本文關(guān)鍵詞：面向皮膚組織工程的生物三維打印統(tǒng)研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：生物三維打印技術(shù)采用“增材制造”原理,將復(fù)雜的三維組織器官離散成一系列二維層片結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建,可以大大降低器官構(gòu)建的難度,精確控制支架結(jié)構(gòu)和支架內(nèi)部細(xì)胞的分布,在構(gòu)建多細(xì)胞的異質(zhì)性組織方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性。本學(xué)位論文主要開(kāi)展生物三維打印系統(tǒng)研制工作,從機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和控制算法與程序三個(gè)方面完成設(shè)計(jì)工作,并建立打印過(guò)程數(shù)學(xué)模型,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)的可行性,為組織工程研究提供了新的研究手段。本學(xué)位論文首先從功能和需求分析入手,確立樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、噴頭部件、供料系統(tǒng)和溫控工作臺(tái)等,完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模工作；電氣控制系統(tǒng)以CMhp控制器為核心包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與反饋控制、閥驅(qū)動(dòng)電路和I/0光隔等電氣控制方案；以PID算法為核心,建立級(jí)聯(lián)反饋控制方案,并在SPiiPlus MMI Application Studio環(huán)境下利用ACSPL+語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)配置和編程控制。以假塑性流體本構(gòu)方程為基礎(chǔ)建立打印過(guò)程流量、纖維直徑和支架孔隙率的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)采用MATLAB仿真,研究變量影響規(guī)律和打印過(guò)程的可控性。本學(xué)位論文還利用搭建的樣機(jī)進(jìn)行打印測(cè)試,采用海藻酸鈉溶液進(jìn)行支架打印,并利用CaCl2進(jìn)行交聯(lián),通過(guò)測(cè)試流量、纖維直徑和孔隙率以及支架形態(tài)來(lái)分析數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和樣機(jī)系統(tǒng)的成形能力。最后通過(guò)成纖維細(xì)胞打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)打印活細(xì)胞和構(gòu)建人工組織的可行性。本學(xué)位論文各章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章為緒論部分,指出課題研究背景和意義,介紹生物三維打印技術(shù)的原理和方法,并介紹生物三維打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上給出本課題的研究?jī)?nèi)容。第二章為系統(tǒng)功能原理分析和總體方案設(shè)計(jì),確立系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)采用氣動(dòng)式噴頭擠出原理、龍門(mén)單驅(qū)式雙噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,包括三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、噴頭部件、供料系統(tǒng)和溫控工作臺(tái)四個(gè)部分,采用CMhp控制器和ACSPL+高級(jí)腳本語(yǔ)言進(jìn)行編程控制第三章詳細(xì)介紹生物三維打印系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和控制程序方案。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用SolidWorks三維軟件,實(shí)現(xiàn)四軸同步驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、壓力分級(jí)輸入噴頭結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)調(diào)壓供料系統(tǒng)和分體式溫控工作臺(tái)方案設(shè)計(jì)和元件計(jì)算選型,給出總體設(shè)計(jì)圖。電氣控制系統(tǒng)以CMhp控制器為核心,采用AutoCAD軟件設(shè)計(jì)供電、直線電機(jī)／伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與反饋控制、閥驅(qū)動(dòng)和I/0光隔電路等電路方案,給出電氣控制二維總裝圖。采用以PID算法為核心,建立三環(huán)級(jí)聯(lián)反饋控制方案,并在SPiiPlus MMI Application Studio環(huán)境下利用ACSPL+語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)配置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、原點(diǎn)標(biāo)定、閥驅(qū)動(dòng)、組織打印等程序編寫(xiě),完成調(diào)試工作。第四章為了研究擠出參數(shù)和擠出纖維形態(tài)的可控性,對(duì)噴頭內(nèi)部流場(chǎng)建模分析。簡(jiǎn)化噴頭模型,利用假塑性流體本構(gòu)方程,建立流量、纖維直徑和孔隙率與壓差、噴頭直徑、噴頭長(zhǎng)度、稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)等變量之間的數(shù)學(xué)模型。最后利用MATLAB進(jìn)行流體參數(shù)擬合,并通過(guò)仿真研究流量、纖維直徑和孔隙率與變量的關(guān)系,通過(guò)反求變量值可獲得打印實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)定值。第五章為實(shí)驗(yàn)部分,采用玻璃膠和海藻酸鈉溶液打印,打印的海藻酸鈉支架與CaCl2交聯(lián),良好的支架結(jié)構(gòu)表明樣機(jī)具有良好的成形能力；實(shí)驗(yàn)測(cè)量流量、纖維直徑和孔隙率等參數(shù),與仿真結(jié)果比較驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性；采用成纖維細(xì)胞進(jìn)行打印研究,通過(guò)LIVE/DEAD細(xì)胞活性檢測(cè)分析驗(yàn)證樣機(jī)打印活體細(xì)胞的可行性。第六章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié),提出下一步工作進(jìn)展。
【關(guān)鍵詞】：生物三維打印 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 程序控制 預(yù)測(cè)模型 實(shí)驗(yàn)分析
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：R622.1;TP391.73
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Summary7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 研究背景及意義11-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀13-20
• 1.2.1 生物打印技術(shù)原理及分類(lèi)13-17
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)外生物技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀17-20
• 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容20-23
• 第2章 生物三維打印系統(tǒng)功能原理分析與總體方案23-33
• 2.1 生物三維打印系統(tǒng)功能與需求分析23-26
• 2.2 三維生物打印系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)26-32
• 2.3 本章小結(jié)32-33
• 第3章 生物三維打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)33-61
• 3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)33-44
• 3.1.1 三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案33-36
• 3.1.2 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案36-40
• 3.1.3 供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案40-42
• 3.1.4 溫控工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案42-43
• 3.1.5 整體系統(tǒng)三維模型43-44
• 3.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)44-52
• 3.2.1 供電部分電路45
• 3.2.2 控制器基礎(chǔ)配置電路45-46
• 3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路46-50
• 3.2.4 閥驅(qū)動(dòng)與控制電路50-51
• 3.2.5 溫控工作臺(tái)電路51-52
• 3.3 控制與程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)52-60
• 3.3.1 系統(tǒng)程序相關(guān)配置52-55
• 3.3.2 運(yùn)行狀態(tài)與故障監(jiān)控55-56
• 3.3.3 核心程序模塊56-60
• 3.4 本章小結(jié)60-61
• 第4章 打印過(guò)程預(yù)測(cè)模型建立與仿真分析61-77
• 4.1 流體性質(zhì)分析61-63
• 4.2 打印過(guò)程預(yù)測(cè)模型建立63-71
• 4.2.1 支架材料特性分析63-64
• 4.2.2 流體參數(shù)預(yù)測(cè)模型建立64-67
• 4.2.3 支架形態(tài)的預(yù)測(cè)模型建立67-71
• 4.3 模型仿真與結(jié)果分析71-76
• 4.4 本章小結(jié)76-77
• 第5章 生物三維打印實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析77-85
• 5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料77-79
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器77-78
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)材料78-79
• 5.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析79-84
• 5.3 本章小結(jié)84-85
• 第6章 總結(jié)與展望85-87
• 6.1 總結(jié)85-86
• 6.2 展望86-87
• 參考文獻(xiàn)87-93
• 作者簡(jiǎn)介及攻讀碩士期間科研成果93

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