面向人工皮肤的仿生三维多孔点阵支架结构研究

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组织工程学是指通过将生命科学与工程学原理进行结合,研究和开发某种生物替代物并将其运用于器官和组织修复。其中,构建三维组织支架是必不可少的一个环节,该种组织工程支架必须要满足一定的机械力学性能要求,并且支架的结构形态需要设计精准的匹配值,否则支架结构所具有的生物机械性能、几何以及液体传输等特性会因其局部或整体结构的变化产生不可逆的影响,进而影响种植在支架中的细胞活性。因此,设计具有良好结构形态及优秀机械性能的支架对组织工程研究有重要意义。提出了一种将单元胞体与空间点阵相结合的支架结构设计方法,即三维多孔点阵支架结构。并对组织工程支架制备的现状和进展做了简要综述,分析了三维支架结构在组织工程医学修复中的应用潜能及前景。探讨了不同种类的三维点阵结构在受到单轴压缩后所表现的机械力学性能以及吸能特性。设计了不同结构的单元胞体并探讨其力学性能;基于单元胞体构建了4种三维多孔点阵结构,并采用特定配比方式的光固化柔性树脂材料,通过DLP数字光处理(Digital Light Processing,DLP)3D打印技术制造成型。基于有限元分析和实验验证的方法,分析对比所设计的三维点阵结构在相对密度、结构强度以及吸能特性等方面的特点。筛选出了具有良好机械性能的点阵结构,并研究不同参数下结构的力学性能特点。研究了基于不同拓扑结构的三维多孔点阵结构的压缩力学性能。构建了一系列由不同单层点阵结构排列所设计的拓扑三维点阵结构,并通过有限元以及实验,验证了拓扑点阵结构较普通点阵结构有较好的压缩吸能特性。基于仿生设计的原理,分析了皮肤纵切面的结构特点,根据其相对密度由高到低进行排列的特点设计了仿皮肤三维多孔点阵结构,并对结构进行压缩及有限元模拟分析,最终得到了具有较宽压缩吸能平台的多孔点阵结构。同时,验证了通过密度梯度设计的三层点阵结构较普通三层点阵结构拥有更宽的压缩应力平台。本文所研究的三维多孔点阵结构具有良好的机械力学性能以及压缩吸能特性。所设计的柔性多孔支架不仅可运用于人工皮肤的体外构建,而且对诸如组织工程中所需的组织支架设计具有一定的推动作用。同时,也为可穿戴柔性装置的填充设计提供了一种新的指导思路。
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