申请/专利权人：北京化工大学

申请日：2019-05-24

公开（公告）日：2024-02-02

公开（公告）号：CN110042058B

主分类号：C12M3/00

分类号：C12M3/00;C12M1/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.02#授权;2019.08.16#实质审查的生效;2019.07.23#公开

摘要：本发明公开了一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，属静电纺丝领域。主要包括熔体单针针头固定台、熔体单针针头、正面照明灯、绝缘可伸缩收集板、电极板、绝缘升降台等。通过熔体单针针头中聚合物的加入并预热和静电发生器开启后，利用气动挤出系统挤料进行支架制备，在电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、固定滑杆和滑道的调控下来改变绝缘可伸缩收集板的角度，并通过已经安装好的十字滑台和自转角度杆来保持绝缘可伸缩收集板的角度，达到改善纤维搭接挠度的目的，从而制备出能够有效搭桥的细胞支架。该装置所制备支架的纤维能够有效搭桥，进而增大细胞支架的孔隙率，使其更加有利于细胞的穿透、增殖生长与新陈代谢。

主权项：1.一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：包括熔体单针针头固定台、熔体单针针头、正面照明灯、绝缘可伸缩收集板、电极板、绝缘升降台、上滑台、下滑台、PLC控制系统、步进电机、高度滑台、电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、滑台自转角度杆连接件、侧面照明灯、固定滑杆、滑道和箱体，其中熔体单针针头固定台安装在箱体上方，熔体单针针头插入熔体单针针头固定台中心的圆孔，箱体正面墙壁和侧壁安装正面照明灯和侧面照明灯，上滑台、下滑台、高度滑台和公转角度盘分别装入步进电机，高度滑台按照竖直方向将其底部装嵌在箱体右壁，上滑台底部和下滑台移动滑台部分进行螺纹连接组成十字滑台，绝缘可伸缩收集板利用螺纹连接装嵌在上滑台的移动滑台部分，滑道自转角度杆连接件利用螺纹连接装嵌在下滑台的底部，自转角度杆弹簧按钮的一端安装在滑道自转角度杆连接件的圆槽内，并与圆槽内的两圆孔契合，电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、固定滑杆和滑道相互安装后进行绝缘可伸缩收集板的角度调节，电动伸缩杆利用螺纹连接安装在高度滑台的移动滑台部分上，电极板安装在箱体中间隔层的绝缘升降台，绝缘升降台则是安装在箱体的隔层上，箱体隔层下则是PLC控制系统；挤料系统由点胶机和空气压缩机组成的气动挤料系统，或是使用机械传动的柱塞式挤料系统；熔体单针针头替换成溶液单针注射器，将挤料装置设置成计量泵。

