细胞及生物材料的成形制造技术

人体组织和器官的重建及修复一直是生命科学、医学等相关领域研究的热点,制造科学、材料科学与生命科学不断发展及交叉融合,使得体外构建人体组织和器官的功能性替代物成为可能。将细胞及生物材料作为成形加工的对象,在体外构建具有特殊三维结构及功能的类组织前体,扩大了现代制造科学的学科领域及内涵,拓宽了材料加工技术的应用领域,也为生命科学的发展注入了新的活力。从制造科学的角度,在阐述细胞与生物材料的成形制造中所涉及的主要科学问题的基础上,从单一的细胞、材料以及细胞和材料共同参与的成形制造等3个方面总结了国内外主要的成形制造技术及研究进展,并进行了分析和评价。

压铸镁合金激光焊气孔形成原因的实验研究

压铸镁合金因含气量高而使得激光焊接气孔问题非常突出,为实现压铸镁合金的低气孔率焊接技术,通过对母材固态加热前后气孔孔特征参数、密度变化的分析以及焊前除氢后施焊与不除氢施焊气孔倾向的比较,研究了压铸镁合金中气体来源的特点及气孔形成过程.结果表明,母材中同时含有分子氢和原子氢,以高压气孔形式存在的分子氢以及以过饱和固溶形式存在的原子氢均是导致压铸镁合金激光焊产生大量气孔的原因,而向焊缝中引入Zr元素可以显著降低气孔倾向,但Zr的作用机理还有待于深入研究.

基于快速原型的组织工程支架成形技术

组织工程是生物制造的重要发展阶段,通过先成形生物材料的支架,然后在上面复合细胞的方式,来实现组织器官的人工制造。支架的性能在组织工程的应用中非常重要。相比传统的支架成形方法,基于离散—堆积原理的快速原型技术,所制造的支架个性化程度较高:支架的孔隙率、力学性能、生物相容性和降解特性等方面,可以通过参数设计和材料选择的方法进行人工设定;因此非常适于构建结构性的组织和器官。介绍了现有的基于快速原型的组织工程支架的成形技术,总结了其特点及应用现状,并分析讨论了其优缺点。

高孔隙率聚(乳酸—羟基乙酸)共聚物组织工程支架快速成形新工艺

提出一种新的快速成形(Rapid prototyping,RP)工艺方法,用于成形具有可设计的多级孔隙结构、贯通的大孔结构和高孔隙率的骨、软骨组织工程支架。它将基于离散/堆积原理的快速成形工艺与相分离、致孔剂浸出法两种传统工艺相结合,将致孔剂与高分子溶液混合制成悬液,由压力注射式喷头按照计算机设计的路径挤出至低温环境,冷冻固化、粘结成形并发生相分离,溶剂结晶被冷冻干燥去除后留下一级孔隙结构(<10μm),致孔剂被去除后留下二级孔隙结构(10～100μm),按照RP所设计的路径可构建任意复杂外形和三级孔隙结构(>100μm),且可以保证支架具有超过90%的孔隙率。此外,由于分散颗粒可以提高高分子溶液的粘度,解决连续挤出原理喷头无法成形具有高孔隙率的低分子量支架材料,降低材料对喷射/挤出手段的要求。此处将其用于成形要求降解速度快、孔隙率高的聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物(Poly(Lactide-co-glycolide),PLGA)的软骨组织工程支架。

