面向皮肤组织工程的生物三维打印系统研制

摘要

生物三维打印技术采用“增材制造”原理，将复杂的三维组织器官离散成一系列二维层片结构进行构建，可以大大降低器官构建的难度，精确控制支架结构和支架内部细胞的分布，在构建多细胞的异质性组织方面具有无与伦比的优越性。本学位论文主要开展生物三维打印系统研制工作，从机械系统、电气控制系统和控制算法与程序三个方面完成设计工作，并建立打印过程数学模型，通过仿真和实验研究验证样机系统的可行性，为组织工程研究提供了新的研究手段。
　　本学位论文首先从功能和需求分析入手，确立样机系统设计目标。机械系统设计包括三维运动平台、喷头部件、供料系统和温控工作台等，完成机械结构设计和建模工作;电气控制系统以CMhp控制器为核心包括电源模块、电机驱动与反馈控制、阀驱动电路和I/O光隔等电气控制方案;以PID算法为核心，建立级联反馈控制方案，并在SPiiPlus MMIApplication Studio环境下利用ACSPL+语言进行系统配置和编程控制。以假塑性流体本构方程为基础建立打印过程流量、纤维直径和支架孔隙率的数学模型，通过采用MATLAB仿真，研究变量影响规律和打印过程的可控性。本学位论文还利用搭建的样机进行打印测试，采用海藻酸钠溶液进行支架打印，并利用CaCl2进行交联，通过测试流量、纤维直径和孔隙率以及支架形态来分析数学模型的准确性和样机系统的成形能力。最后通过成纤维细胞打印实验验证样机打印活细胞和构建人工组织的可行性。
　　本学位论文各章节主要内容如下：
　　第一章为绪论部分，指出课题研究背景和意义，介绍生物三维打印技术的原理和方法，并介绍生物三维打印技术的开发和应用研究现状，在此基础上给出本课题的研究内容。
　　第二章为系统功能原理分析和总体方案设计，确立系统设计目标。系统采用气动式喷头挤出原理、龙门单驱式双喷头结构设计方案，包括三维运动平台、喷头部件、供料系统和温控工作台四个部分，采用CMhp控制器和ACSPL+高级脚本语言进行编程控制.
　　第三章详细介绍生物三维打印系统的机械结构、电气控制和控制程序方案。机械系统设计采用SolidWorks三维软件，实现四轴同步驱动运动平台、压力分级输入喷头结构、气动调压供料系统和分体式温控工作台方案设计和元件计算选型，给出总体设计图。电气控制系统以CMhp控制器为核心，采用AutoCAD软件设计供电、直线电机/伺服电机驱动与反馈控制、阀驱动和I/O光隔电路等电路方案，给出电气控制二维总装图。采用以PID算法为核心，建立三环级联反馈控制方案，并在SPiiPlus MMI Application Studio环境下利用ACSPL+语言进行系统配置、电机驱动、原点标定、阀驱动、组织打印等程序编写，完成调试工作。
　　第四章为了研究挤出参数和挤出纤维形态的可控性，对喷头内部流场建模分析。简化喷头模型，利用假塑性流体本构方程，建立流量、纤维直径和孔隙率与压差、喷头直径、喷头长度、稠度系数和流动指数等变量之间的数学模型。最后利用MATLAB进行流体参数拟合，并通过仿真研究流量、纤维直径和孔隙率与变量的关系，通过反求变量值可获得打印实验中的参数设定值。
　　第五章为实验部分，采用玻璃胶和海藻酸钠溶液打印，打印的海藻酸钠支架与CaCl2交联，良好的支架结构表明样机具有良好的成形能力;实验测量流量、纤维直径和孔隙率等参数，与仿真结果比较验证预测模型的准确性;采用成纤维细胞进行打印研究，通过LIVE/DEAD细胞活性检测分析验证样机打印活体细胞的可行性。
　　第六章对全文进行总结，提出下一步工作进展。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 生物打印技术原理及分类

1．2．2 国内外生物技术开发和应用现状

1．3 课题主要研究内容

第2章 生物三维打印系统功能原理分析与总体方案

2．1 生物三维打印系统功能与需求分析

2．2 三维生物打印系统总体方案设计

2．3 本章小结

第3章 生物三维打印系统设计

3．1 机械系统设计

3．1．1 三维运动平台设计方案

3．1．2 喷头结构设计方案

3．1．3 供料系统设计方案

3．1．4 温控工作台设计方案

3．1．5 整体系统三维模型

3．2 电气控制系统设计

3．2．1 供电部分电路

3．2．2 控制器基础配置电路

3．2．3 电机驱动与控制电路

3．2．4 阀驱动与控制电路

3．2．5 温控工作台电路

3．3 控制与程序系统设计

3．3．1 系统程序相关配置

3．3．2 运行状态与故障监控

3．3．3 核心程序模块

3．4 本章小结

第4章 打印过程预测模型建立与仿真分析

4．1 流体性质分析

4．2 打印过程预测模型建立

4．2．1 支架材料特性分析

4．2．2 流体参数预测模型建立

4．2．3 支架形态的预测模型建立

4．3 模型仿真与结果分析

4．4 本章小结

第5章 生物三维打印实验与实验结果分析

5．1 实验设备与材料

5．1．1 实验设备与仪器

5．1．2 实验材料

5．2 实验与结果分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简介及攻读硕士期间科研成果