基于模具辅助的心脏主动脉瓣膜3D打印及细胞损伤仿真分析

发布时间：2020-05-03 18:00

【摘要】：随着心脏瓣膜病的发病率不断上升,利用3D打印技术制造具备良好生长、修复及重建能力的组织工程瓣膜成为了人工心脏瓣膜研究的热点。瓣膜的建模、水凝胶材料的打印、瓣膜的成型工艺以及打印后细胞的损伤给制造组织工程瓣膜带来了巨大的挑战。本文针对心脏主动脉瓣膜3D打印及细胞损伤分析开展研究如下:首先,针对心脏主动脉瓣膜的结构提出模具辅助打印概念,同时结合薄膜壳理论和心瓣流体力学理论构建出心脏主动脉瓣叶、瓣叶辅助模具及瓣叶封闭环的模型,辅助模具为主动脉瓣叶提供力学支撑及维持瓣叶型面,可以有效防止瓣叶结构的坍塌。构建的模型与人体天然的心脏主动脉瓣膜相比其几何形态和尺寸参数相近。其次,研究水凝胶从微针头挤出时胀大行为对瓣膜成形精度的影响,通过仿真分析、挤出实验得出黏度、挤出压力对挤出胀大行为的影响规律及程度。结果显示:黏度决定水凝胶材料在基底平台上的成型,并且随着黏度的增大挤出胀大比减小;挤出压力影响水凝胶材料的成型质量,并且随着挤出压力的增大挤出胀大比增大。然后,分析瓣叶支撑模具、瓣叶及瓣叶封闭环的关键打印路径,针对关键路径通过多次实验调整打印参数和打印路径。基于模具辅助打印工艺,利用质量分数25%的泊洛沙姆、质量分数分别为2%、6%的海藻酸钠-明胶水凝胶打印出完整的心脏主动脉瓣膜。与浴打印工艺构建的瓣膜相比,其加工周期较短,打印成本较低,同时成型后材料杂质少。最后,考虑混合骨髓间充质干细胞进行心脏主动脉瓣膜打印后细胞的损伤,结合细胞损伤的数学模型,在以细胞所受载荷时长、内部最大打印压力为细胞损伤衡量标准的准则下,通过仿真分析来研究不同喷嘴长度、喷嘴直径对细胞损伤的影响。结果显示:随着喷嘴长度的增加,细胞内部压力峰值增大,细胞所受载荷时长增长幅度趋于稳定;随着喷嘴直径的减小,细胞内部压力峰值骤增,细胞所受载荷时长先减后增。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.1;TP391.73

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