Установка для формирования биосовместимых структур

Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам, применяемым для изготовления объемных изделий из порошковых материалов, и может быть использована в технологии создания биосовместимых имплантатов для замены и регенерации костных тканей. Установка состоит из инфракрасного лазерного устройства с оптической системой, технологической платформы, бункера, смесителя, системы нанесения, источника оптического излучения, увлажнителя и блока управления. Благодаря добавлению увлажнителя и лазерного устройства с излучением в диапазоне сильного поглощения воды установка позволяет получать трехмерные объекты и покрытия, состоящие исключительно из биосовместимого полимера.

Полезная модель относится к медицине, а именно к устройствам, применяемым для изготовления объемных изделий из порошковых материалов, и может быть использована в технологии создания биосовместимых имплантатов для замены и регенерации костных тканей.

Известна установка по селективному лазерному спеканию (E.N. Antonov, V.N. Bagratashvili, S.M. Howdle et al. Fabrication of Polymer Scaffolds for Tissue Engineering Using Surface Selective Laser Sintering // Laser Physics, 2006. V.16. N.5. P.774-787), состоящая из волоконного лазера, микроскопа с объективом, видеокамеры, инфракрасного регистратора, технологической платформы, способной перемещаться по двум взаимно перпендикулярным направлениям. В известной установке использовался волоконный лазер ЛС-0.97 (ИРЭ Полюс, Россия) с длиной волны 970 нм. К недостатком известной установки следует отнести то, что она не позволяла получать объемные объекты и покрытия в автоматическом режиме.

Известна установка порошковой лазерной стереолитографии (Заявка ФРГ 10053742, МПК7 B22F 3/105, B29C 47/04, B22C 7/00, опубл. 29.05.2002), включающая лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения и блок управления. В качестве лазерного устройства в известной установке используется непрерывный лазер с излучением в инфракрасном диапазоне длин волн. Известная установка, обладая возможностью получения изделий с заданной пористостью, не позволяет получать трехмерные объекты и покрытия с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, что значительно ограничивает области ее применения. Это связано с тем, что излучение используемого лазерного устройства не визуализируется, поскольку оно находится в инфракрасном диапазоне длин волн. Поэтому каркас со сложной геометрической формой поверхности трудно установить на технологической платформе точно в заданном месте.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является выбранная в качестве прототипа установка по селективному лазерному спеканию (патент РФ 100948), включающая лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения, излучатель видимого диапазона, плоскопараллельную пластину и блок управления, соединенный с лазерным устройством, элементами привода, бункером с системой подачи и системой нанесения.

Известная установка по селективному лазерному спеканию работает следующим образом. Предварительно бункер с системой подачи наполняют смесью порошков биорезорбируемого полимера и сенсибилизатора. При необходимости на технологическую платформу, используя световое пятно излучателя видимого диапазона, точно в заданном месте устанавливается каркас. Световое пятно излучателя видимого диапазона формируется его излучением, отраженным от плоскопараллельной пластины и сфокусированным оптической системой. Блок управления дает команду на бункер с системой подачи, откуда определенное количество смеси порошка поступает в систему нанесения. По команде с блока управления система нанесения наносит тонкий слой порошка на поверхность технологической платформы или на закрепленный на ней каркас и технологическая платформа с помощью элемента привода устанавливается так, чтобы фокус оптической системы расположился в нанесенном слое. Затем блок управления включает лазерное устройство и управляет перемещением оптической системы в горизонтальных направлениях с помощью элементов привода и технологической платформы в вертикальном направлении с помощью элементов привода так, что по заданной в блоке управления программе формируется конфигурация первого слоя. Далее процесс повторяется, и при этом формируются второй и последующие слои. В качестве сенсибилизатора обычно используется порошок углерода. Добавление порошка сенсибилизатора к порошку биорезорбируемого полимера производится для того, чтобы при лазерном воздействии обеспечить необходимое повышение температуры на границе зерен биорезорбируемого полимера, достаточное для его плавления.

Известная установка по селективному лазерному спеканию позволяет формировать биосовместимые структуры с заданной пористостью с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности. Основной недостаток известной установки заключается в не достаточно высоком качестве создаваемых трехмерных структур, поскольку в сформированной трехмерной структуре помимо биосовместимого полимера находится определенное количество порошка сенсибилизатора.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении качества сформированных трехмерных структур, а именно в создании установки, которая позволяет формировать трехмерные структуры, состоящие только из биосовместимого полимера.

Технический результат достигается установкой для формирования биосовместимых структур, включающей лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, бункер с системой подачи, систему нанесения, увлажнитель, излучатель видимого диапазона, плоскопараллельную пластину и блок управления, соединенный с лазерным устройством, элементами привода, бункером с системой подачи, системой нанесения и увлажнителем.

