基于投影式光固化的生物支架掩膜规划研究
发布时间：2022-01-26 20:18
生物支架作为组织工程的重要组成部分之一,由相互连接的孔隙网络结构组成,具有支持细胞定植、迁移、生长和分化等功能。随着3D打印技术兴起,快速成形技术被引入支架制备领域。其中,基于动态掩膜的投影式光固化技术在制备支架精度和分辨率方面优于其他快速成形技术,被认为是最具潜力的生物支架制备方法之一。常规投影式光固化系统中,直接将掩膜投影到相关固化层,往往产生较大的收缩变形。国内外已有研究者对分块、灰度变换的掩膜规划进行了研究,但一方面基于图像分割的掩膜规划尚有扩展的空间,针对树脂光聚合收缩变形的测量研究较少。另一方面,传统掩膜灰度控制方法存在着复现困难、成效低等缺点。针对上述不足,本文开展以下工作:（1）扩展了一种基于图像分割技术的掩膜分割规划方案,提出使用多个正方形、正六边形和三角形对掩膜进行切分,而后结合数字图像相关（DIC）方法测量树脂在光固化过程中的收缩变形。结果表明,制备生物支架的树脂在光固化过程中变形呈现先急剧增大、然后部分减小的趋势,采用正方形、正六边形和三角形掩膜规划可分别减少光固化成形件29.04%、25.14%和5.43%的收缩。（2）搭建了数字图像相关树脂变形测试平台。包括...
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
投影式光固化原理图
第一章绪论3过去十几年，在应用MIP-SL技术制备生物支架中，国内外学者做出了许多突破性的进展。美国研究人员利用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性透明质酸(GM-HA)、明胶甲基丙烯酸酯(GelMA)等打印材料，采用MIP-SL技术制作出神经管状引导支架（如图1-2a）和肝小叶解毒支架（如图1-2b）[18,19]。德国柏林心脏中心sodian等研究人员[20]基于计算机断层扫描图像掩膜的立体光刻技术制备出兼具生物相容性和生物降解性的主动脉血管支架（如图1-2c），对于临床医学上制作活体血管假体具有重大意义。另外，对于血管系统、肾小球和肠绒毛中复杂的细胞三维界面排列，加州大学Soman等人[21]采用动态投影打印技术打印细胞封装支架，该支架可以控制复杂三维特征中的细胞密度和分布，实现良好的细胞存活率。国内西安交通大学卢秉恒团队[22]通过对人体骨骼组织进行微尺度观测、剖析和仿生，设计出新的人造骨支架内微细通道结构，之后结合计算机辅助制造、逆向求解方法和立体光固化技术制备出具有生物活性的人造骨支架。中山大学附属口腔医院李俊达等人[23]使用光固化成形技术打印出复合聚酯生物支架，用于牙髓细胞的引导培养，发现该支架的抗炎效果好，有利于牙髓细胞的增殖和成骨向分化。a)神经管状引导支架b)肝小叶解毒支架c)主动脉血管支架图1-2投影式立体光刻系统制备支架结构[19,20]
第一章绪论5程中的刀具路径规划。不同的是，针对数控刀具路径规划已经被广泛研究，而掩模图像规划国内外研究较少。另外，大部分基于掩膜图像的立体光刻系统直接采用切片后的掩膜图形进行相关层固化，而不涉及相应的曝光策略，对成形件的平滑度、表面光洁度、特征精度和分辨率等方面有较大的影响。在光固化快速成形的掩膜图像规划细分领域中，前人已经取得了一些较大的进展。如南加州大学YongChen等人[31]利用图像分割切分掩膜，把一张掩膜图像分为若干张一次曝光，将每层树脂的聚合收缩翘曲变成一定数量级的小面积翘曲变形，以此来提高每层固化的精度从而提高整体零件的精度，根据他的报道，该方法对树脂成形零件的精度有大约30%的提升效果。同是南加大学者ZhouChi[37]提出一种基于灰度变化的掩膜规划方法，通过控制掩膜图像每个像素点的灰度值来提高光固化成形零件的分辨率。通过对支架掩膜图像设计补偿来抵消成形件几何形状的变形是掩膜图像规划中研究最广泛和完善的一种，已有基于二维形状变形的最小面积偏差掩膜填补、基于有限元模拟的反失真掩膜补偿及基于公称与偏移模型的掩膜补充等方法被开发并使用[33,38-42]，对成形件的形状和几何精度均有一定的改善。对一个三叶草形状的掩膜图像进行了补偿[39]，如图1-3所示，作者通过计算、预测出固化层实际形状，进而改变预先确定的切片图形形状进行补偿，以此达到标准固化图案的目的。图1-3掩膜补偿图形[39]