全文数据：一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置技术领域本发明涉及一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，属静电纺丝领域。背景技术组织工程学自1987年美国国家科学基金提出至今，在短短不到20年的时间取得了突飞猛进的发展，细胞支架作为组织工程学中的研究热点一直被学者们广泛研究，其中经大量研究所证实，细胞支架的孔隙率越高，越有利于细胞的穿透、增殖生长和新陈代谢。熔体静电纺丝直写技术，结合了3D打印技术和溶液静电纺丝技术的优点，具有纤维直径更细、无毒性溶剂参与、纤维能够可控搭接和制备的支架具有一定的机械强度等特点，成为制备细胞支架前景广阔的技术。人工合成材料具有生物相容性、生物降解性和降解时间可控等特点，使其成为制备细胞支架的重点研究对象，结合熔体静电纺丝直写技术所制备的支架，具有降解时间可控、孔隙率高、纤维能够可控搭接且可以形成稳定的三维结构等独特优势，但在支架中的超细纤维能否稳定搭桥一直是研究难点。所谓细胞支架的搭桥，可定义为假设细胞支架是三层支架，第一层二维支架是多根相互平行且距离相等的纤维直线段，第二层二维支架垂直于第一层二维支架，且是相互平行并距离相等的纤维直线段，第三层二维支架与第一层二维支架位置重合，并且也是多根相互平行且距离相等的纤维直线段，其中第三层二维支架的塌陷程度极小，即能够与第一层二维支架保持一定距离且形成孔隙，此现象即为细胞支架的搭桥。由此可见，细胞支架的搭桥有利于其孔隙率的提高，从而提高细胞支架的培养性能。根据材料力学的知识，细长物体如梁或柱的挠度是指在变形时其轴线上各点在该点处轴线法平面内的位移量。当其水平轴线以任意一端点为轴心进行旋转，旋转角度越大，细长物体的弯曲程度即挠度越小，当其旋转90°时，细长物体的弯曲程度为零。现有一系列通过改变平台位置进行加工的机械装置，如：专利一种可转动成型平台式等离子金属丝材3D打印设备CN206578296U公布了一种通过X-Y轴向旋转以改变成型基台平面的倾斜方向的装置；专利一种可制造大角度悬臂结构件的激光多维打印装置及方法CN103394693A公布了一种工作平台与Z轴传动装置的联接处设置的绕X轴转动机构和工作平台的中心位置上设置的绕Z轴转动机构的装置，虽然以上两种专利均有通过改变平台位置的方式来设计产品，但是目前的装置却没有一种通过改变平台角度来改善细胞支架制备的装置。因此针对这一问题，提出了一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，利用收集板的角度改变减小纤维搭接时的挠度，从而减小纤维搭接时的弯曲程度，达到有效搭桥的目的，从而增大细胞支架的孔隙率，改善细胞支架的培养性能，使得所制备的细胞支架更加有利于细胞的穿透、增殖生长与新陈代谢。发明内容本发明以制备有效搭桥的细胞支架为目的，基于材料力学的原理，提出通过改变收集平台的角度来减小纤维搭接时的挠度，从而减小纤维的弯曲程度，使得细胞支架能够有效搭桥，从而使得所制备的细胞支架更加有利于细胞的穿透、增殖生长与新陈代谢。本发明提出一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置。该装置包括：熔体单针针头固定台、熔体单针针头、正面照明灯、绝缘可伸缩收集板、电极板、绝缘升降台、上滑台、下滑台、PLC控制系统、步进电机、高度滑台、电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、滑台自转角度杆连接件、侧面照明灯、固定滑杆、滑道和箱体。其中熔体单针针头固定台安装在箱体上方，熔体单针针头插入熔体单针针头固定台中心的圆孔，箱体正面墙壁和侧壁安装正面照明灯和侧面照明灯，上滑台、下滑台、高度滑台和公转角度盘分别装入步进电机，高度滑台按照竖直方向将其底部装嵌在箱体右壁，上滑台底部和下滑台移动滑台部分进行螺纹连接组成十字滑台，绝缘可伸缩收集板利用螺纹连接装嵌在上滑台的移动滑台部分，滑道自转角度杆连接件利用螺纹连接装嵌在下滑台的底部，自转角度杆弹簧按钮的一端安装在滑道自转角度杆连接件的圆槽内，并与圆槽内的两圆孔契合，电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、固定滑杆和滑道相互安装后进行绝缘可伸缩收集板的角度调节，电动伸缩杆利用螺纹连接安装在高度滑台的移动滑台部分上，电极板安装在箱体中间隔层的绝缘升降台，绝缘升降台则是安装在箱体的隔层上，箱体隔层下则是PLC控制系统。本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，挤料系统既可以使用由点胶机和空气压缩机组成的气动挤料系统，也可以使用机械传动的柱塞式挤料系统，前者可以保证挤料过程中能够稳定出料，在细胞支架制备过程更加稳定，后者则能够保证不会出现类似于前者的漏气现象，使得挤出所得数据在实验或制备支架方面更加准确。本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，可将熔体单针针头替换成溶液单针注射器，将挤料装置设置成计量泵，从而可以使用天然生物材料进行细胞支架的制备，例如胶原、壳聚糖、藻酸盐等。本发明所具有的优点和效果是：本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，通过改变收集平台的角度来减小纤维搭接时的挠度，从而减小纤维的弯曲程度，即塌陷程度，使得本发明所制备的细胞支架与普通水平放置收集平台所制备的细胞支架相比，前者孔隙率更高，从而更加有利于细胞的穿透、增殖生长与新陈代谢，而且，在制备同一细胞支架的过程中，通过不同程度改变收集平台的角度，可使得同一细胞支架实现层与层之间的搭桥程度不同，这不仅可以让孔隙率得到一定的控制，还可以通过这种方式制备层与层之间不同孔隙率的细胞梯度支架，从而让细胞支架在微观角度更能做到仿生，即模拟细胞外基质的环境，使其更加有利于细胞的增殖、生长及分化。