Техническим результатом от применения заявляемой полезной модели является возможность получения трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, состоящих только из биосовместимого полимера.

На фиг.1 схематически изображена предложенная установка для формирования биосовместимых структур. Она состоит из лазерного устройства (1) с оптической системой (2), горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода (3), технологической платформы (4), вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода (5), бункера с системой подачи (6), системы нанесения (7), блока управления (8), излучателя видимого диапазона (9), плоскопараллельной пластины (10) и увлажнителя (11).

Установка для формирования биосовместимых структур работает следующим образом. Предварительно бункер с системой подачи (6) наполняют порошком биосовместимого полимера, а увлажнитель (11) - водой. При необходимости на технологическую платформу (4), используя световое пятно излучателя видимого диапазона (9), точно в заданном месте устанавливается каркас. Световое пятно излучателя видимого диапазона (9) формируется его излучением, отраженным от плоскопараллельной пластины (10) и сфокусированным оптической системой (2). Блок управления (8) дает команду на увлажнитель (11), который наносит тонкий слой воды на поверхность технологической платформы (4) или на закрепленный на ней каркас. Блок управления (8) дает команду на бункер с системой подачи 6, откуда определенное количество порошка поступает в систему нанесения (7). По команде с блока управления (8) система нанесения (7) наносит тонкий слой порошка на поверхность технологической платформы (4) или на закрепленный на ней каркас и технологическая платформа (4) с помощью элемента привода (5) устанавливается так, чтобы фокус оптической системы (2) расположился в нанесенном слое. Затем блок управления (8) включает лазерное устройство (1) и управляет перемещением оптической системы (2) в горизонтальных направлениях с помощью элементов привода (3) и технологической платформы (4) в вертикальном направлении с помощью элементов привода (5) так, что по заданной в блоке управления (8) программе формируется конфигурация первого слоя. Далее процесс повторяется, и при этом формируются второй и последующие слои.

Достижение заявленного технического результата, а именно, создание установки для формирования биосовместимых структур, обеспечивающей получение трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, состоящих только из биосовместимого полимера, происходит за счет добавления увлажнителя. С помощью увлажнителя происходит увлажнение частичек порошка биосовместимого полимера. Лазерное излучение лазерного устройства поглощается в воде и разогревает ее до высоких температур, достаточных для плавления поверхности частичек биосовместимого полимера. В результате этого частички биосовместимого полимера склеиваются между собой, а остатки воды испаряются.

В качестве лазерного устройства может быть использован лазер достаточной мощности с длиной волны в области поглощения воды. В качестве излучателя видимого диапазона может быть использован гелий-неоновый лазер, излучающий в красном диапазоне длин волн, или стандартные излучатели на лазерных диодах, излучающие в видимом диапазоне длин волн. Увлажнитель может быть выполнен с использованием управляемого электромагнитного клапана и стандартной двухфазной форсунки, которая производит мелкодисперсное распыление воды потоком воздуха.

Авторами была изготовлена и испытана установка для формирования биосовместимых структур с применением в качестве лазерного устройства оптоволоконного лазера с длиной волны 1.9 мкм и максимальной мощностью 30 Вт. Излучение с такой длиной волны хорошо поглощается водой (коэффициент поглощения для воды составляет 114 см^-1.) В качестве излучателя видимого диапазона использовался гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм. Увлажнитель был выполнен с использованием стандартного управляемого электромагнитного клапана и двухфазной форсунки. В качестве порошка биосовместимого полимера использовался порошок полилактида (PLA, Alkermes, США) с молекулярным весом 83 кДа и размером частиц 60-150 мкм, смешанного с порошком мальтодекстрина (20% по весу) («Pure Carbo Line», Германия). С помощью данной установки были сформированы биосовместимые структуры в виде дисков высотой от 1 до 3 мм и диаметром 7 мм, состоящие только из биосовместимого полимера.

Таким образом, созданная установка для формирования биосовместимых структур позволила достичь заявленного технического результата, а именно, обеспечить получение трехмерных объектов и покрытий с использованием заранее изготовленного каркаса со сложной геометрической формой поверхности, состоящих только из биосовместимого полимера.

Установка для изготовления объемных биосовместимых изделий из порошковых материалов, включающая лазерное устройство с оптической системой, горизонтальное перемещение которой по двум взаимно перпендикулярным направлениям обеспечивают элементы привода, технологическую платформу для изготовления объемного изделия, вертикальное перемещение которой обеспечивает элемент привода, систему нанесения, бункер для порошка биосовместимого полимера с системой подачи порошка в систему нанесения на технологическую платформу, излучатель видимого диапазона, плоскопараллельную пластину и блок управления, соединенный с лазерным устройством, элементами привода, бункером с системой подачи и системой нанесения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит увлажнитель, соединенный с блоком управления.

РИСУНКИ