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微纳电子技术 2024年第3期61卷 126-135页

作者：杜搏达亓剑张国亮郑淑贤天津职业技术师范大学机械工程学院天津市高端智能数控机床工程研究中心天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300350 天津大学机械工程学院装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300354

针对临床人工血管不具备诱导内皮化的内表面微结构,无法为内皮细胞生长提供合适的力学环境的问题,设计并制备了一种具有内表面拓扑结构的仿生血管(BVST),实现了壁面剪切力的优化分布。基于内皮细胞的形态分布,设计了具有正交、菱形、圆... 详细信息

针对临床人工血管不具备诱导内皮化的内表面微结构,无法为内皮细胞生长提供合适的力学环境的问题,设计并制备了一种具有内表面拓扑结构的仿生血管(BVST),实现了壁面剪切力的优化分布。基于内皮细胞的形态分布,设计了具有正交、菱形、圆弧三种内表面拓扑结构的仿生血管。通过仿真分析,发现正交与菱形结构的BVST对血液流速影响较小,周期波动相近,且BVST的内表面拓扑结构能减缓细胞流速、增加细胞滞留时间,有利于内皮细胞在进行体外培养时沉积、黏附在BVST内表面。通过对比BVST与无拓扑结构仿生血管的剪切力分布,发现BVST整体剪切力分布更加均匀。分析单个拓扑单元内的剪切力分布,发现菱形拓扑单元内部剪切力分布均匀且连续,剪切力变化较小,有利于内皮细胞的生长。将聚己内酯(PCL)溶于二氯甲烷(DCM)配制质量分数35%的PCL-DCM溶液,采用内径为0.2 mm的针头,在移动速度40 mm/s、电压5.8 kV、针头高度1 mm、挤出气压0.05 MPa的条件下,基于电纺直写技术制备具有拓扑结构的仿生血管内膜;将拓扑结构浸水黏附在纺丝收集柱,基于静电纺丝技术制备仿生血管外膜,获得具有内表面拓扑结构的双层仿生血管。提出的仿生血管设计与制备工艺可为血管内皮化研究提供参考。

关键词：增材制造电纺直写仿生血管剪切力拓扑结构内皮细胞

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仿生血管3D增材成型方法及其骨架力学性能研究

仿生血管3D增材成型方法及其骨架力学性能研究

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作者：陈瑶哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

3D增材成型技术的飞速发展使其在医疗领域的应用愈发广泛,如运用3D增材技术制造医疗模型、生物器官、人体植入物等。一些严重的心血管疾病治疗需要血管移植物,而目前所能制备的人工血管受材料、技术和性能条件的限制大多难以满足使用要... 详细信息

3D增材成型技术的飞速发展使其在医疗领域的应用愈发广泛,如运用3D增材技术制造医疗模型、生物器官、人体植入物等。一些严重的心血管疾病治疗需要血管移植物,而目前所能制备的人工血管受材料、技术和性能条件的限制大多难以满足使用要求。因此,为实现低成本、高性能人工血管的制备,设计一种满足人体功能及力学性能要求的人工血管结构及操作方便的制备方法是十分必要的。本论文根据人工血管的设计要求,既要满足一定的回弹性,又要满足承压要求,首先提出一种刚柔耦合的仿生血管组成结构,并设计了刚性特质骨架结构,从而解决了只有单一柔性血管壁力学性能不足的问题。针对几种常见的骨架结构周期胞元形状,确定了结构参数,运用Solid Works建立骨架结构三维模型,并分别从回弹性、柔顺性等多方面对几种结构进行非线性静力学分析。通过对比其各方面的力学性能表现,选定负泊松比蜂窝结构作为骨架构型。通过分析结构变形特征,对骨架结构进行多目标参数优化设计。建立负泊松比蜂窝胞元结构的力学模型,根据推导的弹性模量公式,找出影响结构弹性性能的主要因素,运用ANSYS软件的Design Exploration模块对刚性特质骨架结构的主要参数进行优化设计。骨架结构的流固耦合分析及疲劳寿命预测。通过建立管路的流固耦合动力学方程,运用ANSYS软件Fluent模块和Transient Structural模块对仿生血管结构进行双向流固耦合分析,仿真得到流固耦合作用下血液流速变化及骨架受力变形情况;同时运用COMSOL Multiphysics软件对骨架结构进行疲劳特性分析,预测在血液高低压循环应力作用下的骨架疲劳寿命。仿生血管的成型方法设计。基于刚性材料的熔融沉积(FDM)打印技术以及柔性材料的Polyjet打印技术,设计了一种同时打印刚性特质骨架结构和柔性管壁结构的仿生血管成型方法。通过理论分析柔性材料的打印轮廓,研究打印工艺,以确保打印质量。

