基于气动控制的蔗糖支架3D打印工艺参数的研究

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组织工程技术是通过在体外对组织细胞进行培养,使其增殖分化为可替换的组织或者器官。组织工程支架的制备和支架材料的选择是组织工程的一个重要研究领域,支架是细胞进行增殖分化的载体,其孔道为细胞所需的营养物质和排泄废物提供了输送通道,同时支架材料要具有与细胞增殖分化“对等”的降解速率。近年来,随着科技的进步,组织工程支架制备技术也与时俱进,材料的选择也越来越多。相比较于传统的支架制备技术,3D打印技术的“个性化”定制功能,使其在组织工程支架的制备方面越来越具有优势。蔗糖材料,在自然界中广泛的存在,包含了人体必需的基本元素,且具有良好的生物相容性和一定的降解速率,又易于成型,使其在快速成型制备组织工程支架方面具有突出的优点。同时,在对一些具有复杂结构的支架模型进行成型时,为了避免发生局部坍塌,也可以利用蔗糖作为打印过程中的辅助支撑或者填充模具。而当前利用快速成型技术和蔗糖制备组织工程支架的研究很少,因此研究蔗糖支架成型的工艺参数和对蔗糖支架进行有效的评估是非常有必要的。  本课题基于以上的研究背景,进行了如下的工作:  (1)通过蔗糖材料的差示扫描量热分析(differential scanning calorimetry,DSC)实验,研究了蔗糖在温度升高的过程中其热反应和玻璃化转变温度的变化情况,利用蔗糖的粘度测试实验,得到了蔗糖在快速成型过程中需要加热的温度范围为150℃-180℃;  (2)设计了基于气动控制的3D打印系统,能够实现对打印材料的精确堆积;通过对熔融状态的蔗糖在喷头内的流动进行模拟和分析,验证了蔗糖支架打印实验的可行性;  (3)将打印过程中影响成型质量的因素如浆料制备和喷嘴的选择、温度-气压匹配、分层参数设定、速度-气压匹配等进行总结和讨论,最终得出蔗糖支架良好成型的工艺参数,即黄铜头喷嘴、扫描速度10mm/s、喷头温度170℃、挤出气压0.3Mpa、平台温度7℃;  (4)通过对良好成型的蔗糖支架在显微镜下进行标定和分析,利用统计学的原理,与支架模型的预设值进行对比分析,验证了支架成型尺寸的准确性,分析了影响其成型质量的其他因素,最后通过对支架进行液体浸泡测量出其平均孔隙率为81.893%,满足组织工程支架对孔隙率的要求,为后期将蔗糖材料应用于组织工程领域奠定了基础。
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