熔體電紡直寫系統設計與實現

勞劍東，王 晗，吳佩萱，胡 峰，蔡 念，李 響

（廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州510006）

0　引言

熔體靜電紡絲技術是制造聚合微納米纖維[1]一種有效方法，原理是通過強電場拉伸聚合物溶液或熔體形成噴射流沉積來制造納米纖維，它能夠產生與細胞外基質纖維相似的無紡布纖維結構[2]，顯示出作為組織工程支架[3]的巨大潛力。

熔體電紡直寫裝置研發是所有工藝研究的基礎，但對于熔體電紡裝置研究仍處于初級階段。Dalton[4]等開發了XY運動平臺，并在玻璃收集器上沉積混合聚合物和確定最佳靜電紡絲參數。Farrugia[5]等搭建了二維運動平臺，通過控制收集速度與平臺運動速度制備了方向可控的三維立體聚合物。雖然各科研機構研發的熔體電紡直寫裝置組成類似，但仍沒出現可推廣的成熟的商業化設備。目前熔體電紡直寫系統存在收集平臺運動精度低、熔融噴頭加熱方式安全性低、對熔體粘度要求高、軟硬件開發周期長、操作繁瑣、功能單一等問題。

PC機硬件平臺具有通用性和優異的性價比，可以利用與其相配的大量通用軟件完成數控系統的軟件開發[6]。本文根據熔體電紡直寫工藝技術的要求，搭建X、Y、Z三軸運動平臺，基于“PC+固高運動控制卡”的形式構建數控系統[7]的硬件平臺，在Windows 7上采用vs2010作為開發平臺編寫上位機控制系統軟件，自主研發一套滿足工藝要求的高精度、多模式且操作簡易的熔體電紡直寫系統，最后通過圖案化的沉積實驗驗證其可行性。

1　電紡直寫裝置總體設計

熔體電紡直寫裝置運動平臺是一種多軸運動的機械裝置，按功能劃分為四大系統，總體設計如圖1所示。

圖1　實驗裝置總體設計

X軸、Y軸水平于大理石工作臺形成平面運動模組，纖維收集裝置為薄的導電玻璃，通過真空吸盤固定在XY平面運動模組上，通過控制XY軸聯動，可實現圖案化的纖維軌跡。Z軸垂直于大理石工作臺面，軸上安裝有熔融噴頭，其主要用來調節熔融噴頭針頭到收集裝置的距離。熔融噴頭內置數字式溫度控制器，可直接控制噴頭熱電阻的加熱溫度并且反饋到顯示器，實現溫度的準確控制。此外還有用于產生高壓電場的高壓電源、實時采集噴射流狀態的攝像頭以及用于控制噴射流量的氣壓控制器。

2　系統硬件設計

熔體電紡直寫系統的硬件是基于PC+運動控制卡的開放式數控系統結構搭建，主要由輸入輸出設備、工控機、人機界面、固高運動控制卡、直線電機及其驅動器、光柵尺以及限位開關等部分組成。上位機采用研華工控機，性能穩定；運動控制卡選用固高公司的GTS-400-PV-PCI，該控制卡是在高速數字信號處理器DSP及大規模可編程邏輯器件FPGA的基礎上發展而來，可以實現高性能的控制計算及高速的點位運動，控制卡安插在主機PCI插槽與上位機通信；直線電機驅動器為Akribis公司的 ASD240-0309S1J1，與控制器端子板相連；除此，為了實時反饋運動平臺的位置信息以及防止直線電機超工作行程的運動，X、Y、Z軸上還安裝有光電式限位開關和雷尼紹高分辨率增量式光柵尺作為位置反饋系統一部分，其反饋信號接入端子板進而給控制器處理，構成閉環控制系統，其控制系統原理圖如圖2所示，搭建完成的熔體電紡直寫裝置實物結構如圖3所示。

圖2　控制系統原理圖

圖3　熔體電紡直寫裝置實物結構圖

3　系統軟件設計

上位機的功能是通過人機界面管理和監測控制系統的正常運行，固高GTS-400運動控制卡提供了能滿足多種運動要求的開源函數庫和Windows動態鏈接庫，可實現點位、點動、插補等運動模式。開發者只需要根據控制系統的要求，編寫友好的人機界面，通過調用固高控制卡中功能豐富的函數庫，可簡單快速地實現控制系統軟件開發。

