生物3D打印作为3D打印在生物工程领域最为重要的应用,是一种将3D打印和组织工程完美结合的技术。基于凝胶材料进行的生物3D打印是把凝胶作为打印材料来制备3D实体:将凝胶和待打印的细胞混合形成生物材料,然后将此材料打印成实体,经过培养后含有细胞的支架可以生长为具备生物活性的组织结构,并预期应用于未来的器官移植。因此研究和改进凝胶支架打印工艺,提高打印支架的精度及其各项性能,将很好地推动3D打印在生物领域的发展。本文研究了复合材料的配制,使其适合打印,构建了基于复合凝胶打印过程数学模型和挤出过程有限元仿真模型,对影响打印过程参数进行了研究和分析,并得到相关的优化参数,最后通过试验验证了相关方法并对打印的支架进行了检测分析,结果表明:能得到较好质量的打印支架。主要研究工作如下:1.对打印材料的组成与配比进行了研究:分析了海藻酸钠和明胶的粘度特性,用实验法确定了适合bioplotter打印的粘度范围,探究了氯化钙对凝胶的影响,确定了最佳交联浓度和胶化温度;最后根据粘度、机械性能等情况确定复合凝胶的最优配比。2.构建了复合凝胶挤出打印数学模型及仿真模型,分析影响打印过程精度关键因素:为了研究针头挤出参数和实验中目标参数的预测,本文在了解挤出凝胶材料的流体特性的基础上,通过简化锥形针模型,考虑滑移效应因素,建立了流体参数预测模型和打印参数预测模型,可预测流量、线宽和孔隙率等目标参数,然后利用MATILAB对数学模型进行理论计算,最后使用fluent仿真软件对凝胶挤出胀大现象进行了模拟仿真,从而得出气压,移动速度和纤维间隔等工艺参数的最佳范围。3.以制备的明胶/海藻酸钠复合溶液为材料在bioplotter设备上进行支架打印试验,以前述理论模型及仿真软件得到的打印参数作为控制参数进行多组试验打印,结果表明:在温度37℃、压力1.8bar、移动速度10.7mm/s和间隔1.2mm这组打印参数的控制下,可以得到较好的打印结果。最后针对打印过程中的断丝等问题提出了解决方案。4.复合凝胶支架的各项性能测试与分析。研究发现,孔隙率、线条间的接触面积和线条相对位置的不同是影响支架机械性能的三个关键因素,要结合支架恢复率和机械性能来选择合适支架;氯化钙交联的复合支架有更好的热稳定性,有助于支架保持结构稳定;溶胀率和降解速率实验结果表明,复合凝胶支架的溶胀率短时间内达到最大值750%,同时支架以相对均匀的速率进行降解。生物相容性实验表明氯化钙交联对支架上细胞生长十分重要,支架无细胞毒性,打印的支架有利于细胞生长和增殖。