面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1512

中国组织工程研究 ›› 2019, Vol. 23 ›› Issue (2): 245-250.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.1512

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面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验

陈冬冬¹，张琦¹，张鹏飞²，周骥平¹，姜亚妮³

¹扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127；²江苏牧羊控股有限公司，江苏省扬州市 255120；³扬州大学动物科学与技术学院，江苏省扬州市 225009

收稿日期:2018-07-11 出版日期:2019-01-18 发布日期:2019-01-18
通讯作者: 张琦，博士，硕士生导师，副教授，扬州大学机械工程学院农业机械及其自动化系，江苏省扬州市 225127
作者简介:陈冬冬，男，1992年生，江苏省东台市人，汉族，扬州大学在读硕士，主要从事3D生物打印的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81770018)；扬州市-扬州大学科技合作资金项目(SCX2017020015，项目负责人：周骥平)；江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题(JGLX16-109)；扬州大学创新创业教育改革项目(yzucx2016-3C，项目负责人：张琦)

3D bioprinted nozzle for skin scaffolds: CFD simulation and experiments

Chen Dongdong¹, Zhang Qi¹, Zhang Pengfei², Zhou Jiping¹, Jiang Yani³

¹College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; ²Su Shepherd Holding Co. (Jiangsu Province) Yangzhou 255120, Jiangsu Province, China; ³College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu Province, China

Received:2018-07-11 Online:2019-01-18 Published:2019-01-18
Contact: Zhang Qi, PhD, Master’s supervisor, Associate professor, College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
About author:Chen Dongdong, Master candidate, College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81770018; Yangzhou Municipality-Yangzhou University Science and Technology Cooperation Project, No. SCX2017020015 (to ZJP); Research and Practice of Postgraduate Education Teaching Reform in Jiangsu Province, No. JGLX16-109; Yangzhou University Innovation and Entrepreneurship Education Reform Project, No. yzucx2016-3C (to ZQ)

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

流场模拟：通过限元软件Fluent模拟3D生物打印机在不同压力、温度和不同喷头挤出直径下，实际的喷头流速变化情况。

气动挤压：通过气泵提供动力的来源，可设置不同的挤出压力大小，可以挤出明胶纤维溶液。

3D生物打印技术：是将3D打印技术应用到组织工程中，可实现具有复杂生理结构的一种制造方法，是3D打印技术的一个分支，通过增材制造原理将复杂的器官结构离散成一系列的二维层状结构，这种构建方法显著降低了复杂器官的构建难度，特别在一些异质性组织的构建方面，3D生物打印技术突破了传统制造技术的局限。

背景：随着组织工程的发展，3D生物打印技术可通过打印生物质材料来构建皮肤支架，但工艺参数不明确，打印过程中经常出现堆积和不连续情况。

目的：通过3D生物打印机和有限元软件Fluent进行数值模拟，以获得合理的挤出压强、黏度、喷头行走速度、喷头直径、温度参数，解决明胶纤维打印过程中的堆积和不连续问题。

方法：以5%明胶纤维素溶液为打印材料，采用3D生物打印机和限元软件Fluent进行数值模拟，设置打印温度分别为5，15，25 ℃，打印压力分别为0.16，0.18，0.2 MPa，喷头直径分别为0.21，0.26，0.41 mm，检测喷头针尖处的流速与流量；以合适的参数3D打印明胶纤维皮肤生物支架，扫描电镜观察支架结构。

结果与结论：3D生物打印明胶纤维皮肤生物支架过程中，设置打印温度在15 ℃、喷头行走速度为30 mm/s、压力为0.18 MPa、喷头直径为0.21 mm时，可保证喷头挤出的明胶纤维材料不会堆积或者断丝，连续性挤出明胶纤维，并且在上述打印条件下打印的丝宽1 400 μm左右；将此条件下打印的生物支架进行扫描电镜观察，可见支架的行与列分布较均匀，层与层之间的结合部位黏结牢固，不易变形，支架孔隙率约57%。

ORCID: 0000-0001-8332-9693(陈冬冬)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 明胶纤维, CFD模拟, 3D生物打印, 组织工程, 皮肤支架, 实验验证, 生物材料

Abstract:

BACKGROUND: With the development of tissue engineering, 3D bioprinting technology is used to prepare skin scaffolds. The process parameters are however unclear, and stacking and discontinuities often occur during the printing process.

