一种微结构生物材料定向降温制备装置

技术领域

本发明涉及微结构生物材料技术领域，具体涉及一种微结构生物材料定向降温制备装置。

背景技术

骨再生材料一直是国内外临床医生研究的热点之一，而制备规则微结构生物材料立足于骨组织工程发展前沿，具有重要的仿生和应用价值，其制备方式有多种，如采用已有的控制性降温装置，通过真空冷冻干燥法是，将物料中的溶剂在低温下冻结，并在真空或低压下将物料中的冰晶直接升华，获得具有一定微孔结构的材料，这种制备方法原理简单，但不足之处是：(1)不能实现定向导冷，即控制冰晶的生长方向；(2)不能精准控制物料的降温速度，加大材料制备的难度，重复性及可控性较差。

另外现有的控制性降温装置多结合冷源和制冷压缩机，对于制冷要求高的机器大而重，不容易实现轻量化，且装置内部的压缩气流容易出现波动，影响微结构材料的制备效果。

本发明则以制备规则微结构生物材料为出发点，根据需求设计降温方向和物料降温速度均可控制的梯度降温装置，实现定向梯度降温，该仪器占有空间小、降温范围大且可调、易于操控、安全精准、节能环保。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微结构生物材料定向降温制备装置，解决了现有的降温装置无法定向导冷、精准控制物料降温速度的问题。

本发明通过下述技术方案实现：包括冷源罐，所述冷源罐内设有放置筒，所述放置筒内设有导冷机构，所述导冷机构包括第一导冷柱，所述第一导冷柱的一端延伸至所述冷源罐的外部并插入到密封件内，所述密封件密封所述冷源罐，所述密封件连通物料腔室，所述物料腔室的出口处设有密封的保温盖，形成冷源沿所述第一导冷柱将能量传递至所述物料腔室的定向传导结构。

优选地，所述导冷机构还包括第二导冷柱，所述第二导冷柱套接在所述第一导冷柱位于所述冷源罐外的一端，所述第二导冷柱的一端连接所述冷源罐，另一端插入所述密封件的内部。

优选地所述第一导冷柱和所述第二导冷柱均沿垂直方向设置。

优选地所述第一导冷柱位于所述冷源罐外的一面设有第一温度传感器，所述第二导冷柱的外部裹套有加热圈，所述加热圈靠近所述第二导冷柱的一面固定设有加热温度传感器，所述保温盖上设有第二温度传感器，所述第一温度传感器、第二温度传感器、加热温度传感器、加热圈均电连接控制台相应的接口；

所述第一温度传感器用于检测物料靠近所述导冷机构的第一区温度、并将第一区温度信号输送至所述控制台；

所述第二温度传感器用于检测物料远离所述导冷机构的第二区温度、并将所述第二区温度信号输送至控制台；

所述加热温度传感器用于检测所述加热圈的实时表面温度、并将所述表面温度信号输送至控制台；

所述控制台响应于所述第一区温度信号及根据设定的物料降温速率、物料达到的最终温度，控制调整所述加热圈的加热功率。

优选地所述第一温度传感器、第二温度传感器、加热温度传感器、加热圈分别通过第一感温线、第二感温线、加热感温线、加热电源线电连接控制台相应的接口。

优选地所述控制台上设有USB数据输出接口、电源开关、显示器、温度设置区，所述温度设置区用于设置物料降温速率及物料达到的最终温度。

优选地所述第一导冷柱采用铝合金材质。

优选地所述第二导冷柱采用紫铜材质。

优选地所述密封件包括密封圈、连接座，所述密封圈、连接座均固定套接在所述第二导冷柱的外部，所述密封圈通过第一螺栓固定连接所述连接座的一端，所述连接座的另一端通过第二螺栓连接所述物料腔室。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明设置导冷机构，将第一导冷柱的两端分别位于冷源罐的内外部，在第一导冷柱位于冷源罐外部的部分处设置可以容纳物料的物料腔室，使物料与第一导冷柱接触，冷源的能量通过第一导冷柱的定向导向传递给物料，控制冷源传导的方向，进而控制冰晶的生长方向，降低材料制备难度，重复性高、过程可控。

