面向制备活性骨组织工程软支架的电喷射过程的调控机理与解耦控制及其试验研究

利用电喷射技术制备包含活性细胞的骨组织工程软支架极具发展潜力，但目前工艺及装备技术在可靠性和重复性方面还远不能满足组织工程的要求。本项目瞄准这一新兴并迅速发展的研究领域，定位于电喷射射流行为以及射流直径的调控机理及方法这一基础理论问题，采用混合数值模拟，系统辨识和机理建模的方法，研究电喷射过程的集中参数模型；通过讨论控制结构的等价变形，研究针对电压，供料速度和接收距离三参数耦合作用下的电喷射过程的解耦控制结构，并利用MATLAB控制工具箱研究带有自学习能力的多变量PID解耦控制器；利用电喷射过程的数值分析模型构建虚拟试验系统，研究包含闭环反馈控制的系统仿真验证方法；根据理论研究成果，建立试验原型系统，进行电喷射射流控制实验，通过CCD和微电流检测技术实现对射流运动轨迹及射流直径的间接监控，验证理论研究的正确性,为研究开发活性骨组织工程软支架成形设备提供理论和试验支持。

项目以组织工程和细胞打印为研究背景，针对电喷射技术所存在的问题，将研究重点锁定在电喷射射流行为以及射流直径的调控机理和方法上，建立了电喷射工艺参数与射流直径，射流运动行为特征参数之间的集中参数模型，确定了电喷射工艺中多个参数的解耦调控策略，并且建立了成形过程中溶剂挥发的数学模型；在此基础上，项目研究构建了能够实现电喷射成形工艺参数在线监控的自动电喷射试验原型系统，对理论成果进行了验证。此外，项目基于理论研究结果和自主构建的试验原型系统，开展了电喷射成形试验研究，提出并明确了近场直写静电喷射工艺方法，实现了生物CAD/CAM/静电直写电喷射成形的一体化集成制造；最后试验研究并成功实现了含活细胞的纳米纤维支架的制备，实现了细胞在电喷射过程中存活性的验证与初步调控。本项目在理论，技术和试验三方面获得的成果为制备微尺度再生支架或含活细胞的纳米纤维支架提供了重要理论和技术保障，同时这些成果在与现有生物3D打印技术相结合方面表现出巨大应用潜力，这对于构建具有宏微观复合结构的再生支架或者生物结构体具有非常重要的价值。