材料微挤出—成形制备组织工程支架流量建模与控制研究

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组织工程支架作为组织工程的三大要素之一,其在组织工程学的应用领域有着举足轻重的地位。支架作为组织工程的载体,它是一种多孔隙的三维结构体,必须要有足够小的孔隙和较高的孔隙率,并且孔与孔之间应相互连通,只有这样细胞植入后才能进入支架的内部,细胞所需的水分、无机盐以及其他营养物质易于渗透,细胞能很好地生长、繁殖,形成的组织才有较好的性能。因此,支架不仅是提供细胞生长的三维环境和新陈代谢的场所,同时也决定着新生组织器官的形状和大小。  鉴于支架对三维结构的严格要求,在支架制作过程中,对系统流体材料挤出量精度的控制便变的尤为重要,它直接影响着三维支架的成形效果。  论文主要工作及研究内容如下:  (1)首先对材料微挤出转移技术进行归纳总结,并指出了每种方式的优缺点及适用情况,重点引入了目前应用较为广泛的快速成型技术及其常见的几种方式方法。然后对国内外再组织工程支架方面的研究现状进行了综述,所归纳总结的内容可以为相关领域的研究人员提供一定的参考。  (2)在组织工程材料方面,归纳总结了常用的生物材料并对每种材料使用的范围进行了分类。在介绍了常见流体分类及材料的流变特性以后,分析了在支架制作中生物材料的应用及其流变特性,为后续的建模提供了一定的依据。  (3)壁面滑移是生物材料粘弹性行为的重要特征之一。在传统挤出成形流动分析时,通常假设流体粘附在通道壁面上,即与通道壁面间的相对速度为零,为无滑移边界条件。然而大量的研究表明,在一定条件下流体会沿着壁面滑动,产生壁面滑移。目前,在支架制作的过程中,材料微挤出的流量模型还较少,且大多没有考虑微尺寸通道流动下的壁面滑移情况。本文在考虑壁面滑移影响的情况下建立了微挤出过程的流量数学模型,利用数值分析软件Fluent进行仿真计算,结果证明了模型的准确性。  (4)在支架成形的微挤出过程中,由于气体的可压缩性,在针管内部剩余生物材料量发生变化时,气体的这种可压缩性会对挤出量产生不同程度的影响。由于空气的可压缩性及相应的迟滞性,随着流体材料剩余量的不断减少,使得在相同的压力作用时间下,系统所挤出的流体材料也会逐渐减少。最后,使用传统PID控制方法对压力作用时间进行补偿控制,通过延长电磁阀的打开时间来补偿生物材料剩余量减少对微挤出流量的影响。
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