(2)第二导冷柱的设置可以进一步提高冷源能量的传导面积，导冷速度加快，且第二导冷柱起到连接第一导冷柱与物料腔室的作用，第一导冷柱与第二导冷柱的垂直方向设置，实现垂直导冷的目的，也可根据降温方向需要设置第一导冷柱与第二导冷柱的放置方向，控制冰晶生长方向。

(3)第一温度传感器、加热圈、第二温度传感器、加热温度传感器及控制台的设置，协同控制性降温，降温速度及降温过程可调，可以实现精准降温，且降温范围大、易于操控、节能环保，为规则微结构生物材料提供可控的制备条件，实现定向梯度降温，微结构生物材料制备简单、重复性高、再现性好、可控性高。

(4)本发明装置占有空间小、装置整体较轻，不需要制冷压缩，所以也不会出现气流波动的情况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A处的局部结构放大图。

图3为本发明的立体结构示意图。

其中：1冷源罐、2放置筒、3第一导冷柱、4密封件、401密封圈、402连接座、403第一螺栓、404第二螺栓、5物料腔室、6保温盖、7第二导冷柱、8第一温度传感器、9加热圈、10加热温度传感器、11第二温度传感器、12控制台、13第一感温线、14第二感温线、15加热感温线、16加热电源线、17USB数据输出接口、18电源开关、19显示器、20温度设置区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种微结构生物材料定向降温制备装置，包括冷源罐1，冷源可以采用液氮，冷源罐1内设有放置筒2，放置筒2为一端封闭、一端开口的空腔结构，放置筒2的一部分可以采用但不限于焊接的方式固定在冷源罐1的内侧壁上，放置筒2的另一部分悬空在冷源罐1的内部，且放置筒2的一端延伸至冷源罐1的开口处，在放置筒2内固定有包括第一导冷柱3的导冷机构，第一导冷柱3可以采用但不限于焊接的方式固定连接放置筒2，第一导冷柱3的一端延伸至冷源罐1的外部并插入到密封件4内，密封件4设置在冷源罐1的开口处，并密封冷源罐1，在密封件4内设有空腔，密封件4通过空腔连通物料腔室5，物料腔室5为两端开口的筒状结构，物料腔室5的出口处设有密封的保温盖6，保温盖6与物料腔室5配合为可开合的结构，可以取出或放入物料，保温盖6优选地采用绝缘材质制成，起到保温绝热的效果，这样液氮将低能量经过导冷柱的传递，传递给位于导冷机构上方的物料，形成冷源沿第一导冷柱3将能量传递至物料腔室5的定向传导能量的结构。

导冷机构还包括第二导冷柱7，第二导冷柱7套接在第一导冷柱3位于冷源罐1外的一端，第二导冷柱7的截面可以采用U型结构，第二导冷柱7也将第一导冷柱3密封在其内部，第二导冷柱7的一端可以采用但不限于焊机的方式固定连接在冷源罐1的出口处，且第二导冷柱7密封住冷源罐1的出口，第二导冷柱7的另一端插入密封件4的内部，密封件4包括密封圈401、连接座402，密封圈401、连接座402均密封套接在第二导冷柱7的外部，密封圈401通过第一螺栓403固定连接所述连接座402的一端，连接座402的另一端通过第二螺栓404固定连接物料腔室5，本发明中，物料腔室5可以采用现有的加工成型的模具，模具上设有空腔，模具整体呈开口的筒状结构，具体地，模具的结构、加工方法均为现有技术，为本领域技术人员应该掌握的已知技术，本发明中不再进行赘述。

