器官芯片的数字光投影式三维打印工艺与应用研究

发布时间：2021-11-28 00:40

　　随着器官芯片在药物研发和精准医疗领域的快速发展,其对高还原度和多样化的制造需求也日益提高。数字光投影式三维打印具有精度高、效率高和材料选择性广等特点,可用于器官芯片的个性化定制和批量生产,如打印仿生血管和软骨构件。然而,现有的数字光投影式三维打印系统普遍存光路复杂且功能单一的问题,同时投影光的非均布特征会降低打印精度并减小有效打印尺度,另外尚缺乏针对打印工艺的系统性研究。在打印跨尺度仿生血管时多采用分形设计,对天然血管的还原程度较低;当前调节软骨构件力学性能的方法主要有材料改性和尺度改变,但上述方法会造成软骨构件的界面连接性差异和几何特征偏差。因此,需要设计精度高且适用性广的数字光投影式三维打印系统,同时采用数值建模与实验相结合的方法对打印工艺进行研究,并针对非均布投影光造成的打印缺陷提出优化方法,最终实现跨尺度仿生血管和梯度软骨构件的设计与打印。为此,本文在国家自然科学基金项目“智能假肢手物体抓握过程中的滑移产生机理及其检测技术研究”（项目编号:51575485）的资助下,采用数值建模与实验研究相结合的方式,开展了器官芯片的数字光投影式三维打印系统设计,工艺研究与优化,以及应用的研究... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：160 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１?ＷＨＯ统计的２０１６年十大死亡原因Ｈ??器官芯片是？类基于微流控系统的细胞培养装置，其包括若干组织模型与连接组织模??

的循环系统，以实现对组织模型的营养供给及物理刺激的施加器官芯片对人体器官??的微观结构和细胞组成具有高程度还原，因此将其用于药物研发可降低人体与受试动物之??间药物代谢动力学差异的影响，进而提高研发成功率，其工作原理如图１．２（ｂ）所示［１５］。器??官芯片在未来可以代替传统的动物实验，并可针对患者定制疾病治疗模型，从而实现精准??医疗。目前，国内外众多学者在器官芯片方面已开展了广泛的研究，制造了如图１．２（ｃ）中??所示的肝脏、肾脏、肺和多器官芯片［１６—１８】。??—?Ｉｍｍｕｎ？?ｒ６ｓｐｏｎｓ８??『■一—；?ｍ?Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｌｉｔｙ?ａｎｄ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ??１??呈?ｌｉ??ｉ?ｔ＞＾ｔ＝?＊ｉｌ??５！ｉ?Ｉ１??＿?Ｏｒａｌ?ｄｒｕｇ＊?？??（ａ）?（ｂ）??Ｌｉｖｅｒ?Ｃｈｉｐ?Ｋｉｄｎｅｙ?Ｃｈｉｐ?Ｌｕｎｇ?Ｃｈｉｐ?Ｂｏｄｙ?Ｃｈｉｐ??．■國＿??．．?［?Ｐｌ？￥ｔｋ?ｃｏｙｅｒ??：ｉ?＿?１??Ｋ?ｊ?：??（Ｃ）??图１．２?００人体循环系统示意图；（ｂ）器官芯片的药物研发原理；（ｃ）器官芯片研宄进展ｌ｜３Ｗｉ??传统的微纳加工方法可用于器官芯片的制造，其流程包括光刻、倒模和微压印等［１３，１９］。??在制造时，首先在硅片上制备光刻胶模具，该过程包括旋涂、掩膜光刻和显影，如图１．３（ａ）??所示；然后，利用上述模具，通过倒模法制造聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）凸模，并采用微压??印法制备蛋白质或细胞结构，如图１．３（ｂ）所示。通过上述步骤，可完成对组织模型部分的??制造。图１．３?（ｃ）为器官芯片中仿生血管流道的制造方法

三维打印具有制造效率高、精度高，和材料选择性广等优点，已被广泛用于微电子器??件、组织工程构件和其它关键零部件的制造［２４＿２叱当采用水凝胶、明胶等生物相容性材料??时，三维打印可以满足器官芯片的制造需求［２７力。图１．４为采用三维打印制造器官芯片的??工艺流程，具体包括模型获取、结构设计、村料配置、细胞选择、模型打印和实验测试。??由于可通过计算机断层扫描（ＣＴ）和核磁共振（ＭＲ［）取模型，并进行数字化设计，因此??器官芯片的三维打印具备动态设计与结构定制的优势三维打印根据原现不同，可分??为挤出式和光固化式两种。在挤出式三维打印过程中，喷头释放材料并进行三维运动，器??官芯片将按照“点－线－面－体”的顺序被逐步制造。挤出式三维打印系统具有成本低和生物??相容性好等优点，但是受到打印原理的限制，且在打印不同尺度结构时需要更换喷头，其??制造效率较低；此外，在打印软材料时需要额外的牺牲或支撑材料根据光源的作用规??淨差异，司将光固化三维打印分为立体光刻（Ｌａｓｅｒ?Ｓｔｅｒｅｏｌｉｇｈｏｇｒａｐｈｙ）和数字光投影（Ｄｉｇｉｔａｌ??Ｌｉｇｈｔ?Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）两类。立体光刻式三维打印精度可达纳米级另ｌｊ

【参考文献】：
期刊论文
[1]中国老年疾病临床多中心报告[J]. 曹丰,王亚斌,薛万国,刘宏斌,林欣,李天志,曾志羽,张磊,杨云梅,陈蕊,王小宁,刘淼,孟文文,范利.  中华老年多器官疾病杂志. 2018(11)



本文编号：3523343