水凝胶FDM成型工艺、性能及其过程监测技术

发布时间：2022-08-08 21:40

　　当前,水凝胶作为生物制造领域的组织重构基材已成为国内外学者的研究热点。众多专家采用FDM成型工艺将水凝胶材料打印成为生物体支架结构,主要关注于打印墨水的打印性能以及合成水凝胶的流变性和物理性质,然而对生物打印机打印工艺参数对成型的影响关注甚少。同时,水凝胶FDM成型过程中极易出现成型问题,例如打印断丝和打印物体坍塌现象时有发生。所以通常打印时需要实验员长时间守在打印设备附近,观察打印情况。但由于打印时间较长,这样十分浪费时间和人力。本文基于生物3D打印技术,以自制的海藻酸钠、明胶混合溶液为生物打印油墨,利用其物理和化学交联性能实现生物打印。通过添加纳米纤维素增强水凝胶的物理性能。从喷嘴类型、空气压力和溶液配方等方面对喷嘴流量、线宽、力学性能和变化率进行了分析研究和试验。结果表明:实验材料中添加纳米纤维素能有效增强打印材料的力学性能。材料粘度、打印压力、喷嘴直径与打印高度是影响成型的主要因素。实验所用材料最佳参数设置为喷嘴直径0.31mm、打印压力7KPa、打印高度0.5-0.9mm。在实际打印中,打印所需支架的大小应放大10%左右,这样交联收缩后的成品才能更符合打印的需要。另一方面,采... 

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 背景及意义
        1.1.1 3D生物打印技术
        1.1.2 计算机视觉技术
    1.2 国内外的研究现状
        1.2.1 生物3D打印的种类
        1.2.2 生物3D打印的材料
        1.2.3 国内外研究成果
    1.3 课题主要研究内容和意义
        1.3.1 课题研究的意义
        1.3.2 课题研究的内容
2 水凝胶FDM成型工艺关键参数分析
    2.1 水凝胶FDM成型系统
    2.2 打印过程分析
    2.3 水凝胶材料的特性分析
        2.3.1 水凝胶材料的流体特性
        2.3.2 水凝胶在生物制造中的需求
        2.3.3 水凝胶的选择
    2.4 打印交联原理
    2.5 本章总结
3 水凝胶材料的挤出过程分析
    3.1 流速预测模型
    3.2 挤出膨大现象
    3.3 成形丝径的预测模型
    3.4 水凝胶打印关键参数数值模拟
    3.5 仿真结果分析
    3.6 本章小结
4 水凝胶FDM成型过程监测系统
    4.1 系统整体设计
    4.2 硬件的选择
    4.3 Caffe深度学习框架
    4.4 深度卷积神经网络
        4.4.1 卷积操作
        4.4.2 池化层
        4.4.3 激活函数
        4.4.4 全连接层
        4.4.5 损失函数
    4.5 样本制作
    4.6 检测模型的搭建
        4.6.1 建立数据集
        4.6.2 深度学习神经网络的设置
        4.6.3 训练模型
    4.7 测试结果
    4.8 检测系统UI界面的设计
    4.9 本章总结
5 水凝胶打印实验
    5.1 材料和实验设计
        5.1.1 原料
        5.1.2 仪器和设备
        5.1.3 溶液样品制备
        5.1.4 实验设计
    5.2 结果和讨论
        5.2.1 配比与黏度
        5.2.2 流速与流量
        5.2.3 成形丝径
        5.2.4 力学性能
        5.2.5 交联体积与质量
        5.2.6 行走速度
    5.3 本章总结
6 总结和展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
个人简介
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]静电纺丝技术在生物医用材料领域的应用[J]. 黄予旸,姜猛进.  合成纤维工业. 2019(01)
[2]生物3D打印高分子材料发展现状与趋势[J]. 毛宏理,顾忠伟.  中国材料进展. 2018(12)
[3]生物活性支架在骨组织工程中的应用及进展[J]. 冷一,李祖浩,任广凯,王中汉,高超华,史晨玉,刘贺,吴丹凯.  中国组织工程研究. 2019(06)
[4]面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验[J]. 陈冬冬,张琦,张鹏飞,周骥平,姜亚妮.  中国组织工程研究. 2019(02)
[5]生物打印组织技术的研究进展[J]. 王振勇.  西部皮革. 2018(17)
[6]生物材料与组织工程支架研究进展[J]. 刘晓南,李刚,何敏,张道海,秦舒浩,彭红英.  工程塑料应用. 2018(07)
[7]生物医用水凝胶敷料的研究现状与应用前景[J]. 常聪,陈圣杰,段书霞,张正男,韩修恒,付迎坤,敖宁建.  纺织导报. 2018(05)
[8]基于FLUENT3D生物打印喷头内部流场的数值模拟分析[J]. 刘东方,周骥平,史宏灿,许晓东,姜亚妮,张琦.  中国组织工程研究. 2018(02)
[9]生物3D打印技术的应用现状和发展趋势[J]. 陈鑫,李方正.  新材料产业. 2017(11)
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博士论文
[1]高韧度水凝胶人工角膜支架的制备及其性能研究[D]. 滕文琪.浙江大学 2014

硕士论文
[1]面向皮肤支架的3D打印系统CFD模拟及实验[D]. 陈冬冬.扬州大学 2018
[2]基于近场静电纺丝直写的3D微纳载药纤维[D]. 王鋆川.浙江大学 2017
[3]基于宾汉流体支撑的凝胶3D打印工艺研究[D]. 杨飞飞.浙江大学 2017
[4]面向皮肤组织工程的水凝胶与细胞打印研究[D]. 谷龙.浙江大学 2017
[5]3D打印组织工程骨支架的骨改建机制研究[D]. 周琦琪.新疆医科大学 2017
[6]基于卷积神经网络的花卉图像分类算法的研究[D]. 刘园园.华北电力大学(北京) 2017
[7]强韧水凝胶的3D打印工艺及机理研究[D]. 成利波.浙江大学 2017
[8]仿生人工骨3D打印流场仿真分析及试件力学性能研究[D]. 赵帝.吉林大学 2015
[9]凝胶流道网络3D打印制造研究[D]. 胡颖.浙江大学 2015
[10]丝素蛋白的降解性能及其三维打印生物活性支架在皮肤修复中的应用研究[D]. 熊思.浙江大学 2015



本文编号：3672280