在使用过程中，第一导冷柱3以及第二导冷柱7可以根据导冷方向的需要，设置在放置筒2内的倾斜角度，本发明中优选地将第一导冷柱3和第二导冷柱7均沿垂直方向设置，且第一导冷柱3可以采用但不限于铝合金材质，第二导冷柱7可以采用但不限于紫铜材质，且第一导冷柱3可以采用市场上销售的太阳花铝合金导冷柱，导冷面积大、便宜容易购买。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行的继续改进，在实施例技术方案的基础上，第一导冷柱3位于冷源罐1外的一端设有第一温度传感器8，第二导冷柱7的外部裹套有加热圈9，加热圈9靠近第二导冷柱7的一面固定设有加热温度传感器10，保温盖6上设有贯穿的第二温度传感器11，第一温度传感器8、第二温度传感器11、加热温度传感器10、加热圈9分别通过第一感温线13、第二感温线14、加热感温线15、加热电源线16电连接在控制台12相应的接口，第一温度传感器8、第二温度传感器11、加热温度传感器10、加热圈9的结构、与其他部件的电连接方式均为现有技术，为本领域技术人员应该掌握的现有技术，如第一温度传感器8、第二温度传感器11、加热温度传感器10均可以采用江苏七星仪表有限公司生产的PT100型号的温度传感器。

第一温度传感器8用于检测物料靠近导冷机构的第一区温度、并将第一区温度信号输送至控制台12，第一区温度即为物料腔室5中物料的下部温度，第二温度传感器11用于检测物料远离导冷机构的第二区温度、并将第二区温度信号输送至控制台12，第二区温度即为物料的上部温度，加热温度传感器10用于检测加热圈9靠近第二导冷柱7的一面的实时表面温度、并将加热圈9的表面温度信号输送至控制台12，控制台12响应于第一区温度信号、并根据提前设定好的物料降温速率、物料需要达到的最终温度，并按照设定的程序，控制加热圈9工作，调节加热圈9的加热功率，第二区温度作为参考。

另外在控制台12上还设有USB数据输出接口17、电源开关18、显示器19、温度设置区20，显示器19可以显示物料的降温速度、第一区温度的实时数据、第二区温度的实时数据，温度设置区20用于设置物料降温速率及物料达到的最终温度，温度设置区20由多个按键组成，通过点按各个按键来设定并调节速率、最终温度，电源开关18控制所述控制台12的工作，USB数据输出接口17可以连接存储装置，如连接存储盘，控制台12按照设定程序，将物料的降温速度、第一区温度的实时数据、第二区温度的实时数据等同步存储到存储盘中。

上述的电源开关18、USB数据输出接口17、显示器19、温度设置区20的按键以及控制台12的具体结构、电连接方式均为现有技术，为本领域技术人员应该掌握的已知技术，在此不再进行赘述。

本发明在使用时，可以在冷源罐1内灌入液氮，将需要制备为微结构的物料超声搅拌均匀后，加入到物料腔室5内，盖上保温盖6，打开电源开关18，通过温度设置区20设置物料需要的降温速率如1-20℃/min、达到最终温度如-120℃-0℃，观察显示器19显示的温度曲线，同时降温速度、实时温度经USB数据输出接口17自动存储到存储盘中，。

液氮通过第一导冷柱3向上垂直导冷，由位于第一导冷柱3顶部的第一温度传感器8测量物料腔室5下部的温度，通过第一感温线13将温度信号传入控制台12，控制台12根据设置的降温速度和最终温度，再通过加热电源线16控制加热圈9工作并进行加热，加热温度传感器10将加热圈9的表面温度信号通过加热感温线15传送给控制台12，控制台12再次接收经第一感温线13传输的第一温度传感器8的温度信号，根据第一温度传感器8的温度信号、设定的降温速度、最终温度决定是否调整加热圈9的加热功率，如此反复多次，直到达到设置的最终温度，同时第二温度传感器11将检测的温度信号经第二感温线14传入控制台12。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。