OBJECTIVE: To conduct the numerical simulation by 3D bio-printer and finite element software Fluent so as to obtain reasonable extrusion pressure, viscosity, nozzle walking speed, nozzle diameter and temperature parameters to solve the problem of accumulation and discontinuity in the printing process of gelatin fibers.

METHODS: Using 5% gelatin cellulose solution as the printing material, the numerical simulation was carried out by using 3D bio-printer and software Fluent. The printing temperature was set at 5, 15, 25 ^oC, and the printing pressure was 0.16, 0.18, 0.2 MPa, respectively. The flow rate and flow at the tip of the nozzle were measured at 0.21, 0.26, and 0.41 mm. The gelatin fiber skin bio-scaffold was 3D-printed with appropriate parameters, and the scaffold structure was observed by scanning electron microscopy.

RESULTS AND CONCLUSION: When the printing temperature was set at 15 ^oC, the nozzle walking speed was 30 mm/s, the pressure was 0.18 MPa, and the nozzle diameter was 0.21 mm, the gelatin fiber material could be continuously extruded but not stacked or broken. Under the above printing conditions, the width of printed filament was about 1 400 μm. For the biological scaffold printed under this condition, the row and column distribution of the scaffold was more uniform shown by the scanning electron microscope, and the bonding site between the layers was firmly bonded and not easily deformed. The porosity of the scaffold was about 57%.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Gelatin, Tissue Engineering

中图分类号:

R459.9

R318

陈冬冬，张琦，张鹏飞，周骥平，姜亚妮. 面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(2): 245-250.

Chen Dongdong, Zhang Qi, Zhang Pengfei, Zhou Jiping, Jiang Yani. 3D bioprinted nozzle for skin scaffolds: CFD simulation and experiments[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(2): 245-250.

图/表（结果） 7

2.1 明胶纤维生物质材料黏度、密度见表1，2。

随着温度不断的升高，不同质量分数明胶纤维溶液的黏度与密度不断减小，说明当打印温度不断提高时，明胶纤维溶液需要吸收大量能量来分解大分子链，因此明胶纤维溶液质量分数会不断降低，这个分解大分子链的过程中，通常也伴随着一定程度明胶纤维溶液体积的增加。明胶溶液大分子链的活动能力加强，黏度会不断减小。

2.2 不同打印压力下喷头针尖处溶流速和流量的变化在保证打印材料属性参数(质量分数5%明胶纤维溶液)和温度(25 ℃)不变的前提下，使用0.21 mm喷头模拟研究喷头在0.16，0.18，0.2 MPa下喷头流速和流量的变化情况。从图5中可看见，明胶纤维溶液在0.16 MPa压力挤出下流速所呈现的规律一致：从挤出口到针尖上部溶液的流速变化不明显，这是因为挤出压力比较稳和料筒结构没有出现突然的尖角，0.18，0.20 MPa压力下均呈现同样的规律，在此喷头整体速度流场图省略。从图6中看出，在针尖溶液出口部位的溶液流速很大，是因为针尖直径急剧变小，溶液流速变大。0.16 MPa挤压下喷头出口处溶液的流速为 36.7 mm/s，0.18 MPa挤压下喷头出口处溶液的流速为 61 mm/s，0.20 MPa挤压下喷头出口处溶液的流速为 121 mm/s。随着压力不断增加，溶液在针尖处的流速不断增加，而在打印过程中发现，压力越大溶液在针尖处所受压力越小。

2.3 不同温度下溶液黏度对喷头出口处速度的影响选用0.21 mm针头，明胶浓度不变(质量分数5%明胶纤维溶液)、0.16 MPa挤出压力不变前提下，模拟不同温度(5，5，25 ℃)下的黏度(12，5，0.8 Pa·s)对喷头出口处流速的影响。从图7A可看出，针尖上侧速度为2.35 mm/s，经过针头以后速度急剧变化到3.13 mm/s。图7B，C呈现同样的变化规律。同时，研究发现纤维溶液黏度不断减小时，对应针头处溶液挤出速度会不断提高，并且在针头处速度达到了最大值。从图7中可看出，12 Pa·s对应针尖处流速为3.13 mm/s；5 Pa·s对应针尖处流速为5.91 mm/s；0.8 Pa·s对针尖处流速为36.7 mm/s。这可从中得到验证，当打印温度不断提高，明胶纤维溶液需要吸收大量能量来分解大分子链。

