面向皮肤组织工程的生物三维打印统研制

发布时间：2017-06-26 22:10

  本文关键词：面向皮肤组织工程的生物三维打印统研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物三维打印技术采用“增材制造”原理,将复杂的三维组织器官离散成一系列二维层片结构进行构建,可以大大降低器官构建的难度,精确控制支架结构和支架内部细胞的分布,在构建多细胞的异质性组织方面具有无与伦比的优越性。本学位论文主要开展生物三维打印系统研制工作,从机械系统、电气控制系统和控制算法与程序三个方面完成设计工作,并建立打印过程数学模型,通过仿真和实验研究验证样机系统的可行性,为组织工程研究提供了新的研究手段。本学位论文首先从功能和需求分析入手,确立样机系统设计目标。机械系统设计包括三维运动平台、喷头部件、供料系统和温控工作台等,完成机械结构设计和建模工作；电气控制系统以CMhp控制器为核心包括电源模块、电机驱动与反馈控制、阀驱动电路和I/0光隔等电气控制方案；以PID算法为核心,建立级联反馈控制方案,并在SPiiPlus MMI Application Studio环境下利用ACSPL+语言进行系统配置和编程控制。以假塑性流体本构方程为基础建立打印过程流量、纤维直径和支架孔隙率的数学模型,通过采用MATLAB仿真,研究变量影响规律和打印过程的可控性。本学位论文还利用搭建的样机进行打印测试,采用海藻酸钠溶液进行支架打印,并利用CaCl2进行交联,通过测试流量、纤维直径和孔隙率以及支架形态来分析数学模型的准确性和样机系统的成形能力。最后通过成纤维细胞打印实验验证样机打印活细胞和构建人工组织的可行性。本学位论文各章节主要内容如下：第一章为绪论部分,指出课题研究背景和意义,介绍生物三维打印技术的原理和方法,并介绍生物三维打印技术的开发和应用研究现状,在此基础上给出本课题的研究内容。第二章为系统功能原理分析和总体方案设计,确立系统设计目标。系统采用气动式喷头挤出原理、龙门单驱式双喷头结构设计方案,包括三维运动平台、喷头部件、供料系统和温控工作台四个部分,采用CMhp控制器和ACSPL+高级脚本语言进行编程控制第三章详细介绍生物三维打印系统的机械结构、电气控制和控制程序方案。机械系统设计采用SolidWorks三维软件,实现四轴同步驱动运动平台、压力分级输入喷头结构、气动调压供料系统和分体式温控工作台方案设计和元件计算选型,给出总体设计图。电气控制系统以CMhp控制器为核心,采用AutoCAD软件设计供电、直线电机／伺服电机驱动与反馈控制、阀驱动和I/0光隔电路等电路方案,给出电气控制二维总装图。采用以PID算法为核心,建立三环级联反馈控制方案,并在SPiiPlus MMI Application Studio环境下利用ACSPL+语言进行系统配置、电机驱动、原点标定、阀驱动、组织打印等程序编写,完成调试工作。第四章为了研究挤出参数和挤出纤维形态的可控性,对喷头内部流场建模分析。简化喷头模型,利用假塑性流体本构方程,建立流量、纤维直径和孔隙率与压差、喷头直径、喷头长度、稠度系数和流动指数等变量之间的数学模型。最后利用MATLAB进行流体参数拟合,并通过仿真研究流量、纤维直径和孔隙率与变量的关系,通过反求变量值可获得打印实验中的参数设定值。第五章为实验部分,采用玻璃胶和海藻酸钠溶液打印,打印的海藻酸钠支架与CaCl2交联,良好的支架结构表明样机具有良好的成形能力；实验测量流量、纤维直径和孔隙率等参数,与仿真结果比较验证预测模型的准确性；采用成纤维细胞进行打印研究,通过LIVE/DEAD细胞活性检测分析验证样机打印活体细胞的可行性。第六章对全文进行总结,提出下一步工作进展。
【关键词】：生物三维打印 系统设计 程序控制 预测模型 实验分析
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R622.1;TP391.73
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Summary7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外相关研究现状13-20
• 1.2.1 生物打印技术原理及分类13-17
• 1.2.2 国内外生物技术开发和应用现状17-20
• 1.3 课题主要研究内容20-23
• 第2章 生物三维打印系统功能原理分析与总体方案23-33
• 2.1 生物三维打印系统功能与需求分析23-26
• 2.2 三维生物打印系统总体方案设计26-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第3章 生物三维打印系统设计33-61
• 3.1 机械系统设计33-44
• 3.1.1 三维运动平台设计方案33-36
• 3.1.2 喷头结构设计方案36-40
• 3.1.3 供料系统设计方案40-42
• 3.1.4 温控工作台设计方案42-43
• 3.1.5 整体系统三维模型43-44
• 3.2 电气控制系统设计44-52
• 3.2.1 供电部分电路45
• 3.2.2 控制器基础配置电路45-46
• 3.2.3 电机驱动与控制电路46-50
• 3.2.4 阀驱动与控制电路50-51
• 3.2.5 温控工作台电路51-52
• 3.3 控制与程序系统设计52-60
• 3.3.1 系统程序相关配置52-55
• 3.3.2 运行状态与故障监控55-56
• 3.3.3 核心程序模块56-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第4章 打印过程预测模型建立与仿真分析61-77
• 4.1 流体性质分析61-63
• 4.2 打印过程预测模型建立63-71
• 4.2.1 支架材料特性分析63-64
• 4.2.2 流体参数预测模型建立64-67
• 4.2.3 支架形态的预测模型建立67-71
• 4.3 模型仿真与结果分析71-76
• 4.4 本章小结76-77
• 第5章 生物三维打印实验与实验结果分析77-85
• 5.1 实验设备与材料77-79
• 5.1.1 实验设备与仪器77-78
• 5.1.2 实验材料78-79
• 5.2 实验与结果分析79-84
• 5.3 本章小结84-85
• 第6章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-93
• 作者简介及攻读硕士期间科研成果93

