随着器官芯片在药物研发和精准医疗领域的快速发展,其对高还原度和多样化的制造需求也日益提高。数字光投影式三维打印具有精度高、效率高和材料选择性广等特点,可用于器官芯片的个性化定制和批量生产,如打印仿生血管和软骨构件。然而,现有的数字光投影式三维打印系统普遍存光路复杂且功能单一的问题,同时投影光的非均布特征会降低打印精度并减小有效打印尺度,另外尚缺乏针对打印工艺的系统性研究。在打印跨尺度仿生血管时多采用分形设计,对天然血管的还原程度较低;当前调节软骨构件力学性能的方法主要有材料改性和尺度改变,但上述方法会造成软骨构件的界面连接性差异和几何特征偏差。因此,需要设计精度高且适用性广的数字光投影式三维打印系统,同时采用数值建模与实验相结合的方法对打印工艺进行研究,并针对非均布投影光造成的打印缺陷提出优化方法,最终实现跨尺度仿生血管和梯度软骨构件的设计与打印。为此,本文在国家自然科学基金项目“智能假肢手物体抓握过程中的滑移产生机理及其检测技术研究”(项目编号:51575485)的资助下,采用数值建模与实验研究相结合的方式,开展了器官芯片的数字光投影式三维打印系统设计,工艺研究与优化,以及应用的研究工作。第1章阐述了本论文的研究背景与意义,并结合相关研究的国内外研究综述,提出了本论文的主要研究内容;第2章提出了双模块数字光投影式三维打印原理与方案,并依次从入射光路、投影光路和打印平台完成了系统设计;第3章研究了数字光投影式三维打印的曝光参数影响,建立了打印厚度、平面尺寸与曝光时间关系;第4章和第5章探索了非均布投影光下的打印工艺优化方法,其中,第4章建立了打印厚度数值模型,研究了打印厚度的多步曝光控制方法;第5章研究了掩膜版灰度对投影光功率密度的影响机理与规律,提出了优化打印精度与有效打印尺度的灰度掩膜方法;基于第4章与第5章的打印工艺与优化研究,第6章开展了器官芯片应用研究,具体包括跨尺度仿生血管与梯度软骨构件的打印和细胞培养;第7章总结了论文的主要研究工作和创新点,并展望了未来的研究工作。研究成果表明,设计的双模块数字光投影式三维打印系统可以满足器官芯片在制造精度、尺度和材料适用性方面的应用需求,系统的最小打印尺寸可达20μm。建立的打印厚度数值模型可准确计算给定投影光功率密度和曝光时间下的打印厚度,同时可反求非均布投影光条件下的理论曝光时间分布。采用打印厚度的多步曝光控制方法,可将打印厚度差异由350 μm降低到30 μm;提出的灰度掩膜方法可显著改善投影光的分布均匀性,并提高打印精度和有效打印尺度。在应用方面,打印的跨尺度仿生血管具有较好的结构稳定性、以及在无外力驱动下的流体自动填充特性,同时可对A549细胞进行排布;通过更改曝光时间,使正八面体立方框架型软骨构件具有4.1～6.1 kPa的梯度弹性模量,并与3T3成纤维细胞相互作用,形成了与天然软骨生理结构相似的编织状细胞-PEGDA框架系统。本论文研究的创新之处在于:(1)建立了曝光时间和光功率密度共同影响下的打印厚度数值模型,利用多步曝光实现了打印厚度均匀性的控制。(2)提出了非均布投影光的灰度掩膜优化方法,显著提高了数字光投影式三维打印的精度和尺度。(3)设计并打印了无需外力驱动即可实现流体填充的跨尺度仿生血管,并实现了对A549上皮细胞的排布。(4)提出基于曝光时间的PEGDA凝胶力学性能调控方法,实现了在不改变几何特征和光敏预聚物基础上的梯度软骨构件打印。