生物凝胶结构三维可打印性研究

发布时间：2017-05-03 22:03

  本文关键词：生物凝胶结构三维可打印性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：三维打印技术目前已广泛应于电子、汽车工业、航空航天、医药工程等领域,基于其复杂结构卓越的加工能力、定制成本低、操作便捷等优势越来越受到全世界的重视。近年来,组织工程方向也逐渐引入这一技术,旨在通过该技术实现人体组织器官的体外培育,通过将病患者组织细胞培植的方式,减小器官移植排斥反应。生物水凝胶三维打印是利用天然材料水凝胶沉积形成具有复杂形貌结构的一种制造方法,通过在凝胶中包裹细胞,即可实现细胞的可控打印。凝胶三维支架结构决定培育细胞后组织的形貌特点和细胞的生长情况,因此开展生物水凝胶可打印性研究在生物组织工程领域具有十分重要的意义。本文在分析生物水凝胶三维打印特点的基础上,研究开发适合水凝胶打印的材料配置。根据凝胶打印特点设计了具有保温、冷却等特殊功能的三维打印平台。针对水凝胶三维结构打印工艺参数进行一系列系统性的实验,从平面一维、二维结构到立体三维结构,逐步完善工艺参数研究。论文主要开展的工作如下：一、水凝胶打印材料的配置。针对打印微米级精度的水凝胶结构,研究开发了水凝胶溶胶原液的组成成分及配比研究,针对打印所需粘度及力学结构和含水量情况进行材料配比确定。二、针对水凝胶结构的特殊打印工艺进行打印平台的设计,包括平台主件和辅件设计,设计包括保温夹具模块、制冷平台模块、水浴平台模块等诸多辅助模块,以确保高精度水凝胶结构的打印。三、针对水凝胶平面打印进行逐个工艺参数研究工作,从打印凝胶点入手,研究工艺参数对打印质量的影响。并逐步展开,研究一维直线的打印工艺参数,针对工艺参数对直线线宽及扩散率的影响,通过理论结合实验进行分析,给出了合理的工艺参数以及该参数确定方法与改进措施。其结果对其他生物材料的可打印性研究也具有较大的参考价值。四、通过立体层膜结构的打印,分析层膜机械结构力学强度与工艺参数之间的关系,通过理论模型研究和实验数据支撑确定工艺参数趋势。对于层膜填充方式、填充率测试并根据需要场合提出选择数据范围。对于层膜层数增加造成力学性能降低的情况提出在固定层数间增加喷雾固化处理的优化方案。通过纵向进给理论分析和实验研究确定影响纵向进给的工艺参数,并给出常温25℃下的纵向进给层间最小间隔时间。最终根据立体结构实验最终验证全文工艺参数正确性并对全文所遇问题进行归纳和总结分析。
【关键词】：三维打印 水凝胶 平台设计 工艺参数 细胞打印
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.73;TQ427.26
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 引言13-15
• 1.2 医用生物三维打印应用背景15-21
• 1.3 基于凝胶的三维打印研究概况21-26
• 1.3.1 凝胶材料研究21-24
• 1.3.2 打印方法研究24-26
• 1.4 中外生物/凝胶三维打印机研究概览26-29
• 1.5 论文的研究思路及意义29-33
• 第2章 打印材料配置33-43
• 2.1 实验准备-材料配比33-35
• 2.2 预处理优化方案35-37
• 2.3 材料浓度配比确定37-40
• 2.3.1 溶液配制、制备、评定38
• 2.3.2 海藻酸钠浓度对凝胶体成型影响38-39
• 2.3.3 氯化钙浓度对凝胶体影响39-40
• 2.4 明胶混合水凝胶分析40-42
• 2.4.1 明胶-海藻酸钠混合溶液粘度41
• 2.4.2 明胶-海藻酸钠混合凝胶机械性能41-42
• 2.5 总结42-43
• 第3章 生物-凝胶打印机总体设计43-61
• 3.1 挤出方案特性对比43-46
• 3.1.1 气动型挤出喷头43-44
• 3.1.2 螺杆型挤出喷头44-45
• 3.1.3 ~*机械型挤出喷头45-46
• 3.2 独立喷头平台设计优化46-50
• 3.2.1 喷头堵塞问题及影响46
• 3.2.2 喷头堵塞的热成因分析46-47
• 3.2.3 对同一针头不同部位温度场分布研究47-50
• 3.3 沉积平台及材料方案选择50-51
• 3.4 加热保温夹具设计研究51-52
• 3.5 制冷系统设计方案52-54
• 3.6 移动平台及组件设计搭建54-61
• 3.6.1 框架设计54-55
• 3.6.2 步进电机模组设计55-56
• 3.6.3 喷头架设计56-57
• 3.6.4 沉积平台位置设计57-58
• 3.6.5 其他辅助部件设计58-59
• 3.6.6 总结59-61
• 第4章 平面可打印性研究61-83
• 4.1 阵列点加工61-64
• 4.1.1 针头大小对造型点的影响62
• 4.1.2 气压对造型点影响62-64
• 4.2 一维直线加工64-74
• 4.2.1 气压对直线加工影响64-66
• 4.2.2 针头移动速度对线宽影响66-68
• 4.2.3 针头距平面高度对成型线影响68-70
• 4.2.4 针对线加工及线拐角加工对直线加工路径和速度的优化方案70-73
• 4.2.5 总结73-74
• 4.3 二维网状结构可打印性研究74-80
• 4.3.1 设计实验74-75
• 4.3.2 单层网格结构面打印75-77
• 4.3.3 实验数据分析77-80
• 4.4 总结80-83
• 第5章 立体结构可打印性研究83-107
• 5.1 层膜加工精度及质量研究83-94
• 5.1.1 层膜相关结构参数83-85
• 5.1.2 实验设计85-87
• 5.1.3 力学测试实验87-93
• 5.1.4 层膜实验总结93-94
• 5.2 凝胶三维打印工艺特点94-97
• 5.2.1 温度梯度影响95
• 5.2.2 结构体强度不同95-96
• 5.2.3 后处理工艺区别96-97
• 5.3 纵向进给影响因素研究97-102
• 5.3.1 纵向线高和横向线宽区别97-98
• 5.3.2 纵向误差累计及影响98-99
• 5.3.3 影响层高融合工艺研究实验99-100
• 5.3.4 层高融合工艺实验总结100-101
• 5.3.5 ~*纵向坍塌临界角度研究101-102
• 5.4 三维结构打印102-105
• 5.4.1 三维打印工艺参数设定102-105
• 5.5 小结105-107
• 第6章 总结107-111
• 6.1 全文总结107-108
• 6.2 研究展望108-111
• 参考文献111-115
• 攻读硕士学位期间科研成果115

【参考文献】

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1 张逸伟,卢世,周嘉玲,曾汉维;由硬脂酸钠和环氧氯丙烷合成单硬脂酸甘油酯[J];化学试剂;1997年01期

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本文编号：343812