电子束选区熔化成形316L不锈钢的工艺研究

电子束选区熔化是一种利用电子束逐层熔化金属粉末制造三维实体零件的增材制造技术,在航空航天、医学植入体等领域有很好的应用前景。利用316L不锈钢粉末为材料,研究粉末熔化阶段电子束功率恒定、单遍扫描对成形件上表面粗糙度的影响。发现电子束功率P与扫描速度v的比值是影响上表面形貌的关键因素,随着P/v值的增加,上表面形貌由网结状变化为沟壑状,同时粉末材料的飞溅增加。研究上表面形貌随成形高度增加而演变的过程,发现形貌随高度增加不断恶化,并解释了形貌恶化的原因。提出电子束功率递增、多遍扫描的方法,先用低功率电子束使粉末材料熔化聚球但不飞溅,再用大功率电子束使材料重新熔化并充分流动、浸润。这种方法改善了成形件上表面的形貌,表面粗糙度Ra小于8μm,获得的组织均匀细密,致密度高达99.96%。相对于单遍扫描,多遍扫描不会造成主要元素的额外烧损。

喷射技术在生物制造工程中的应用

生物制造工程是快速成形与生物材料、生物医学相互融合形成的新兴交叉学科。生物材料喷射技术是生物制造工程核心技术之一。在实际应用的基础上,研究了螺杆挤压喷射、活塞挤压喷射、气动挤压喷射、微滴喷射技术、激光引导直写技术和电纺丝技术、蘸笔纳米刻蚀技术的原理、使用范围和优缺点,并介绍了国内外相关技术的最新进展。喷头的选取在一定程度上决定了支架的成形精度和复杂程度．可以通过对不同喷射技术的出丝直径、成形效率和适合材料比较,来选择合适的喷射技术。生物制造中喷射技术的发展主要有四个方向：在满足一定成形精度的要求下,尽量扩展喷射技术的材料使用范围：在一定的材料应用范围内,尽量提高精度；追求喷射技术精度在量级上的提高；尽量减少在喷射过程中对材料的影响。

组织工程支架快速成形技术研究现状

组织工程支架为细胞的增殖提供三维空间和新陈代谢的环境,并决定新生组织器官的形状与大小,其成形技术一直是组织工程的研究热点。组织工程支架的制备从技术方法角度来看,一般分为非快速成形制备法和快速成形(Rapid prototyping,RP)制备法,而RP制备法因其成形精度高、柔性大,逐渐取代传统的非快速成形制备法。系统地介绍目前研究较多的几种组织工程支架的RP技术,其中包括直接成形和间接成形的RP技术,并分析不同技术各自的成形材料、工艺流程、成形精度、应用范围以及优缺点。同时指出在组织工程中,RP技术现阶段的技术难点仍然是进一步增大材料广泛性、提高成形精度以及适应复杂支架结构,而未来的研究热点则是集中在对生物材料的直接成形与加工。

核电主管道锻件锻造成形均匀性模拟研究

核电主管道是核电站关键部件之一。AP1000主管道用钢316LN无法通过热处理细化晶粒,锻造不均匀性导致的混晶最终无法消除,需要在锻造过程中保证锻件变形的均匀性。基于上平下V砧拔长时应变分布规律,通过理论分析,定量给出翻转角度与V砧角度、压下率的关系;改进'双压法'翻转工艺,并在此基础上提出'三压法'翻转工艺。数值模拟结果表明,上平下V砧翻转新工艺显著提高了锻件截面周向变形的均匀性,且越靠近外表面变形不均性的改善越明显。普通砧形翻转新工艺锻件内部存在小变形区,可以通过大圆角V砧翻转新工艺进行改善。研究结果可为主管道锻造工艺方案制定及优化提供理论参考。

基于多目标遗传算法的板料拉深成形工艺参数优化设计

以多种工艺参数(压边力、摩擦因数等)作为优化变量,多种成形缺陷(起皱、破裂等)作为优化目标,结合多目标遗传算法和数值模拟,建立了板料拉深成形工艺参数的优化设计模型。为了减少数值模拟的次数,利用人工神经网络建立了各种工艺参数和模拟结果之间的映射关系,大大提高了优化的效率。以汽车消声器为例,对其拉深成形工艺参数进行了优化,通过对优化结果进行数值模拟可以看出,该优化参数完全避免了各种缺陷的产生,这说明该优化算法具有较好的优化结果。

