面向皮肤支架的3D打印系统CFD模拟及实验
发布时间：2022-09-30 12:55
皮肤烧伤损坏已经成为临床工作者面临的一个重大的问题,其原因在于自体移植不足,异体移植排斥。组织工程技术是一门集细胞学、工程学、材料科学和生物医学为一体的交叉学科。3D生物打印技术是将3D打印技术应用到组织工程中且可以实现具有复杂生理结构的一种制造方法。3D生物打印技术是3D打印技术的一个分支。3D生物打印技术在皮肤支架的构建上突破传统的组织工程的构建方法。本研究以明胶溶液作为打印对象,明胶是从动物的骨骼中提取出来的一种生物可降解材料,其具有良好的生物相容性、降解性。考虑到现有的挤压方式容易造成生物材料受损的问题。本文选用气动挤压方式。首先,本研究以明胶溶液作为实验材料,通过物化实验得到不同温度和浓度下的粘度和密度值,该值为CFD模拟提供材料属性参数。通过arrhenius方程求出了黏度系数和流动指数。结果表明:随着温度不断的降低明胶溶液的粘度会升高,流动指数减小,黏度系数增大。但是明胶溶液的密度变与温度和浓度的关系有一定明显关系。同时,明胶溶液的浓度越大对应的粘度也会增加。通过Solidworks构建了不同喷头直径的模型,采用ANSYS FLUENT软件分析喷头中的明胶溶液在喷头内部流...
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 应用背景
1.1.2 传统的组织工程皮肤
1.1.3 生物3D打印技术
1.2 国内外的相关研究
1.2.1 3D生物打印的分类
1.3 课题研究概况
1.3.1 研究意义
1.3.2 研究内容
第二章 3D生物打印系统的分析和设计
2.1 引言
2.2 3D生物打印的分类
2.2.1 按喷头的连续性
2.2.2 按成型工艺
2.2.3 按打印原理
2.3 3D生物打印的系统设计
2.4 3D生物打印模块搭建
2.4.1 喷头校正系统的设计
2.4.2 三维驱动方案的设计
2.4.3 气动供料方案的设计
2.4.4 温度控制方案的设计
2.4.5 环境控制方案的设计
2.5 系统设备的控制方案
2.6 系统设备的搭建
2.7 本章小结
第三章 3D气动挤出过程CFD数值分析
3.1 引言
3.2 流体性质分析
3.2.1 明胶材料流体特性
3.3 明胶物理特性分析
3.3.1 明胶粘度和密度测试实验和方法
3.3.2 实验材料制备
3.3.3 实验装置
3.3.4 实验步骤
3.3.5 实验设计
3.3.6 明胶的粘度和密度的计算方法
3.3.7 测定结果分析
3.3.8 粘度和密度测定值
3.3.9 黏度系数和流动指数的测定值
3.4 有限元法和Fluent简介
3.4.1 有限元法和有限元差分法
3.4.2 Fluent简介
3.5 明胶溶液挤出流场数值模拟分析
3.5.1 喷头3D模型建立
3.5.2 喷头网格划分
3.5.3 边界条件的设置
3.5.4 材料属性参数的设置
3.5.5 求解计算以及收敛性验证
3.6 3D打印明胶溶液仿真结果和分析
3.6.1 不同挤出压力下溶液所受压力变化
3.6.2 不同位置下溶液所受温度变化
3.6.3 不同挤出压力下溶流速和流量的变化
3.6.4 不同温度下溶液粘度对喷头出口处速度的影响
3.6.5 喷头直径大小对流速的影响
3.7 本章小结
第四章 打印参数对3D生物支架的影响
4.1 引言
4.2 材料和方法
4.2.1 材料准备
4.2.2 实验过程
4.2.3 实验装置搭建
4.2.4 实验设计
4.2.5 分析方法
4.3 结果和讨论
4.3.1 明胶浓度和打印温度对挤出丝宽的影响
4.3.2 喷头直径和挤出压力对挤出丝宽的影响
4.3.3 挤出压力、进给速度和明胶浓度交联对挤出丝宽的影响
4.3.4 3D明胶支架合理的打印参数
4.4 本章小结
第五章 3D生物打印皮肤支架的预测模型
5.1 引言
5.2 打印材料的特性分析
5.3 打印过程预测模型
5.3.1 打印流速的预测模型
5.3.2 打印流量的预测模型
5.4 支架形态预测模型
5.4.1 挤出丝宽的预测模型
5.4.2 支架孔隙率的预测模型
5.5 本章小结
第六章 明胶3D打印实验验证与结果分析