【参考文献】：
期刊论文
[1]面曝光3D打印机光强检测补偿系统研究与实现[J]. 邱志惠,陈号,黄祺,戴晨雨. 西安交通大学学报. 2017(08)
[2]面曝光快速成形系统掩模图形的优化研究[J]. 陈振,胥光申,巨孔亮,秦绍辉. 机电一体化. 2016(01)
[3]基于纳米纤维素的三维组织工程支架多孔结构的调控与表征[J]. 唐爱民,赵姗,宋建康. 材料研究学报. 2014(10)
[4]基于BP神经网络的面曝光快速成形系统掩模图像的畸变校正研究[J]. 巨孔亮,胥光申,王亚宁,罗声. 机械制造. 2013(11)
[5]LED固化灯光照强度对光固化复合树脂聚合收缩的影响[J]. 阮丹平,张丁华,吴春云,沈赟. 口腔材料器械杂志. 2013(01)
[6]数字图像相关法在光固化复合树脂收缩变形测量中的应用[J]. 阮丹平,吴春云,张丁华. 上海口腔医学. 2012(06)
[7]面曝光快速成形技术的变形[J]. 宫静,胥光申,金京,马训鸣,罗声. 纺织高校基础科学学报. 2011(04)
[8]图像几何畸变校正方法[J]. 范勇,张佳成,陈念年,周敬滨,王俊波. 计算机工程与应用. 2009(29)
[9]骨组织微结构观察分析及仿生支架立体光固化间接制造[J]. 李祥,李涤尘,张彦东,卢秉恒. 北京生物医学工程. 2006(02)
[10]光固化快速成形中激光扫描方法的研究[J]. 马雷,李涤尘,卢秉恒. 中国机械工程. 2003(07)
博士论文
[1]数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D]. 刘小勇.吉林大学 2012
[2]数字图像相关及其在若干工程测试中的应用[D]. 张蕊.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]基于投影式光固化的生物支架数字掩膜研究[D]. 李鸣珂.华南理工大学 2018
[2]基于数字图像相关方法的混凝土断裂过程区力学特性研究[D]. 黄才政.重庆交通大学 2016
[3]纳米纤维素的光固化及其组织工程支架的可控制备研究[D]. 赵姗.华南理工大学 2015
[4]面曝光快速成形技术的变形研究[D]. 宫静.西安工程大学 2012
本文编号：3611109
【文章来源】：华南理工大学广东省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
投影式光固化原理图
第一章绪论3过去十几年，在应用MIP-SL技术制备生物支架中，国内外学者做出了许多突破性的进展。美国研究人员利用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性透明质酸(GM-HA)、明胶甲基丙烯酸酯(GelMA)等打印材料，采用MIP-SL技术制作出神经管状引导支架（如图1-2a）和肝小叶解毒支架（如图1-2b）[18,19]。德国柏林心脏中心sodian等研究人员[20]基于计算机断层扫描图像掩膜的立体光刻技术制备出兼具生物相容性和生物降解性的主动脉血管支架（如图1-2c），对于临床医学上制作活体血管假体具有重大意义。另外，对于血管系统、肾小球和肠绒毛中复杂的细胞三维界面排列，加州大学Soman等人[21]采用动态投影打印技术打印细胞封装支架，该支架可以控制复杂三维特征中的细胞密度和分布，实现良好的细胞存活率。国内西安交通大学卢秉恒团队[22]通过对人体骨骼组织进行微尺度观测、剖析和仿生，设计出新的人造骨支架内微细通道结构，之后结合计算机辅助制造、逆向求解方法和立体光固化技术制备出具有生物活性的人造骨支架。中山大学附属口腔医院李俊达等人[23]使用光固化成形技术打印出复合聚酯生物支架，用于牙髓细胞的引导培养，发现该支架的抗炎效果好，有利于牙髓细胞的增殖和成骨向分化。a)神经管状引导支架b)肝小叶解毒支架c)主动脉血管支架图1-2投影式立体光刻系统制备支架结构[19,20]
