[發(fā)明專利]一種微細血管管道3D打印路徑預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104361154B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔友平;呂云鵬;陳國金;蘇少輝;陳昌;陳慧鵬;劉海強;彭章明
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物制造領(lǐng)域，涉及一種微細血管管道3D打印路徑預(yù)測方法。

背景技術(shù)

細胞打印是組織工程中新興的技術(shù)，近10年來，國外對細胞打印的進行了初步的研究，對多種類型的細胞打印成形已經(jīng)進行了實驗嘗試。目前，細胞打印主要有兩種方式，其一是激光直寫方式，其二是類似噴墨打印的細胞噴射方式。由于噴墨打印具有低噴射液滴速度、無需加熱等優(yōu)點，如今的噴墨技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于細胞打印工程中。目前對細胞打印的研究針對的是打印細胞的活性，而對細胞打印方式，缺乏深入的研究，其適用介質(zhì)的范圍，打印時間間隔和打印驅(qū)動脈寬等打印控制參數(shù)對細胞損傷的影響，以及細胞懸液的密度對打印效果的影響等缺乏詳實的分析，缺乏細胞打印過程中細胞受損的理論依據(jù)，不但限制了其應(yīng)用，而且嚴重阻礙了專用細胞噴射裝置的研制，無法實現(xiàn)工程化細胞打印。K.K.Haller對細胞液滴與剛性表面的碰撞作用進行了建模分析，當液滴撞擊到表面時，液滴會被壓縮和不斷的變形；Wei Wang工作團隊分析了在氣泡膨脹的過程中，細胞液滴的機械負載情況，研究了在液滴形成過程中細胞受損的機理，并且分析了粘度對氣泡膨脹過程的影響，然后針對細胞的著落過程，研究了單個細胞液滴與水凝膠之間的碰撞過程；但是上面的建模分析大部分是針對單一液滴或者單個細胞而言的，現(xiàn)實中細胞打印過程是細胞層層堆積的過程，這過程中伴隨了多顆打印生物墨滴的著落粘附與碰撞，這些因素造成打印管壁的變形，甚至打印完全失敗，因此考慮打印過程中細胞液滴造成的沖擊力影響，并根據(jù)沖擊力引起的變形方程，反推出未變形前的曲線段序列作為打印軌跡，可以得到較為理想的打印形狀。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在微細血管3D打印方面，提出一種打印預(yù)補償路徑的方法，該方法考慮液滴噴射造成的沖擊、重力、浮力等諸多影響因素，以理想的圓管為目標，并將打印過程中的管壁簡化成曲梁模型進行變形求解，最后得到一系列分段曲線作為補償打印路徑。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟(1).打印初始參數(shù)準備：

設(shè)定打印微細血管參數(shù)，包括打印管道厚度、半徑、長度值、材料參數(shù)等，根據(jù)打印管道厚度，控制打印機輸出頻率和電壓大小，得到相應(yīng)直徑的液滴以及液滴的速度，進而計算液滴造成的沖擊力，整合沖擊力、浮力、重力，并對其豎直方向和水平方向進行分解，得到作用在打印微細管上水平和豎直方向的受力分析；

步驟(2).打印過程簡化曲梁方程組構(gòu)建，以及方程組求解：

微細血管在打印過程中進行簡化建模，這里將打印過程中的微細管視作曲梁，將整個打印過程沿打印管道圓周方向分為相同長度的分段打印軌跡，以曲梁端部受沖擊力進行變形的過程作為微細血管在打印過程中所受力后的變形，然后根據(jù)整合的受力分析建立具體方程組，方程組的建立過程：首先根據(jù)分段打印軌跡單元的受力平衡，得到平衡方程，然后根據(jù)力系等效關(guān)系，得到變形后分段打印軌跡的分布載荷方程，最后根據(jù)軸向力，得到軸線的伸長率方程。

該方程組的求解過程分三步進行，第一步計算在豎直方向力的作用下簡化曲梁力矩分布求解；第二步計算在力矩作用下曲梁對應(yīng)位置發(fā)生的角度變形，第三步根據(jù)角度變化計算變形后的做標改變值，對得到的坐標值進行擬合，從而推導(dǎo)出變形前形狀曲線。重復(fù)三步計算，得到若干分段打印軌跡曲線，作為若干打印預(yù)測路徑。

步驟(3).預(yù)測軌跡的形成：

按照角度關(guān)系由小到大排列上述步驟(2)若干分段打印軌跡曲線，得到預(yù)測微細血管打印軌跡。

目前微細血管的打印過程還處于實驗階段，主要靠經(jīng)驗來打印模型，本發(fā)明以打印過程中受到的綜合力學(xué)進行動態(tài)分析，從而補償打印沖擊產(chǎn)生的變形，得到比較理想的打印形狀，對微細血管的打印具有重要的指導(dǎo)意義。本發(fā)明方法簡單可靠，很容易上手，便于使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的受力分析圖；

圖2是微細血管打印過程具體算法流程圖；

圖3是一個預(yù)測好的打印軌跡實例。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的分析。

由圖2所示，本發(fā)明方法包括如下步驟：

步驟(1).根據(jù)設(shè)定的打印微細血管參數(shù)，計算液滴沖擊力F_impact：

所述的打印微細血管參數(shù)包括打印管道厚度h，打印管道半徑r，打印管道長度值b，打印材料彈性模量E。