检索结果-南通市图书馆

dlp打印生物支架的细胞生长多物理场建模仿真及结构优化研究

维普期刊数据库

同方期刊数据库评论

在线全文

学校读者我要写书评

暂无评论

DLP打印生物支架的细胞生长多物理场建模仿真及结构优化研究

作者：李璟湖南大学

学位级别：硕士

目前,全球范围内对可供移植的器官及组织的需求呈指数级增长,而可供移植的器官严重短缺。光固化生物3D打印技术因具有可将载细胞的光敏性生物墨水快速成型转化为高精度、高细胞均匀度、高几何复杂的生物支架的优势,有望成为构建体外功... 详细信息

目前,全球范围内对可供移植的器官及组织的需求呈指数级增长,而可供移植的器官严重短缺。光固化生物3D打印技术因具有可将载细胞的光敏性生物墨水快速成型转化为高精度、高细胞均匀度、高几何复杂的生物支架的优势,有望成为构建体外功能性人造组织的新方法、解决器官短缺问题的新思路。当前,已经有许多研究成功制造出毫米至厘米级的生物结构支架,但支架在体外培养过程中,不同培养环境、不同结构特性等因素,影响了其内部氧传质效应,从而导致支架整体活性无法长时间保证。现阶段,采用试验试错的方式对培养参数改进和支架结构优化以获得理想的高细胞活性支架,需要消耗大量人工、经济和时间成本。亟待开发一套可以准确预测生物支架的氧气分布及细胞密度变化的理论数学模型,来指导负载细胞精细化种植、支架结构优化和体外培养实验参数择优,为高性能生物支架的设计制造提供理论基础和研究工具。本文进行了如下三个方面的研究:(1)建立包含菲克扩散定律驱动的氧气分子扩散过程、米氏动力学方程描述的氧气消耗过程的氧气传质模型,并将细胞生长动力学中能有效反应细胞抑制的Contois经验模型进行多物理耦合,通过孔隙率等多孔介质参数调整,形成用于静态培养下光固化3D打印的生物支架的细胞生长多物理场模型。并借助有限元方法,将该模型用于具有多导孔的复杂神经支架的氧气传质分析和细胞密度预测。通过支架的数字光处理(Digital Light Processing,dlp)制造及细胞实验,验证了模型准确性。此外,利用模型对Gyroid结构参数筛选优化,从模拟层面证明了该结构用于血管化肝癌结构生物制造的优越性。(2)在静态培养下的dlp打印生物支架的细胞生长多物理场模型基础上,将N-S方程驱动的不可压缩层流和Brinkman方程驱动的多孔介质流CFD模型进一步耦合,赋予氧气以对流-扩散的新传质形式,形成了促氧传递能力更强的动态培养下dlp打印支架的细胞生长多物理场模型。基于该模型,实现了圆块状支架的动态培养下流体流动、氧气传质及细胞生长过程模拟,并通过支架的dlp打印及动态培养实验验证了模型对细胞生长趋势预测的准确性。此外,还探究了动态培养系统的不同入口流量、几何特征尺寸、初始细胞密度及初始孔隙率下的氧气传质及细胞生长规律,为后续体外培养实验、3D打印工艺参数及支架结构优化奠定基础。(3)基于COMSOL Multiphysics软件进行了二次开发,搭建了简易的用于生物支架多场模拟仿真的模型计算平台;提出了“两步优化法”这一支架结构优化策略,以平均氧浓度和细胞密度不下降为优化条件,以dlp打印精度为阈值、细胞数量最大值为优化目标,利用动态培养下生物支架多场模型,从模拟层面上,找到生物性能局部最优的多通道均匀分布支架结构,为体外培养的生物支架结构优化提供了新思路。

关键词：生物支架细胞生长多物理场模型 dlp打印建模仿真结构优化

生物水凝胶投影式光固化打印工艺及其在乳房重建中的应用研究

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

生物水凝胶投影式光固化打印工艺及其在乳房重建中的应用研究

作者：赵鹏程华东交通大学

学位级别：硕士

投影式光固化(数字光处理)其打印精度高、成型效率快等优势,在组织修复及重建中有广泛的应用场景。然而这种打印方式对生物材料依赖性比较大,因此需要开发具备良好流动性和高效光固化能力的生物墨水。本文制备了具有光固化能力的生物墨... 详细信息

