生物材料压电微液滴喷射工艺研究
组织工程,又叫再生医学,通常指利用生物活性物质,通过体外培养或构建的方式,再造或者修复组织及器官的技术.随着相关技术的不断进步,组织工程学已经由最初的无细胞单一生物材料构建向更复杂更真实的多细胞微环境构建发展.生物3D打印作为最重要的组织工程体外构造技术,在打印精度、可控性和打印体中细胞成活率控制方面亟需获得更大的突破.本文以压电喷射3D打印在组织工程中的应用为研究目的,分析了不同压电陶瓷驱动器的振动模式,选用陶瓷-铜片复合式元件作为膜片式压电喷头的驱动器,喷头内腔采用优化改进设计的圆锥形截面;剖析传统管式压电喷头的结构并分析其流体喷射过程中的能量损失和无法喷射高粘度材料的原因,并给出了优化改进型的管式压电喷头设计方案和器件选型.两种喷头均采用易拆装独立封装式玻璃喷嘴.设计制作热拔式玻璃喷嘴拉制仪.喷头背压系统选用正向压力控制.使用低帧率CCD相机,搭建高速微液滴检测系统.对压电喷射时流体材料的喷出过程和喷头驱动参数进行试验研究.利用压电喷头试验了多种粘度值的材料,建立最低驱动电压与粘度值之间的关系曲线.总结了喷射试验过程中卫星滴现象和斜射流现象,并研究了两种异常现象与驱动参数的选择和喷嘴孔径轮廓形状的规整度之间的关系.选用膜片式压电喷头,喷射浓度为0.5%的海藻酸钠,研究了一定范围内驱动信号的脉冲幅值、脉冲宽度和脉冲频率对压电喷射时的微液滴小球的直径和速度的影响.分析海藻酸钠的固化机理,对不同浓度值的材料进行试验研究并分析微液滴的固化后形态,以坍塌程度为评价标准对材料浓度进行正交试验并得出最优浓度方案.定性分析并给出了降低模型打印坍塌程度的固化打印方案.依据正交试验的结论和打印方案,利用管式压电喷头进行生物模型3D结构打印,获得了结构完整,尺寸较准确,坍塌程度较低的生物模型三维结构.验证了正交试验结论的准确可行性和压电喷头生物打印的可靠性.
- 作者：
- 张传杰
- 学位授予单位：
- 沈阳理工大学
- 专业名称：
- 机械电子工程(专业学位)
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 郑雄飞；杨旗
- 中图分类号：
- R318.08
- 关键词：
- 生物制造；按需喷射；压电喷头；海藻酸钠；固化坍塌
- Biofabrication； Drop-on-demand injection； Piezoelectric printhead； Sodium alginate； Curing collapse