6.1 引言
6.2 材料和方法
6.2.1 材料准备
6.2.2 实验装置搭建
6.2.3 实验设计
6.2.4 分析方法
6.3 结果和讨论
6.3.1 流量和流速的实验验证
6.3.2 挤出丝宽的实验验证
6.3.3 孔隙率的实验验证
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
附录
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果
本文编号：3683592
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 应用背景
1.1.2 传统的组织工程皮肤
1.1.3 生物3D打印技术
1.2 国内外的相关研究
1.2.1 3D生物打印的分类
1.3 课题研究概况
1.3.1 研究意义
1.3.2 研究内容
第二章 3D生物打印系统的分析和设计
2.1 引言
2.2 3D生物打印的分类
2.2.1 按喷头的连续性
2.2.2 按成型工艺
2.2.3 按打印原理
2.3 3D生物打印的系统设计
2.4 3D生物打印模块搭建
2.4.1 喷头校正系统的设计
2.4.2 三维驱动方案的设计
2.4.3 气动供料方案的设计
2.4.4 温度控制方案的设计
2.4.5 环境控制方案的设计
2.5 系统设备的控制方案
2.6 系统设备的搭建
2.7 本章小结
第三章 3D气动挤出过程CFD数值分析
3.1 引言
3.2 流体性质分析
3.2.1 明胶材料流体特性
3.3 明胶物理特性分析
3.3.1 明胶粘度和密度测试实验和方法
3.3.2 实验材料制备
3.3.3 实验装置
3.3.4 实验步骤
3.3.5 实验设计
3.3.6 明胶的粘度和密度的计算方法
3.3.7 测定结果分析
3.3.8 粘度和密度测定值
3.3.9 黏度系数和流动指数的测定值
3.4 有限元法和Fluent简介
3.4.1 有限元法和有限元差分法
3.4.2 Fluent简介
3.5 明胶溶液挤出流场数值模拟分析
3.5.1 喷头3D模型建立
3.5.2 喷头网格划分
3.5.3 边界条件的设置
3.5.4 材料属性参数的设置
3.5.5 求解计算以及收敛性验证
3.6 3D打印明胶溶液仿真结果和分析
3.6.1 不同挤出压力下溶液所受压力变化
3.6.2 不同位置下溶液所受温度变化
3.6.3 不同挤出压力下溶流速和流量的变化
3.6.4 不同温度下溶液粘度对喷头出口处速度的影响
3.6.5 喷头直径大小对流速的影响
3.7 本章小结
第四章 打印参数对3D生物支架的影响
4.1 引言
4.2 材料和方法
4.2.1 材料准备
4.2.2 实验过程
4.2.3 实验装置搭建
4.2.4 实验设计
4.2.5 分析方法
4.3 结果和讨论
4.3.1 明胶浓度和打印温度对挤出丝宽的影响
4.3.2 喷头直径和挤出压力对挤出丝宽的影响
4.3.3 挤出压力、进给速度和明胶浓度交联对挤出丝宽的影响
4.3.4 3D明胶支架合理的打印参数
4.4 本章小结
第五章 3D生物打印皮肤支架的预测模型
5.1 引言
5.2 打印材料的特性分析
5.3 打印过程预测模型
5.3.1 打印流速的预测模型
5.3.2 打印流量的预测模型
5.4 支架形态预测模型
5.4.1 挤出丝宽的预测模型
5.4.2 支架孔隙率的预测模型
5.5 本章小结
第六章 明胶3D打印实验验证与结果分析
6.1 引言
6.2 材料和方法
6.2.1 材料准备
6.2.2 实验装置搭建
6.2.3 实验设计
6.2.4 分析方法
6.3 结果和讨论
6.3.1 流量和流速的实验验证
6.3.2 挤出丝宽的实验验证
6.3.3 孔隙率的实验验证
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
附录
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果
本文编号：3683592
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