投影式光固化(数字光处理)其打印精度高、成型效率快等优势,在组织修复及重建中有广泛的应用场景。然而这种打印方式对生物材料依赖性比较大,因此需要开发具备良好流动性和高效光固化能力的生物墨水。本文制备了具有光固化能力的生物墨水(F127DA),具有很好的流动性,并且具有较高的成型能力。对制备的墨水理化性能以及影响打印精度的工艺参数进行了系统研究。假体植入及脂肪移植是常用的乳房重建方式,单用假体植入外形不够逼真,而单用脂肪移植又难以达到足够的容量。为了达到良好的效果,临床上常常将两者结合使用,但需要分次实施,还未有报道将脂肪和假体合在一起植入的方法。论文基于所设计的仿生墨水(F127DA&PEGDA)和投影式光固化打印技术,开发了一种打印多孔假体的新方法。本研究具体研究内容如下:(1)第二章研究了光固化墨水的性能:第一,是对F127进行改性使其具有光固化的能力,通过与丙烯酰氯的反应将F127的端链上嫁接上碳碳双键使其具有光响应的特性,以及对是否嫁接上碳碳双键进行了核磁测试。第二,是对F127DA的一些性能测试,一是进一步证明其具备光固化能力,二是为摸索合适的打印条件做铺垫。分别对其流变性能、物理特性进行了测试,流变测试中的粘度和温敏性是为了证明F127DA没有破坏F127本身具有的特性,在特定温度下具有很好的流动性。光固化模量简单确定打印的曝光时间,以及光固化模量。物理特性里面的包括溶胀实验、水凝胶孔隙率和机械性能,没有溶胀和合适的压缩模量非常适合作为假体的材料。第三,是加入PEGDA来降低外界温度对材料流动性的影响,并对加入PEGDA后的流变性能进行了测试,确定了打印参数范围。这部分工作表明制备的F127DA不但能够单独作为3D打印的水凝胶材料,其优越的物理特性有很广的应用场景,这部分还为下一章提供了打印参数的参考。(2)第三章围绕着打印精度进行的,主要从软件、硬件和材料三个方面来研究影响打印精度的因素。软件方面:主要的研究对象是层高、光强、曝光时间。由于光强的设定在流变测试就已经确定了,所以只需要改变层高和曝光时间来观察对打印精度的影响,这三者是相辅相成的。硬件方面:硬件主要研究的是料槽的透光性,主要是通过对比光玻璃和毛玻璃的投影进行了对比。为了探索了解光玻璃和毛玻璃打印的区别,于是对料槽进行了透光性测试,将料槽放在显微镜下,用405nm的光照射,测出了其投影焦平面的图像。对比两者的投影结果和打印结果,最终发现光玻璃料槽打印精度更高。材料方面:研究对象有光吸收剂和光引发剂的材料配比、PEGDA浓度。光引发剂和光吸收剂两者是相辅相成的,随着光吸收剂(LAP)浓度的增加,所需要的曝光时间要降低,且LAP浓度越高效果越明显,这是因为随着LAP浓度的增加,光所能穿透的深度越深,引发效率越快,所以所需要的曝光时间就越少。最后选择的最佳打印配比就是0.2%LAP+0.1%柠檬黄+3%PEGDA和0.5%LAP+0.2%柠檬黄+3%PEGDA。(3)第四章聚焦于乳房重建研究,基于投影式光固化打印工艺开发了一种多孔假体。利用自体脂肪填充和假体再造相结合的方式来实现乳房重建,既可以保证乳房的美学外观,又可以解决自体脂肪“贫瘠”的情况。首先,对材料的生物相容性进行了评估,判断15%F127DA&3%PEGDA很适合作为乳房重建的材料。随后,打印出多孔假体并进行了压缩模量测试。最后,将SVF-Gels注入多孔假体,随后植入小鼠背上造模,最终通过评估脂肪的存活情况判断该实验的成功率。实验结果说明这种预置脂肪组织的多孔假体是一种很有前途的乳房重建方法。

关键词： F127DA水凝胶 dlp打印乳房重建

面向光固化打印的柔性聚氨酯点阵结构设计与力学性能优化

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

面向光固化打印的柔性聚氨酯点阵结构设计与力学性能优化

作者：梁英鹏华南理工大学

学位级别：硕士

由于点阵结构具有轻质、高比刚度、比强度、比吸能等优异的力学性能,这使得其越来越多地被应用于跑步鞋的中底、自行车鞍座、汽车坐垫、运动员的防护用具等生产生活中的各个领域。本文通过对现有的典型晶格结构进行归纳总结,衍生设计出... 详细信息

