海藻酸钙水凝胶挤出增材制造的材料设计与工艺研究

【摘要】：生物支架的制造是组织工程的核心技术之一。采用传统工艺制造生物支架存在诸多不足。本文设计优化海藻酸钙凝胶,研究基于挤出增材制造工艺的交联剂量最优配比,并研究挤出工艺参数对成形性能和成形质量的影响,最终实现了复杂三维生物支架的制造。具体取得了以下研究成果:(1)建立了凝胶挤出增材制造软硬件平台。(2)采用Phan Thien-Tanner(PTT)流体模型模拟海藻酸钙凝胶挤出过程,模拟结果显示凝胶挤出胀大比随体积流量增大而增大,随松弛时间的增大而增大,实物验证表明在供料量较小时具有较高的模拟准确度;对模拟结果中速度流场进行研究发现,当松弛时间增大时,凝胶在喷头出口处速度激增区越明显,凝胶挤出喷头后平均速度越小。(3)研究了交联密度和交联程度对凝胶性能的影响,结果表明当交联密度减小、交联程度增大时,凝胶速度增大;交联程度或交联程度增大时,凝胶的拉伸压缩强度增大,含水量减小。(4)通过改变层厚和喷头移速研究了其对直径成形精度的影响。(5)成形后支架采用氯化钙溶液浸泡处理使支架完全交联,研究表面当氯化钙溶液浓度越高,浸泡时间越长时,后处理后支架变形量越大,支架重量越小,支架发生失水现象。利用最优材料和工艺打印出三维支架,形状误差能够控制在10%以内,支架形状保持较好且具有一定的机械强度,支架XY方向上孔隙明显。本文对进一步优化工艺和制造更为复杂的三维支架提供了指导性建议。