基于遗传算法和神经网络技术的板料拉深成形参数优化

结合数值模拟和人工神经网络技术,建立了板料拉深成形的加工参数(压边力和冲压速度)与其成形质量之间的映射关系,既保证了精度,又减少了数值模拟次数。在神经网络建模的基础上,利用遗传算法对板料拉深成形的加工参数进行了优化,通过实例可以看出,该方法具有较好的优化结果。

聚氨酯耳廓软骨支架的快速成形工艺

在体外构建外形逼真、机械强度可调节的个性化耳廓软骨支架,是组织工程方法修复外耳耳廓缺损的重要方向之一。针对这一研究目的,采用基于快速成形原理的熔融挤出成形方法,使用颗粒状聚氨酯生物材料,通过搭建试验平台,设计一系列工艺因素对成形过程及支架力学性能的影响试验,研究制造耳廓软骨支架的最优工艺参数范围。试验发现:喷头温度影响材料挤出稳定性和弹性;成形室温度影响结构整齐度和层间结合度;送料速度和扫描速度,与挤出速度的匹配关系,影响出丝的均匀度和成形过程的稳定性;不同扫描速度的喷头所形成的温度场分布,影响已成形结构的弹性;成形过程存在最小局部反复造型面积;温度以及CLI数字模型离散处理参数,影响支架力学性能。结果表明,熔融挤出成形方法制备的聚氨酯材料耳廓软骨支架,不仅可以实现逼真的耳廓外形,还可通过控制各种工艺参数,得到接近天然耳廓的力学强度,以满足临床中不同病患的个性化需求。

快速制造技术的发展现状及其展望

快速成形制造(RPM)技术自20世纪80年代问世以来,一直保持着迅速发展的势头,进入21世纪,其发展更加为人们所重视,并被称为快速制造(Rapid Manufacturing,RM)技术。利用快速成形制造的方法直接制造三维金属零件是当前国际快速原型技术研究的热点之一,其研究的目标是生产制造小批量且具有复杂形状和较高使用性能的功能零部件。

钢制车轮轮辐冲压成形的有限元模拟

随着汽车工业的快速发展,对车辆安全、环保、节能等方面提出了更高的要求,使得在汽车车轮制造中,热轧高强度钢板的应用变得越来越广泛。高强钢轮辐的冲压工艺也成为了重要的研究对象。本文以AutoForm有限元软件为平台,针对钢制车轮轮辐的冲压成形过程进行了三维有限元建模,对关键工序——拉深、反拉深、成形进行了数值模拟。通过比较模拟结果与实际零件的厚度变化规律,验证了有限元模型的可靠性。在此基础上,分析了回弹在成形件上的分布规律。

浅议工程材料课程教学与大学生自主学习

在初步分析工程材料课程特点、教师教学现状和学生学习阶段特点的基础上,结合自身的教学经历,粗浅地探讨了引导、激励学生自主学习的必要性和可行性。其中,通过教师引导学生学会课堂总结、恰当利用多媒体资讯、结合教师自身科研拓展学生视野、改革和完善评价机制等方式激励学生自主学习尤为重要。通过教与学的改革,有理于全面培养学生的科研素养和综合素质。

尖笔直写成形工艺与应用研究

生命体微结构特征的构建是组织工程学的重要任务,这对成形技术提出了技术挑战。以管状血管支架成形为代表,目前的成形工艺在精度上尚待提高,且无法直接使用生物材料成形。尖笔直写技术以压缩气体提供微输运动力,用微尖保证成形精度,且对材料的生物活性没有影响,从而使制造具有微米级结构特征的三维支架成为可能。深入研究了该成形工艺,以混合糖制备了单层薄壁管支架和多级管支架,并用数值模拟的方法分析了工艺参数对尖笔直写技术的影响。

