如果你不能买,你必须建立它。这是我们在Walla Walla University所需用于生物工程的生物工程的血管组织时,这是我们的局势,发现现有的解决方案是不可接受的。

除了我们的团队,其他人需要为他们的研究项目提供机器,提供额外的动机。

我们建造了一台新机器,以满足我们的需求,任何参与大学或生物技术公司的组织工程或生物材料研究的人都可能会发现我们的纳米纤维生产(静电型机)的方法特别有用。

静电钢制机位于瓦拉瓦拉大学(WWU),该大学,是1892年成立的私立大学,以及Edward F.交叉工程学院的所在地。机器的建设是由迈克尔·拉菲乌斯(Michael Rafuse)启动的WWU。该机器是他的高级项目,他做了大部分机械和自动化系统的设计,构建和调试。我安装了操作员界面,编程了运动系统和操作员界面,并对我们的聚合物解决方案进行了一些实验以优化机器。

图1

这不是一个新的过程。电奔水钢机器广泛用于研究植物培养细胞的纤维垫的研究界。这些垫子由微小的聚合物纳米纤维组成,每个纳米直径(如如下所示),通过提供称为支架的3D结构模仿人体细胞外基质,其中细胞可以生长到人体组织中。静电型机用于制造这些支架,然后用于制造组织工程血管移植物。

脚手架建筑

静电型机使用旋转鼓收集器来产生生物相容的纳米纤维网。特征包括注射器和针自动定位在水平和垂直方向上,以及无管注射泵。该机器提供了一种安全和简单的操作界面,可以根据需要快速修改。

静电纺丝需要高压,接地的收集表面和聚合物溶液,以产生直径小的纳米小的纤维。将聚合物溶液装载到具有钝尖针的注射器中,并且高压电极附接到金属尖端。注射器设置在可调节距离,通常远离收集表面20厘米。图2.

收集表面是旋转鼓,其连接到电场。当开启高电压源时,它产生在聚合物溶液中引起电荷的电场,并且排斥力将聚合物溶液推向接地的收集表面。当聚合物飞过空气时,溶剂蒸发并留下在到达收集表面时大部分干燥的细纤维。

双轴龙门配置握住针头并使用步进电机定位。一个步进电动机用于控制收集表面和针尖之间的垂直距离,并且第二次用于控制尖端的水平位置。第三步骤步进电机用于控制流过针尖的聚合物溶液的挤出速率。收集表面旋转滚筒是机器的第四轴,使用无刷直流电动机速度上升4000rpm。

机器控制组件

主动自动化系统组件全部是AutomationDirect产品,包括生产率®2000可编程控制器,C-More EA9系列10“触摸面板人机界面(HMI)和Surestep®步进电机和驱动器。控制器,HMI,步进运动控制和相关线性致动器使得能够精确可配置的静电纺丝过程。还使用自动化程度的犀牛电源(5V,12V和24V),GCX系列选择开关和按钮和ECX系列指示灯。

控制器具有高性能CPU,内存充足,五个通信端口,包括USB和以太网,可以控制多达480个本地I / O点。我们使用AutomationDirect的免费生产力套件编程软件编程。该软件允许用户定义的基于标签的编程,以便于I / O命名,并提供基于任务的梯形逻辑代码组织。静电型工艺主要使用HMI进行观察和调整。还提供了几个按钮,开关和指示灯以进行控制和状态指示。

图3.

可变静电型控制

影响该过程的许多变量和产生的纤维生产可通过HMI调节。需要精细调整变量以产生具有特定表面形态的一致纳米纤维,以满足研究或应用要求。万博官网手机登陆旋转鼓收集器速度,针定位和注射泵是关键系统。密切监测和控制和普通修改的变量包括收集器表面速度,针对集电极距离,聚合物溶液流量和高电压电平。

使用无刷直流电机和驱动器旋转鼓收集器。鼓速度由来自控制器的0-5 VDC模拟输出设置,通过离散输出控制方向。速度控制是闭环,通过霍尔效应传感器提供反馈。使用HMI进行滚筒启动和停止以及速度调节。

针定位可以使用水平带驱动和垂直螺杆驱动滑动台系统来改变。步进电机为滑动桌供电,并为水平和垂直运动提供精确定位控制。水平和垂直行程距离分别为50厘米和25厘米。

从针到收集表面的距离是静电纺丝过程中最重要的变量之一。使用高速输出模块控制针的位置。

注射器泵是第三关键系统,并且它包括使用步进电机和线性致动器的精密可调流量控制的电隔离注射器安装座。它连接到垂直螺旋驱动针位置滑动。

注射器泵采用步进电机和线性执行器精确控制柱塞运动;端部停止开关安装在线性执行器中。使用从控制器发送到步进驱动器的步骤信号来控制注射器流速。使用HMI控制其目标位置,并调节聚合物溶液的流动以在针尖处保持液滴以均匀的纤维沉积。

最终结果

我在项目中的一部分包括外围设备,控制器编程和相关任务的接线。一些机械微调,主要是旋转鼓的平衡,使机器运行。然后我花了很多时间精炼步进电机控制逻辑并优化静电型工艺参数。花时间后,学习如何最好地操作控制系统,并持久地持久性,我们自2016年春天以来一直成功地运行该设备。

拉尔夫斯斯特林,WWU教授参与了这个项目,评论。“AutomationDirect Productiving 2000控制器和C-更多触摸屏都是奇妙的单位。我很乐意升级我在我的课堂上使用的所有控制器,因为它们显着更容易编程,特别是对于步进电机应用程序。“万博官网手机登陆

新机器的好处是显着和可衡量的。现在可以生产较大且厚厚的纤维垫,我们的生产率增加了。也可以修改机器以测试不同的收集方法。随着对机器进行的广泛测试,将在不久的将来生产更多纤维。

由托马斯·柠檬,华拉瓦拉大学的生物工程专业在大学(大学),华盛顿

最初发布:2016年9月21日

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