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 蔡霞,曹谊林,商庆新,关文祥;皮肤组织工程研究进展[J];中华实验外科杂志;2001年03期

2 李沁华;皮肤组织工程相关问题的研究[J];中国临床康复;2002年24期

3 陆新,韩春茂;皮肤组织工程进展[J];中华烧伤杂志;2003年S1期

4 刘杰,王德文;创伤后皮肤缺损覆盖物研究进展(文献综述)[J];国外医学.外科学分册;2001年03期

5 张喜梅,郭筠秋,刘慧雯;皮肤组织工程研究进展[J];解剖科学进展;2003年04期

6 徐刚,王永满,孙拥新,李红英;皮肤组织工程研究进展[J];医学综述;2003年S1期

7 张杰 ,刘伟 ,曹谊林;角质干细胞及其在皮肤组织工程中的应用前景[J];中国实用美容整形外科杂志;2004年01期

8 雷万军;崔正军;王肖蓉;;皮肤组织工程的现状与展望[J];河南科技大学学报(医学版);2007年01期

9 陈灿;王志军;;皮肤组织工程研究的新进展[J];组织工程与重建外科杂志;2008年03期

10 王洋;蔡伟华;伍津津;唐辉;杨涛;唐书谦;;基于准静态平面流场的新型皮肤组织工程灌注式生物反应室设计与初步模拟[J];第三军医大学学报;2013年07期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 李秀兰;师宜健;张杨;;组织工程与工程皮肤的研究[A];中国中西医结合学会疡科分会第十一次全国学术交流会论文汇编[C];2003年

2 林尊文;刘德伍;毛远桂;;干细胞在皮肤组织工程中的应用[A];中华医学会烧伤外科学分会2009年学术年会论文汇编[C];2009年

3 曹成波;吴克安;王振芳;王勇;;皮肤组织工程研究现状及发展[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(下)[C];2004年

4 冯光珍;朱彦君;于大山;汪培铭;卫俊霞;李冬梅;王岚;;人皮肤组织工程的实验研究与临床初步应用[A];2002年烧伤年会论文汇编[C];2002年

5 吴军;;第三军医大学在皮肤组织工程与再生方面做的工作[A];第六届全国烧伤救治专题研讨会论文汇编[C];2009年

6 冯光珍;;人皮肤组织工程的实验研究与临床初步应用[A];2002年烧伤年会论文汇编[C];2002年

7 任萍萍;王军;;小肠粘膜下层在皮肤组织工程中的应用[A];2008年中国解剖学会第十一届教学改革研讨会论文集[C];2008年

8 李秀兰;师宜健;张杨;;皮肤缺损修复和组织工程技术[A];中国中西医结合学会疡科分会第十次全国学术会议论文汇编[C];2001年

9 刘德伍;李国辉;邹萍;刘德明;;骨髓间充质干细胞复合胶原凝胶构建活性皮肤替代物修复皮肤缺损[A];中国康复医学会修复重建外科专业委员会第十四次全国学术交流会论文集[C];2004年

10 王新宇;陆洪光;;皮肤组织工程中的种子细胞[A];中华医学会第十五次全国皮肤性病学术会议论文集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 本报记者 张哲浩;书写中国科技风险投资世纪神话[N];科技日报;2009年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 崔巍巍;皮肤组织工程新型材料的合成及表面改性的生物学基础研究[D];吉林大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前8条

1 张刚;面向皮肤组织工程的生物三维打印统研制[D];浙江大学;2016年

2 吉艳;聚（3-羟基丁酸3-羟基戊酸3-羟基己酸）在皮肤组织工程材料中的应用研究[D];汕头大学;2008年

3 陈伟;应用脂肪组织来源干细胞构建皮肤复合组织的初步研究[D];南方医科大学;2012年

4 李娜娜;魔芋葡甘聚糖/Ⅱ型胶原/壳聚糖三相复合材料的制备及性能研究[D];昆明理工大学;2009年

5 汪海轮;异种脱细胞真皮基质微粒皮肤的构建及其相关实验研究[D];第四军医大学;2008年

6 石延超;胶原—壳聚糖/硅橡胶双层皮肤支架及其原位诱导真皮再生性能[D];浙江大学;2006年

7 张杨;外用中药与组织工程技术相结合修复皮肤缺损的实验研究[D];天津医科大学;2004年

8 付银鑫;尿源性干细胞复合聚己内酯/明胶电纺纳米支架修复皮肤组织损伤的实验研究[D];南昌大学;2014年

  本文关键词：面向皮肤组织工程的生物三维打印统研制，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：487744