附图说明图1是本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置示意图；图2是本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置的局部结构示意图；图3是本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置的公转角度盘结构示意图；图4是本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置的自转角度杆与与滑台自转角度杆连接件的连接示意图；图5是本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置的自转角度杆和绝缘可伸缩收集板工作示意图，a-起始位置，打印第一层，b-平台顺时针旋转90度；c-打印第二层；d-平台再旋转90度；e-打印第三层；f-支架三维示意图。图中：1-熔体单针针头固定台；2-熔体单针针头；3-正面照明灯；4-绝缘可伸缩收集板；5-电极板；6-绝缘升降台；7-上滑台；8-下滑台；9-PLC控制系统；10-步进电机；11-高度滑台；12-电动伸缩杆；13-自转角度杆；14-公转角度盘；15-公转角度杆；16-滑台自转角度杆连接件；17-侧面照明灯；18-固定滑杆；19-滑道；20-箱体。具体实施方式本发明提出一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置。如图1所示，该装置包括：熔体单针针头固定台1、熔体单针针头2、正面照明灯3、绝缘可伸缩收集板4、电极板5、绝缘升降台6、上滑台7、下滑台8、PLC控制系统9、步进电机10、高度滑台11、电动伸缩杆12、自转角度杆13、公转角度盘14、公转角度杆15、滑台自转角度杆连接件16、侧面照明灯17、固定滑杆18、滑道19和箱体20。其中熔体单针针头固定台1安装在箱体20上方，熔体单针针头2插入熔体单针针头固定台1中心的圆孔，箱体20正面墙壁和侧壁安装正面照明灯3和侧面照明灯17，上滑台7、下滑台8、高度滑台11和公转角度盘14分别装入步进电机10，高度滑台11按照竖直方向将其底部装嵌在箱体20右壁，上滑台7底部和下滑台8移动滑台部分进行螺纹连接组成十字滑台，绝缘可伸缩收集板4利用螺纹连接装嵌在上滑台7的移动滑台部分，滑道自转角度杆连接件16利用螺纹连接装嵌在下滑台8的底部，自转角度杆13弹簧按钮的一端安装在滑道自转角度杆连接件16的圆槽内，并与圆槽内的两圆孔契合，电动伸缩杆12、自转角度杆13、公转角度盘14、公转角度杆15、固定滑杆18和滑道19相互安装后进行绝缘可伸缩收集板4的角度调节，电动伸缩杆12利用螺纹连接安装在高度滑台11的移动滑台部分上，电极板5安装在箱体20中间隔层的绝缘升降台6，绝缘升降台6则是安装在箱体20的隔层上，箱体20隔层下则是PLC控制系统9。本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，挤料系统既可以使用由点胶机和空气压缩机组成的气动挤料系统，也可以使用机械传动的柱塞式挤料系统，前者可以保证挤料过程中能够稳定出料，在细胞支架制备过程更加稳定，后者则能够保证不会出现类似于前者的漏气现象，使得挤出所得数据在实验或制备支架方面更加准确。本发明一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，可将熔体单针针头2替换成溶液单针注射器，将挤料装置设置成计量泵，从而可以使用天然生物材料进行细胞支架的制备，例如胶原、壳聚糖、藻酸盐等。如图1～4所示，支架制备过程如下：打开电源使熔体单针针头2预热一段时间，随后加入聚合物进行加热，加热一段时间后利用挤料系统开始挤料，当熔体单针针头2出料均匀时，同时开启连接在电极板5的静电发生器使得电极板5与已经接好地线的熔体单针针头2之间形成高压静电场，通过PLC控制系统9的调控，对上滑台7、下滑台8和高度滑台11进行控制，使得由熔体单针针头2挤出的纤维以某种编程的形式，例如G代码等，如图5所示，在绝缘可伸缩收集板4的倾斜方向上进行细胞支架的直写，其中熔体单针针头2在直写过程中不动，绝缘可伸缩收集板4在直写过程中移动，在这里以制备多层十字网格细胞支架为例，假设绝缘可伸缩收集板4的倾斜角度是45°，如图5a所示，假设其为绝缘可伸缩收集板4的起始位置，在起始位置完成第一层二维支架的直写后，如图5b所示，将绝缘可伸缩收集板4利用自转角度杆13顺时针旋转90°，如图5c所示，在此位置继续在绝缘可伸缩收集板4的倾斜方向上打印第二层二维支架，第二层二维支架直写完成后，如图5d所示，绝缘可伸缩收集板4再利用自转角度杆13顺时针旋转90°，如图5e所示，继续按照上述方法直写第三层二维支架，第三层二维支架直写完成后，如图5f所示，即为直写出的三层支架三维示意图。以此类推，直写多层三维细胞支架，使得制得的细胞支架能够有效搭桥，从而更加有利于细胞的穿透、增殖生长与新陈代谢。其中通过调节绝缘升降台6的高度能够改变电场强度，从而改变纤维直径；通过电动伸缩杆12缩短，固定滑杆18在滑道19向右移动，公转角度盘14逆时针旋转带动公转角度杆15，增大自转角度杆13与竖直方向的角度，再将绝缘可伸缩收集板4伸长以达到原接收距离，从而在不改变接受距离的情况下增大绝缘可伸缩收集板4的收集角度，反之，则是减小其收集角度，所以本装置可根据材料的不同、温度的不同等情况对绝缘可伸缩收集板4进行角度调节来调节纤维搭接挠度，改变纤维的塌陷程度，从而使得细胞支架能够实现不同程度的有效搭桥。