关键词：仿生血管骨架结构参数优化流固耦合分析 3D增材成型

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微流控芯片仿生血管的构建及COPD患者血栓形成检测

微流控芯片仿生血管的构建及COPD患者血栓形成检测

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作者：王家亮大连医科大学

学位级别：硕士

目的:慢性阻塞性肺疾病(Chronic objective pulmonary disease,COPD)是呼吸系统疾病中比较常见的一种以阻塞性通气障碍为主的肺部疾病。它是以慢性气管支气管炎合并肺气肿为主要表现的一组综合性疾病。大量研究证实慢性阻塞性肺疾病(CO... 详细信息

目的:慢性阻塞性肺疾病(Chronic objective pulmonary disease,COPD)是呼吸系统疾病中比较常见的一种以阻塞性通气障碍为主的肺部疾病。它是以慢性气管支气管炎合并肺气肿为主要表现的一组综合性疾病。大量研究证实慢性阻塞性肺疾病(COPD)不是一种单纯的肺部疾病,而是一种具有广泛肺外损害的全身性疾病,对各个系统均可产生极其广泛的影响,近年来国内外文献广泛关注COPD患者由于全身炎症反应引起的血液高凝状态,即血栓前状态。随着深入的研究,大量文献的支持,COPD导致的血栓前状态也逐渐被人们所了解和接受。这使得COPD患者具有并发血栓的高风险。目前在疾病死亡率上COPD与艾滋病一起并列世界第四,而COPD并发血栓栓塞症也已经成为一个主要的致死、致残原因。现有的文献更多的关注,COPD慢性全身炎症对血液中凝血因子的影响,那么除了血液的高凝状态,COPD本身是否直接参与血栓形成呢?已逐渐成为困扰临床及实验室研究的问题,那么有没有一种切实可行的方法,来解决这一问题呢?我们利用流控芯片技术构建了一个具有血流动力学特点的3D仿真血管,在该微流控芯片血管中,应用简单、直接、可视的方法研究COPD患者血栓形成的过程及其高危因素。为未来体外研究血管病变提供平台,为COPD患者是否临床应用抗凝治疗提供理论基础。方法:本实验基于微流控芯片技术,体外模拟构建3D仿真血管。利用微流控芯片技术的高通量、可视化特点,应用免疫荧光技术,研究健康者及COPD患者血液在不同状态的微流控芯片仿生血管内的血栓形成面积及其速度,评估COPD患者形成血栓的风险及其高危因素。方法是:1.构建微流控血管模型;2.用炎症因子及氯化钴化学缺氧的方式来模拟COPD存在的各种不同阶段的受损伤的血管;3.将临床采集的血液标本,经过离心、染色、再离心的方法制备可用于实验的全血;4.将处理过的血液样本,通过注射泵以一定速度泵入我们的各组血管芯片中,倒置荧光显微镜观察实验结果,得出数据进行讨论分析。结果:本实验成功的构建了微流控血管模型,通过增加微流泵,模拟了血液在血管内的流动,成功在体外微流控芯片血管中再现血流动力学特点,并在该微流控芯片血管中,观察到了血栓形成的过程,证实了COPD患者的血液处于高凝状态,慢性炎症及缺氧均参与了COPD患者的血栓形成过程,在COPD急性加重期的炎性损伤和缺氧加剧了血栓的形成。结论:本实验构建的微流控芯片血管再现了血流动力学,仿真模拟了体内真实的环境,为研究血管内病变提供了基础;COPD患者体内缺氧及慢性炎症均参与了血栓形成过程,在COPD急性加重期患者中,急性炎性损伤加剧了血栓形成,为临应用抗凝治疗提供了理论依据。