由于点阵结构具有轻质、高比刚度、比强度、比吸能等优异的力学性能,这使得其越来越多地被应用于跑步鞋的中底、自行车鞍座、汽车坐垫、运动员的防护用具等生产生活中的各个领域。本文通过对现有的典型晶格结构进行归纳总结,衍生设计出了具有高弹性、高吸能等特殊性能的晶格点阵模型;通过对点阵结构进行有限元仿真分析、多层次准静态压缩实验,建立了点阵结构的力学分析模型,讨论了不同晶格点阵结构模型在不同参数条件下的变形模式与吸能特性,形成了不同晶格类型的有限元仿真数据库,并根据实际力学性能需求完成了蒙皮点阵结构的参数优化和设计。本文主要工作包括:(1)以典型的体心四方(BCT)晶格结构为例进行力学分析,建立了其压缩模量与几何参数之间的一般性数值关系表达式,对采用商业软件Rhino建立的多层次BCT点阵结构数字光处理(dlp)打印模型的相对密度进行了更加准确的推导。另外,采用ANSYS参数化设计语言(APDL)以及多尺度单向准静态压缩实验,研究了其压缩模量与杆径、相对密度之间的联系,对比验证了单个胞元、单层晶格、多层晶格点阵结构模型之间的力学相似性,为后续点阵结构模型产品的优化设计提供了重要的理论支撑。(2)基于柔性聚氨酯材料打印了多种典型的晶格点阵结构模型,并进行了多组准静态压缩实验以及相应的有限元仿真分析。对比了不同晶格构型、不同直径以及不同相对密度对于点阵模型吸能特性的影响,发现八面体晶格与十四面体晶格有着更好的吸能特性。同时,本文提出了一种基于Kagome晶格的N-Kagome网架晶格结构,其吸能特性在相同参数条件下较普通晶格构型提升了30%以上。(3)对于聚氨酯复合材料的相关属性进行测试,分析了dlp打印设备的精度、稳定性以及可自支撑打印点阵结构模型的约束条件。然后,结合力学计算模型和实际力学性能需求,应用改进的遗传算法对点阵结构进行尺寸优化设计。结果发现,在相同的压缩模量之下,优化后的晶格构型较优化之前的晶格相对密度降低了46%,极大地减轻了模型的设计重量。(4)结合有限元仿真分析,提出了一种分区域变直径平滑过渡梯度优化算法,并以一款自行车鞍座点阵结构模型为背景,完成了其梯度优化设计。鞍座的相对密度由优化前的19.41%减小到了优化后的11.66%,充分地体现了点阵模型轻量化参数设计的优势。(5)基于Python语言提出了一种蒙皮点阵结构内外连接算法。结合BCT点阵结构的力学模型以及参数优化结果,通过配置VScode与Rhino软件之间的交互,完成了一款蒙皮点阵结构自行车鞍座从模型的参数化设计到一体化自支撑打印成型的整个生产过程,验证了点阵结构从设计到制备的一体化方案的可行性。

关键词：力学性能 dlp打印复合材料参数优化点阵结构连接算法

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

3D打印YAG透明陶瓷的研究

3D打印YAG透明陶瓷的研究

作者：沈奕汝上海应用技术大学

学位级别：硕士

YA1O(YAG)透明陶瓷凭借其优异的光学性能以及高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等优异的化学性质,在新型照明技术、红外探测窗、导弹圆顶、军事透明装甲等领域有着广泛的应用。传统的成型技术制备透明陶瓷往往存在成本高、工艺复杂、难以... 详细信息

YA1O(YAG)透明陶瓷凭借其优异的光学性能以及高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等优异的化学性质,在新型照明技术、红外探测窗、导弹圆顶、军事透明装甲等领域有着广泛的应用。传统的成型技术制备透明陶瓷往往存在成本高、工艺复杂、难以制备复杂结构等问题,随着增材制造技术的发展,可以有效解决以上问题,为透明陶瓷的发展提供了更广阔的前景。本课题采用数字光处理(Digital Light Processing,dlp)成型技术,在没有冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)或热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)工艺辅助的情况下,只通过精细排胶和真空烧结成功制备了高致密和高透过率的YAG透明陶瓷以及一些复杂结构的透明陶瓷。主要研究内容如下:首先,对于YAG浆料的制备进行系统的研究,主要研究了粉体粒径、分散剂种类、分散剂含量和固相含量对光敏浆料流变性能的影响,通过大量实验确定了平均粒径为1μm的氧化钇粉体和平均粒径为300 nm的氧化铝粉体,以CPD02作为分散剂,添加量为3 wt%时,制备出来的YAG浆料流变性能最为优异。同时,在烧结助剂的研究中,得出加入0.2 wt%正硅酸乙酯(TEOS)作为烧结助剂时,制备的陶瓷最为致密。其次,对于YAG陶瓷浆料的光固化性能进行系统的研究,通过打印曝光测试模型得出固化厚度和曝光时间之间的关系,以及对不同曝光时间下打印的生坯进行拉曼光谱测试,得到了聚合物在紫外光照射下的聚合转化率,最终确定最佳曝光时间为3 s。重要的是,对于YAG透明陶瓷的排胶和真空烧结工艺进行系统的研究,一共制定了三种不同的排胶制度和三种不同的烧结方案,研究了排胶时的气氛和升温速率,烧结时的升温速率和保温时间对陶瓷透过率的影响,结果表明,无论烧结方案如何,在95N/5H混合气下排胶是实现较好的致密化和光学性能的关键控制因素。此外,较低的升温速率确实可以促进致密化过程,并且可以平衡与在空气中排胶有关的一些缺点,获得的最高直线透过率高达77%。最后,成功制备了高质量且高透明的具有复杂形状结构的YAG透明陶瓷器件,包括“SIT”字母、Triply periodic minimal surfaces(TPMS)结构。