3.1　控制軟件整體功能設計

熔體電紡直寫裝置控制系統主要功能是通過控制X、Y軸平面運動模組，配合帶熔融噴頭的Z軸，收集沉積在導電玻璃片上的特定軌跡和形貌的纖維。同時在多軸平臺的運動過程中，需要實時監測其運動參數。因此，軟件需要有點動、點位以及復位等基本軸運動功能，為了滿足傳統的數控系統軟件功能，因此軟件還需要能讀取和解析G代碼文件，DXF文件。實驗裝置一個重要的應用是打印組織工程支架，為了方便操作，需要集成一個專門為打印組織工程支架實驗服務的模塊，而在實驗中因大量參數變量需要記錄，為了操作簡便和易用性，可以增加一個歷史參數模塊，以便記錄實驗中的參數變量。除此之外，還有實時監測運動狀態的功能等，而具體軟件功能模塊如圖4所示。

圖4　軟件功能模塊設計

3.2　控制軟件界面功能簡介及操作流程

控制軟件是在window7系統上，以visual studio2010作為編譯器，使用QT插件提供庫函數進行編寫。QT是一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架，良好封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好，并且QT提供了豐富的API，相較于傳統的MFC開發來說是非常方便，根據軟件功能模塊設計，編寫的軟件界面如圖5所示。

圖5　數控系統用戶軟件界面

該軟件操作十分簡便，首先打開控制軟件，在上位機與控制卡成功通訊后，可以加載軸配置文件。根據實驗要求，可選擇不同的加工軌跡路徑文件，文件格式目前支持常用的Gcode和DXF格式文件，還有已經集成在軟件中的組織工程之間路徑模塊。確定好軌跡路徑后需要實驗參數即可啟動平臺運動，在操作軟件上可實時監控軌跡以及平臺運動狀態，出現運行的異常情況可以中斷平臺運動，調整實驗條件后重新開始實驗。

4　圖案化軌跡程序設計及驗證

4.1　圖案軌跡規劃

熔體電紡直寫裝置控制系統研發的目的是通過控制X、Y平面運動模組的聯動，配合Z軸上的熔融噴頭噴射的聚合物熔體沉積出圖案化的軌跡，因此不同的圖案會產生不同的軌跡規劃問題。軌跡的規劃思路是通過一維纖維沉積構建二維圖案，繼續通過二維圖案的堆疊形成三維立體結構。

程序編寫思路是把一維網格纖維的沉積分解為兩層，每次運動將其分解為X或Y方向上的點位運動。沉積軌跡設計如圖6所示。

圖6　沉積路徑設計

4.2　控制系統驗證實驗

為了驗證控制系統以及路徑軌跡規劃的可行性，本文將使用PCL800C作為沉積材料，按照上述規劃的的路徑打印聚合物三維網格支架，實驗結果如圖7所示。在宏觀上（圖7（a））可以看沉積的立體網格圖案規律地堆積在導電玻璃上，通過掃描電鏡（型號：HITACHI TM3030）觀察（圖 7（b））可以看到每一層的材料按程序設計的路徑堆疊在一起。

圖7　沉積驗證實驗

實驗條件：材料 PCL 800C，加熱溫度140℃，收集間距5 mm，施加電壓6.47 kV，進料壓力13 kPa，堆疊層數100

5　結束語

本文介紹了熔體電紡直寫系統總體設計，采用工業計算機結合固高運動控制卡的形式構建數控系統的硬件平臺，闡述了硬件平臺的結構原理及控制方案。利用vs2010作為開發平臺編寫上位機控制系統軟件，介紹了軟件的界面和操作流程。根據組織工程中對生物支架的要求，設計了打印立體柵格支架的路徑軌跡方案，詳細闡述了軌跡程序編寫的流程及關鍵代碼，最后通過圖案化的沉積實驗驗證了熔體電紡直寫系統的可行性，為相關研究提供參考。

參考文獻：

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[2]Khorshidi S，Solouk A，Mirzadeh H，Mazinani S，Lagaron J，Sharifi S，et al.A review of key challenges of electrospun scaffolds for tissue-engineering applications[J].JOURNAL OF TISSUE ENGINEERING AND REGENERATIVE MEDICINE.2016，10（9）：715-738.

[3]Ingavle GC，Leach JK.Advancements in Electrospinning of Polymeric Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering[J].Tissue Engineering Part B：Reviews.2014，20（4）：277-293.

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[5]Farrugia BL，Brown，TD，Upton Z，Hutmacher DW，Dalton PD，Dargaville TR.Dermal fibroblast infiltration of poly（εcaprolactone）scaffolds fabricated by melt electrospinning in a direct writing mode[J]．Biofabrication，2013，5（2）：25001-25011．

[6]趙春紅，秦現生，唐 虹.基于PC的開放式數控系統研究[J].機械科學與技術，2005（09）：1108-1113.

[7]張海浪，舒志兵，鄭之開.基于開放式數控系統的輔助控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術，2017（01）：82-84，88.