关键词：慢性阻塞性肺疾病血栓前状态微流控芯片仿生血管体外凝集

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微流控纺丝技术制备非典型螺旋微纤维及其应用

微流控纺丝技术制备非典型螺旋微纤维及其应用

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作者：郭永诗五邑大学

学位级别：硕士

螺旋纤维因其具有独特的螺旋旋转几何结构、三维可拉伸性和形状回复性能受到越来越多的关注,人们已证明在生物医学工程、微电机、传感器和智能领域中具有潜在的应用前景。然而,在微尺度上制备独特新颖的螺旋结构仍然是一个挑战。因此,... 详细信息

螺旋纤维因其具有独特的螺旋旋转几何结构、三维可拉伸性和形状回复性能受到越来越多的关注,人们已证明在生物医学工程、微电机、传感器和智能领域中具有潜在的应用前景。然而,在微尺度上制备独特新颖的螺旋结构仍然是一个挑战。因此,本文提出一种利用微流控芯片纺丝装置通过精准控制微流体流动和反应动力学的连续纺丝方法,制备出超应变灵敏、结构类南非植物方便面弹簧草螺旋弯曲结构的非典型螺旋微纤维(BT-微纤维),开发其在生物医学和传感智能领域中的应用,具体研究内容如下:(1)设计并构建多微通道的PDMS微流控纺丝装置,基于微流控纺丝方法制备海藻酸钙纤维。研究微流体的速度、组分等对微流控纺丝的影响,选择最优的纺丝参数进行实验,以实现BT-微纤维的制备。分析制备BT-微纤维的形成机理,提出“粘度不对称卷绳效应”并利用有限元(FM)模拟微流体在微通道中的流动和固化后连续流动的过程,将实验结果和理论研究相结合,解释微流体的变化过程及非典型螺旋结构形成的现象。基于流体的“空间占位效应”和流体在微通道中层流流动的特性,制备中空BT-微纤维。并且在微纤维形成的过程中,通过改变微流体的初始流速精确调控微纤维的尺寸;(2)对BT-微纤维的力学性能分析,并且通过有限元(FM)模拟典型螺旋结构和非典型螺旋结构纤维在相同的拉伸的条件下,纤维表面的应变分布情况,解释非典型螺旋结构应变分布不均匀,具有应变超灵敏性,是理想的传感结构。为进一步探究非典型螺旋结构的超应变灵敏性,制备Gel AM/非典型螺旋结构微纤维复合膜,将从SD乳鼠提取的原代心肌细胞播在复合膜上培养,监测心肌细胞的搏动能力,检测到心肌细胞的收缩动力约为9.07×10 m N;(3)采用制备中空BT-微纤维的微流控装置,将海藻酸包裹人脐静脉内皮细胞,研究细胞在纤维中的生长情况和生理活性,证明该细胞负载该微纤维培养和仿生血管构建系统中应用的可行性,实现人造血管模型的初步构建,为今后开展血管等组织或者器官的体外模拟和研究奠定了基础;(4)采用微流控纺丝技术一步成型聚(3,4-乙撑二氧噻吩)∶聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)核壳导电BT-微纤维。对PEDOT:PSS核壳导电BT-微纤维进行基础性能表征,并为了扩宽其应用范围,采用PDMS复合成PEDOT:PSS核壳导电BT-微纤维/PDMS复合膜。

关键词：微流控纺丝螺旋纤维应变传感器仿生血管导电纤维

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医用仿生材料的研究进展及其发展趋势

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生物医学工程与临床 2015年第1期19卷 84-89页

作者：但年华刘新华但卫华刘婷胡杨琚海燕肖世维四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室.生物医学工程技术研究中心四川成都610065

医用仿生材料已成为材料科学与工程学的研究热点。文章在大量调研工作的基础上,回顾和总结了前人在医用仿生材料方面所做的工作,重点综述了用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管的研究进展,并展望了医用仿生材料... 详细信息

医用仿生材料已成为材料科学与工程学的研究热点。文章在大量调研工作的基础上,回顾和总结了前人在医用仿生材料方面所做的工作,重点综述了用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管的研究进展,并展望了医用仿生材料的发展前景。

关键词：仿生骨仿生皮肤仿生肌腱仿生血管医用仿生材料

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