关键词： YAG透明陶瓷 dlp打印真空烧结直线透过率

在线全文

同方学位论文库

学校读者我要写书评

暂无评论

颅骨支架内嵌仿生血管网络增材制造工艺研究

颅骨支架内嵌仿生血管网络增材制造工艺研究

作者：盛麟天津大学

学位级别：硕士

移植骨支架功能化再生的快速实现取决于大量的血管生成。现有的移植支架依赖宿主的血管向内生长,可能会导致细胞代谢所需的氧气和营养物质的缺乏,而远离血管的细胞容易缺血性死亡。因此构建内嵌血管通道是解决支架成骨细胞深入困难、成... 详细信息

移植骨支架功能化再生的快速实现取决于大量的血管生成。现有的移植支架依赖宿主的血管向内生长,可能会导致细胞代谢所需的氧气和营养物质的缺乏,而远离血管的细胞容易缺血性死亡。因此构建内嵌血管通道是解决支架成骨细胞深入困难、成骨速度缓慢的关键。针对这一问题,本文依据颅骨板障静脉特征,提出2种打印工艺,利用快速热响应水凝胶实现内嵌中空血管网络增材制造,论文主要研究工作如下:首先,依据板障静脉特征设计一种具有血管壁与血管芯的血管网络。通过正交试验配置2种快速热响应水凝胶(k角叉菜胶):kca-SF-HA和kca-collagen-HA分别作为血管壁和血管芯打印材料;配制PNIPAAm-PEGDA水凝胶作为温度交联的基底材料。通过表征复合水凝胶的SEM、FTIR、溶胀性、降解性、细胞毒性、流变学、压缩性能和适印性,以水凝胶参数优化指标(POI)筛选出1.3%kca-1%SF-0.7%HA、0.9%kca-0.5%collagen-0.9%HA、5%PNIPAAm-20%PEGDA作为载细胞血管打印材料。此外,探明物理因素与适印性之间的关系,建立材料配制窗口。其次,提出基于挤出的间接打印工艺,以kca基水凝胶构建出具有血管壁和血管芯的中空血管网络,并利用PNIPAAm-PEGDA光聚合封装血管实现空间弧度。为了提高打印精度,探究挤出倍率、打印速度、热床温度、针头高度、针头长度、针头直径对宽度和高度精度的影响;建立热响应水凝胶的热床温度、针管加热温度与打印尺寸模型,优化打印参数。此外,探讨加热时间、加热温度、光照时间、材料浓度、样品长度、样品厚度与弧度曲率的关系,控制血管弧度以实现颅骨曲率。再次,采用dlp光固化工艺对PNIPAAm-PEGDA水凝胶实现内嵌血管网络的的直接成型。由于光散射与透射效应,透明水凝胶难以直接打印空腔,提出通过添加吸光剂包括苯胺黑、亮蓝和亮黑以优化x,y方向的精度,同时建立打印厚度模型计算单元切片上下表面成形差异以优化z方向精度。最后对直接打印和间接打印在血管打印特征、打印精度和打印多样性方面的差异进行探讨。最后,通过体内和体外细胞实验验证打印工艺的可行性。间接打印中,验证kca基水凝胶细胞挤出打印时的细胞沉降行为;直接打印讨论吸光剂的生物相容性和中空管道内种植细胞的细胞活性;体内实验通过建立颅骨缺损模型,验证载细胞支架的血管化与成骨进程,为血管网络的植入奠定基础。

关键词：中空多级血管 k角叉菜胶挤出打印 dlp打印适印性