第一章绪论5程中的刀具路径规划。不同的是，针对数控刀具路径规划已经被广泛研究，而掩模图像规划国内外研究较少。另外，大部分基于掩膜图像的立体光刻系统直接采用切片后的掩膜图形进行相关层固化，而不涉及相应的曝光策略，对成形件的平滑度、表面光洁度、特征精度和分辨率等方面有较大的影响。在光固化快速成形的掩膜图像规划细分领域中，前人已经取得了一些较大的进展。如南加州大学YongChen等人[31]利用图像分割切分掩膜，把一张掩膜图像分为若干张一次曝光，将每层树脂的聚合收缩翘曲变成一定数量级的小面积翘曲变形，以此来提高每层固化的精度从而提高整体零件的精度，根据他的报道，该方法对树脂成形零件的精度有大约30%的提升效果。同是南加大学者ZhouChi[37]提出一种基于灰度变化的掩膜规划方法，通过控制掩膜图像每个像素点的灰度值来提高光固化成形零件的分辨率。通过对支架掩膜图像设计补偿来抵消成形件几何形状的变形是掩膜图像规划中研究最广泛和完善的一种，已有基于二维形状变形的最小面积偏差掩膜填补、基于有限元模拟的反失真掩膜补偿及基于公称与偏移模型的掩膜补充等方法被开发并使用[33,38-42]，对成形件的形状和几何精度均有一定的改善。对一个三叶草形状的掩膜图像进行了补偿[39]，如图1-3所示，作者通过计算、预测出固化层实际形状，进而改变预先确定的切片图形形状进行补偿，以此达到标准固化图案的目的。图1-3掩膜补偿图形[39]
【参考文献】：
期刊论文
[1]面曝光3D打印机光强检测补偿系统研究与实现[J]. 邱志惠,陈号,黄祺,戴晨雨. 西安交通大学学报. 2017(08)
[2]面曝光快速成形系统掩模图形的优化研究[J]. 陈振,胥光申,巨孔亮,秦绍辉. 机电一体化. 2016(01)
[3]基于纳米纤维素的三维组织工程支架多孔结构的调控与表征[J]. 唐爱民,赵姗,宋建康. 材料研究学报. 2014(10)
[4]基于BP神经网络的面曝光快速成形系统掩模图像的畸变校正研究[J]. 巨孔亮,胥光申,王亚宁,罗声. 机械制造. 2013(11)
[5]LED固化灯光照强度对光固化复合树脂聚合收缩的影响[J]. 阮丹平,张丁华,吴春云,沈赟. 口腔材料器械杂志. 2013(01)
[6]数字图像相关法在光固化复合树脂收缩变形测量中的应用[J]. 阮丹平,吴春云,张丁华. 上海口腔医学. 2012(06)
[7]面曝光快速成形技术的变形[J]. 宫静,胥光申,金京,马训鸣,罗声. 纺织高校基础科学学报. 2011(04)
[8]图像几何畸变校正方法[J]. 范勇,张佳成,陈念年,周敬滨,王俊波. 计算机工程与应用. 2009(29)
[9]骨组织微结构观察分析及仿生支架立体光固化间接制造[J]. 李祥,李涤尘,张彦东,卢秉恒. 北京生物医学工程. 2006(02)
[10]光固化快速成形中激光扫描方法的研究[J]. 马雷,李涤尘,卢秉恒. 中国机械工程. 2003(07)
博士论文
[1]数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D]. 刘小勇.吉林大学 2012
[2]数字图像相关及其在若干工程测试中的应用[D]. 张蕊.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]基于投影式光固化的生物支架数字掩膜研究[D]. 李鸣珂.华南理工大学 2018
[2]基于数字图像相关方法的混凝土断裂过程区力学特性研究[D]. 黄才政.重庆交通大学 2016
[3]纳米纤维素的光固化及其组织工程支架的可控制备研究[D]. 赵姗.华南理工大学 2015
[4]面曝光快速成形技术的变形研究[D]. 宫静.西安工程大学 2012
本文编号：3611109
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