基于超声辐射力场的三维生物组织直写式制造关键技术研究

This project aims to explore the theory and methodology for fabricating three dimensional biological tissue based on ultrasonic radiation force field. Research contents include: 1) investigating the interaction mechanism between complex ultrasound and biomaterial to build a computational theory for ultrasonic radiation force; 2) research on the dynamic process during forming, flying and landing of biomaterial droplet by theoretical modeling and experimental observation; 3) developing a flexible technology for the synthesis and control of ultrasonic radiation force field; 4) questing for a layered manufacturing process for the construction of three dimensional tissue which is compatible with ultrasonic radiation force field; 5) developing a prototype system for fabrication of three dimensional biological tissue, and carrying out related experimental test and verification. This project combines the traditional ultrasonic technique with technological basis demanded by the fabrication of biological tissue and organ, which is located on the frontiers of manufacturing science. On promoting the development of traditional ultrasonic technology and manufacturing science, this project provides an original and common means for the research and production in biofabrication area.

本项目旨在探讨利用超声辐射力场实施三维生物组织器官直写式制造的理论与方法。通过对复杂时空特性超声波作用于微量生物材料的超声辐射力产生机理以及声致生物材料微滴形成、飞行和着陆过程的理论分析与实验研究，采用声波合成原理，柔性化、高精度地调控超声辐射力场的时空分布特性，实现基于超声辐射力场的生物材料微滴形成与图案化操作，并结合相应的叠层堆积工艺，发展一套基于超声辐射力场的三维生物组织器官直写式制造理论体系。.本项目将传统的超声技术与当前制造科学前沿领域的生物组织器官制造所急需的技术基础紧密和有机地结合起来，在推动传统超声和制造科学发展的同时，为生物制造领域的研究和生产提供一种新的共性技术手段。

本项目旨在研究利用超声辐射力场实施三维生物组织直写式制造的理论与方法。项目执行期间，课题组根据申请书计划内容，从理论、技术、系统、实验等方面开展系统研究工作，取得的主要研究成果包括：.1）理论方面：根据操纵对象特征尺寸，分别应用不可压缩势流理论和T矩阵方法，建立了任意声场中非规则Rayleigh散射体和共振散射体散射声场计算理论；依据超声波与操纵对象之间动量与角动量交换关系，建立了任意声场中非规则散射体超声辐射力与力矩计算公式，得到了基于基函数系统的入射声场优化设计方法；提出了一种模式匹配与逆滤波混合的空间声场合成方法，为克服障碍物的影响，提出一种基于联立积分方程的声场分离算法，从而达到非自由空间声场合成目的。.2）技术方面：针对轴对称球面聚焦超声束，研究傍轴区域的声场分布，在此基础上得到了焦点区域超声辐射力场表达式，进一步采用计算流体力学工具对流体射流喷射与失稳成滴过程进行模拟；在半空间超声辐射力分析基础上，提出一种基于换能器环形阵列的液滴图案化操纵方法，并对操纵过程中液滴与基底相互作用、传输过程、传输稳定性、传输效率等问题进行了深入研究；基于水凝胶溶胶-凝胶反应，提出一种通过反复实施液滴图案化操作过程，构建三维结构的直写式制造方法；应用显微视觉技术，对液滴图案化操作过程涉及的自动识别、跟踪、伺服控制问题进行了系统研究。.3）系统与实验：设计研制了液滴喷射装置、二维图案化操作系统、显微视觉成像系统、空间声场合成与测量系统等实验装备，为基于超声辐射力场实施液滴喷射与图案化操纵提供保障；在此基础上，对空间声场合成与测量、对象拾取释放操纵、声操纵静动态特性以及基于超声辐射力场的液滴图案化操作进行了实验研究工作。.项目研究相关成果在国外期刊发表论文4篇（已被SCI检索系统收录），授权国家发明专利3项，授权实用新型专利3项，后续成果将及时向国家基金委汇报。