基于海藻酸钠的组织工程水凝胶纤维丝的成形工艺研究

目的探究组织工程水凝胶纤维丝的成形工艺方法,分析成形参数对纤维丝成形的影响。方法利用海藻酸钠在二价阳离子作用下迅速交联的机制,采用海藻酸钠基材料在氯化钙溶液中连续挤出成丝的方法制备纤维丝,并在旋转流场中完成纤维丝的缠绕收集。结果在合适的成形参数下,实现水凝胶纤维丝的连续稳定成形,得到直径小且均匀的水凝胶纤维丝,还制备了含有细胞的水凝胶纤维丝,结果表明细胞在丝中能够有效存活,生长情况良好。结论基于微单元体组装的"自下而上"组织工程构建思路,成功设计开发了纤维丝的成形工艺,系统研究了成形质量与成形参数之间的关系,成功制备了纤细均匀的和含有细胞的水凝胶纤维丝。

基于尖笔直写的组织工程支架成形工艺研究

利用流体在微尖上流动的性质,提出并介绍了尖笔直写快速成形技术,搭建了高精度三维成形平台。根据组织工程支架的要求,提出利用尖笔直写技术-溶模浇铸制备三维支架的工艺路线,选择了水溶性无毒生物材料作为溶模材料。使用聚氨酯制备了多分支管状支架,该支架具有较高的精度和互相贯通的微孔。

固体火箭发动机TC4构件的3D打印制造研究

为了研究3D打印制造技术在固体火箭发动机领域的应用可行性,以某典型铣削制造难加工的固体火箭发动机用金属支撑构件为研究对象,在制备技术、基础性能、效率对比、结构轻质化、使用性能等方面进行了研究,获得了3D打印制造TC4构件的性能数据、数值分析结果及实现工程应用的研究路径。较传统铣削制造工艺,3D打印构件不仅可满足工程应用要求,还可协同结构优化设计,实现制备效率提升50%、轻质化结构最大减重13.6%及最大拉力达63.9kN,为难加工、复杂零件的轻质化高效成型提供了新的途径,值得进一步深入系统研究。

基于分步凝胶化的纤维蛋白快速成形工艺

基于分步凝胶化的快速成形工艺可实现纤维蛋白支架的成形:先借助明胶的低温凝胶化特性成形明胶纤维蛋白原混合材料支架,继而用凝血酶凝胶化支架中的纤维蛋白原,最后于37℃水溶液环境中将明胶从支架中溶出。凝胶化过程研究表明,凝血酶浓度同时影响了纤维蛋白凝胶化速度及最终的微观结构,明胶在凝胶化过程形成的微晶区域使其吸光度值持续缓慢下降。通过控制明胶凝胶化程度可得到液滴态、连续丝态、不稳定丝态等出丝形态,以连续丝态为参照确定了明胶成形的最佳温度区域。分步凝胶化成形工艺可制备二分支管道、网格立方等三维支架。扫描电镜观察发现支架具有典型纤维蛋白特征的纤维网络结构及纤维蛋白与明胶相互融合形成的带膜纤维网络结构。

Mg-Gd-Y-Zr合金可控冷却速率实验方法及凝固组织的X射线断层扫描表征

建立了可控冷却速率的实验方法、凝固过程测温方案和合金内部温度推算方法,对Mg-6Gd-3Y-0.5Zr(质量分数,%)(GW63K)合金开展可控冷却速率实验,结合X射线断层扫描技术、扫描电子显微镜和X射线能谱分析等实验表征手段,表征可控冷速镁合金的凝固组织形貌并获取定量信息,研究了冷却速率对GW63K合金凝固组织微观形貌、定量信息的影响和变化规律。结果表明:在GW63K合金凝固组织中,共晶呈网络状分布在晶界处,形状不规则的第二相呈岛状分布在共晶组织中;平均冷却速率R_(c)在0.13~0.33℃/s范围内,随着冷却速率的增加,网状共晶组织更密集、均匀和连续,第二相分布更均匀、尺寸更小,微观溶质偏析减小,第二相和共晶体积分数均呈下降趋势。