面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验

摘要

背景:随着组织工程的发展,3D生物打印技术可通过打印生物质材料来构建皮肤支架,但工艺参数不明确,打印过程中经常出现堆积和不连续情况。目的:通过3D生物打印机和有限元软件Fluent进行数值模拟,以获得合理的挤出压强、黏度、喷头行走速度、喷头直径、温度参数,解决明胶纤维打印过程中的堆积和不连续问题。方法:以5%明胶纤维素溶液为打印材料,采用3D生物打印机和限元软件Fluent进行数值模拟,设置打印温度分别为5,15,25℃,打印压力分别为0.16,0.18,0.2MPa,喷头直径分别为0.21,0.26,0.41mm,检测喷头针尖处的流速与流量;以合适的参数3D打印明胶纤维皮肤生物支架,扫描电镜观察支架结构。结果与结论:3D生物打印明胶纤维皮肤生物支架过程中,设置打印温度在15℃、喷头行走速度为30mm/s、压力为0.18MPa、喷头直径为0.21mm时,可保证喷头挤出的明胶纤维材料不会堆积或者断丝,连续性挤出明胶纤维,并且在上述打印条件下打印的丝宽1400μm左右;将此条件下打印的生物支架进行扫描电镜观察,可见支架的行与列分布较均匀,层与层之间的结合部位黏结牢固,不易变形,支架孔隙率约57%。