真空环境下电纺丝和RP工艺耦合的再生骨支架成形机理及数值分析与试验研究

再生骨支架成形设备的关键技术是骨组织工程研究的重点,具有广阔的发展空间和良好的市场前景。本项目正是瞄准该关键技术领域,以再生骨支架为研究对象,综合RP、电纺丝、真空等技术的优点,分析真空环境下成形区的温度场和静电场的分布及耦合关系,以及非牛顿流体的运动形态及电纺纤维的附着形态,研究再生骨支架综合成形机理和方法。运用流变学理论和CFD构建非牛顿流体等温流动的行为模型,进行材料挤出运动的数值模拟,获得相应的工艺参数。运用标度率理论研究电纺纤维直径与电压、喷丝距离、材料黏性等因素的关系,结合非稳定性理论建立电纺丝的行为模型,运用MATLAB进行数值模拟建立纳米纤维网的可控制造工艺。利用研究成果建立骨支架综合成形的试验平台,并进行大量的试验研究；通过CCD的监控和图像处理技术获得骨支架综合成形的大量试验数据,验证研究理论和技术的正确性,为再生骨支架成形设备的制造提供理论支持和试验数据。

本项目以再生骨支架为研究对象，将RP、电纺丝和真空冷冻等技术相结合，采用数值分析、优化理论、试验方法等，建立了相应的数值模型和求解方法，形成了骨支架综合成形工艺路线与成形理论，并取得了以下研究成果：1) 构建了低温环境下流场、电场和温度场的多物理场耦合关系模型，获得了工艺参数对支架成形性能的影响关系；2) 分析了RP工艺中材料连续挤出的流动行为，并分别设计和构建了气动式、活塞式RP挤出成形供料装置；3) 提出了以泰勒锥为监控对象，控制纺丝纤维直径的高压电场调控策略，以及基于CCD图像采集与处理方法修正和完善了电纺丝行为模型；4) 根据上述理论研究，设计并构建了再生骨支架综合成形试验平台；5) 通过RP与电纺丝方法叠层成形宏微观交错结构骨支架的试验研究，对综合成形工艺的可行性、有效性及原型系统的操作性进行了验证。研究结果表明，项目提出的基于多工艺融合的骨支架综合成形机理是可行的，开发的试验系统完成了预期的研究和试验，为进一步研究和开发再生骨支架成形设备提供了必要的理论与试验支持。