于快速成型制造的离散/堆积基本原理，成形过程及框架的空隙结构可以根据预先的设计进行逐层堆积成型。因此孔隙尺寸有相互贯通性可以得到很好的控制。2、在该工艺中，材料的制备是在室温下采用溶剂溶解或液体悬浮的方式得到液态的成型材料而不采用任何加热的熔融的液态材料制备方式，因此，很好的保持了生物材料的生物活性，使本工艺具有广泛的材料适应性。3、该工艺采用冷冻干燥方法，将冷冻状态的组织工程载体框架中的溶剂去除，此工艺中溶剂的升华，留下了大量五十微米以下尺寸的相互贯通的微孔结构，提高了载体框架的空隙率。有利于载体框架的体内降解和再生组织的营养与代谢。4、由于本工艺采用快速成形工艺，在制造复杂形状方面的巨大柔性，可以实现用户化的载体框架制造。具体的工艺实施方式：组织工程载体框架的低温挤压喷射堆积成型工艺方法的原理图如下图所示：首先将组织工程载体框架材料和溶剂混合制备成室温下含组织工程载体框架材料的液体，制备室温下含生长因子的液体，不同的组织需要采用不同的组织工程载体框架材料。如：骨组织工程常采用可降解高分子材料，钙磷盐或他们的复合材料，血管组织工程常采用聚氨酯材料等等。不同的材料需要溶于不同的溶剂，有的材料不溶于溶剂，不容的部分制备成 10um 以下的粉料。制备室温下含组织工程载体框架材料的液体包括组织工程载体框架材料的溶液，悬浊液，乳浊液或该材料部分溶解的浆料，同样，不同组织需要不同的生长因子，不同的生长因子需要溶于不同的溶剂，有的生长因子不溶于溶剂，不容的部分制备成 10um 以下的粉料，制备室温下含生长因子的液体的溶液，悬浊液，乳浊液，生长因子部分熔接的浆料或生长因子均匀混合在前述含组织工程载体框架材料的液体内的混合物，然后按照预先的设计规定的路径，分别通过不同的喷头将含的组织工程载体框架材料液体和含生长因子的液体在低于 0C 的低温环境中挤出或喷射出来，逐层堆积并冷冻成多空的组织工程载体支架，采用此工艺方法的制备原理如图 3 所示。按照预先的设计规定的路径，喷头组 3 将贮藏在储料罐组 2 中的液态原料，分别通过挤出或喷射的方式，在低于 0C 的低温成形室 5 中逐层堆积到工作台 1 上。得到冷冻的组织工程载体框架 4，框架的孔隙结构可以通过预先的设计，可以通过计算机或者其他方式控制喷头的扫描运动的轨迹来得到。孔隙尺寸和相互贯通性可以得到更好的控制，喷头组中的个喷头均可以通过在控制下做独立的扫描运动。挤出/喷射不同的材料，根据预先的是设计成形的材料梯度结构，将冷冻的 载体框架在冻干机中冷冻干燥。溶剂去除后得到用于组织修复的组织工程载体框架。图 2 图 31.1 无加热沉积制造的设备与工艺在各种快速成形工艺中，基于挤出/喷射成形的快速成形工艺是最适合于组织工程支架成形的工艺。因为这类工艺对于成型材料有着更为广泛的适应性，如图所示，在这类快速成型的工艺中，喷头在计算机的控制下将材料的液态或半固态细丝微粒挤出、喷射出来在工作台面上逐层沉积成为三维的实体。 在整个的成型的过程中，由于对于不同的组织，材料不是单一的，而是复合的，因此，就要求，这种喷头的数目不是一个，而是根据实际的需要设置多个喷头，如下图示：此图是一个四喷头的沉积制造专用设备结构示意图。为了实现支架材料的挤出/ 喷射成型，须按照以下步骤：1：首先通过非加热的方法制备液态或者是半固态的材料。2：将不同的液态材料装入不同的送料罐中，在每个罐的底部有一跟输料软管分别与喷头相连。这当中，由于各种材料的流体力学性能不一致，因此喷头的结构也不尽相同。3：在计算机中的电子模型的直接驱动之下，逐层通过喷头的挤出/喷过程，堆积制造复杂的三维载体支架。喷头在计算机的独立控制之下，按照预先的设计路径和顺序在 XY 平面内独立做挤出/喷射和扫描运动。整个成型过程在低温冰箱提供的环境中完成。XY 扫描工作台在指令的控制下运动，每完成一个断面的扫描，由步进电机控制工作台向下运动一个层高。4：制造出支架以后，经过冷冻和干燥处理。去除支架中的溶剂和水分，得到常温下为固态的组织工程载体支架工作内容和要求：本毕业设计的内容主要是 X-Y 扫描工作台，Z 轴工作台以及整机布局的设计，以及电控部分的初步设计。X-Y 向工作台采用光杠导向，伺服电机驱动，滚珠丝杠传动，Z 向工作台通过光杠导向，步进电机驱动，螺杆螺母传动。电控部分主要由单片机 8031 及键盘、显示器、I/ O 接口、光电隔离电路、D/A转换电路、伺服电机、步进电机、测速发电机,功率放大电路等组成。课题的重点和难点：1工作台机械部分设计：1：工作台在 XY 向上由于重复定位精度比较的高，考虑采用闭环控制，工作台在 XY 向上由直流伺服电机驱动，电机经过减速机构，通过滚珠丝杠来带动工作台运动，用光电编码器作为测量反馈元件。XY 向必须安装限位开关。难点在与丝杠的选型和计算2：工作台在 Z 轴上运动时，只需要按照层高不断下降，因此，完全可以使用一个步进电机，通过减速机构带动丝杠驱动工作台向下运动。出于对安全的考虑，必须要安装限位开关（可用一个简单的行程开关来实现） ，在工作台碰到开关之后，立即停止运动。难点在于步进电机的选择和计算，以及螺杆落幕的设计。2：工作台电路部分设计：1：电控系统考虑用 MCS-51 系列单片机控制，其典型代表为8031，8031，8751.经过比较，采用具有价格低，功能强，使用灵活等有点的 8031 有扩展系统的单片机。难点在于 8031 的外界电路2：使用 8031 外接 2764（EPROM） ，6264(RAM)，以及 8155（扩展 I/O 接口）等芯片扩展成一个简单的微机控制系统，编制的用户程序由键盘输入，修改程序也可以由键盘来完成。程序存入外部 RAM。系统中有始终电路模块，复位和复位电路，数码显示接口电路，光电耦合器等等。难点在于 8031 的扩展接口和伺服电机的连接。可能用到的知识和技能：机械设计，机械制造，CAD 制图，电工学，微机接口技术，单片机原理。需要自学的知识和技能：单片机编程，滚珠丝杠选择计算。螺杆计算。步进电机以及伺服电机相关知识。工作计划3.264.02 查资料，调研，定设计方案，提交开题报告。4.034.23 设计，计算，修改设计方案。4.245.21 绘制装配图，教师审核电子版图纸。5.226.11 撰写说明书，修改装配图，绘制其他图纸，教师审核说明书6.216.18 集中出图，打印说明书，准备答辩。参考文献：1. 颜永年，熊卓著.组织工程载体框架的低温挤压/喷射堆积成形工艺方法.发明专利申请说明书2. 黄树槐.快速成形数据处理及若干关键技术的研究.华中科技大学 2001 年博士论文3. 黄树槐，马黎快速原型制造(RPM)技术的进展.中国机械工程，1997,4. 尹希猛，王运赣，黄树槐.快速成形技术一90年代新的造型工具