权利要求：1.一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：包括熔体单针针头固定台、熔体单针针头、正面照明灯、绝缘可伸缩收集板、电极板、绝缘升降台、上滑台、下滑台、PLC控制系统、步进电机、高度滑台、电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、滑台自转角度杆连接件、侧面照明灯、固定滑杆、滑道和箱体，其中熔体单针针头固定台安装在箱体上方，熔体单针针头插入熔体单针针头固定台中心的圆孔，箱体正面墙壁和侧壁安装正面照明灯和侧面照明灯，上滑台、下滑台、高度滑台和公转角度盘分别装入步进电机，高度滑台按照竖直方向将其底部装嵌在箱体右壁，上滑台底部和下滑台移动滑台部分进行螺纹连接组成十字滑台，绝缘可伸缩收集板利用螺纹连接装嵌在上滑台的移动滑台部分，滑道自转角度杆连接件利用螺纹连接装嵌在下滑台的底部，自转角度杆弹簧按钮的一端安装在滑道自转角度杆连接件的圆槽内，并与圆槽内的两圆孔契合，电动伸缩杆、自转角度杆、公转角度盘、公转角度杆、固定滑杆和滑道相互安装后进行绝缘可伸缩收集板的角度调节，电动伸缩杆利用螺纹连接安装在高度滑台的移动滑台部分上，电极板安装在箱体中间隔层的绝缘升降台，绝缘升降台则是安装在箱体的隔层上，箱体隔层下则是PLC控制系统。2.根据权利要求1所述的一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：挤料系统由点胶机和空气压缩机组成的气动挤料系统，或是使用机械传动的柱塞式挤料系统。3.根据权利要求1所述的一种制备有效搭桥细胞支架的熔体静电纺丝直写装置，其特征在于：熔体单针针头替换成溶液单针注射器，将挤料装置设置成计量泵。

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