2.4 流速实验验证通过上述挤出溶液质量可计算出流速。从图8发现，流速和压力几乎也是呈现指数上升的趋势，随着压力不断增加，对应挤出流速也会不断增加。数值模拟值和实验值有误差，但相差不大，0.16 MPa下实验测试挤出流量为33.7 mm/s，而数值仿真计算值为36.7 mm/s；0.18 MPa下实验测试挤出流量为64.4 mm/s，而数值仿真计算值为61 mm/s；0.20 MPa下实验测试挤出流量为 104.5 mm/s，而数值仿真计算值为121 mm/s；这验证了仿真数值的可靠性，同时也很好地说明了通过数值模拟的准确性。这其中有误差，可能是一些非空因素，比如称量质量、读秒的准确性等。随着压力不断变大，丝宽也会增加，见图9。

2.5 3D生物皮肤支架微观结构从图10可看出，不同喷头直径在不同压力下的挤出丝宽，其中0.21 mm喷头在0.18 MPa下的丝宽为1 400 μm。通过上述模拟和实验发现，温度在5 ℃时挤出速度过小，25 ℃左右时喷头流速均会大于30 mm/s，而15 ℃左右喷头挤出速度为6 mm/s左右，6 mm/s是一个比较合适的挤出速度。选用质量分数5%明胶纤维溶液、温度15 ℃、喷头行走速度30 mm/s、压力0.18 MPa、喷头直径0.21 mm时，挤出的丝宽范围在1 400 μm左右。

通过上述打印条件，打印2 mm层厚的22 mm×22 mm正方形皮肤支架，其结构示意图见图11所示，通过排水法可计算到支架的孔隙率在57%左右。

将上述条件打印下的支架进行冷冻干燥，微观显微镜观察可看出支架行与列分布较均匀，层与层之间结合非常牢固，整个支架形态保持不变，见图12。因此所构建的支架可作为组织细胞的基质载体，用于人工组织构建。

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引言

皮肤烧伤损坏已成为临床工作者面临的一个重大的问题^[1-2]，其原因在于自体移植不足、异体移植排斥。组织工程技术是一门集细胞学、工程学、材料科学和生物医学为一体的交叉学科^[3]。传统的制造技术，如静电纺丝技术、相分离等支架制备方法，只能在某些特定范围内控制支架的孔隙率、结构尺寸和连通性，而不能实现整体结构的控制和异质性支架的构建^[4-5]。传统制造技术构建的皮肤支架组织，在植入细胞时容易造成细胞分布不均匀，生理表现与正常生理状态下皮肤相比存在巨大差异^[6]，这种传统的制造技术并不能满足临床修复的实际需求。3D生物打印的出现为皮肤组织工程提供了另一种可行的方法。3D生物打印技术是将3D打印技术应用到组织工程中，可实现具有复杂生理结构的一种制造方法^[6-7]。3D生物打印技术是3D打印技术的一个分支，通过增材制造的原理将复杂器官结构离散成一系列的二维层状结构，这种构建方法显著降低了复杂器官的构建难度^[8-9]。特别在一些异质性组织的构建方面，3D生物打印技术突破了传统制造技术的局限^[10-11]。在3D打印过程中，有希望构建包含血管及附属器官在内的完整皮肤结构^[12-13]，也可单层打印皮肤支架，再进行细胞的后期培养^[14-15]，或是将细胞混合到支架材料中进行混合打印^[16]。

但对于明胶纤维这种生物打印材料，现有的研究还没有提出如何解决打印过程中出堆积和断丝的情况，这关系到打印支架的孔隙率大小问题。在实际打印过程中也会出现打印材料的堆积和断丝现象，见图1，2。为了解决打印过程中关于打印材料的堆积和断丝现象，通过杭州捷诺飞公司生产的Bio-Architect型3D生物打印机和美国ANSYS开发的有限元软件Fluent进行数值模拟，以获得合理的挤出压强、黏度、喷头行走速度、喷头直径、温度参数，这对明胶纤维支架的构建具有重大意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计 CFD模拟和实验。

1.2 时间及地点实验于2017年12月至2018年2月在扬州大学草业机械实验室完成。

1.3 材料明胶(扬州麦克林生物试剂有限公司)；纤维素(扬州永丰造纸有限公司)；旋转流变仪(上海赞维衡器有限公司)；万分位电子天平(上海赛默飞有限公司)；3D生物打印机(杭州捷诺飞生物科技有限公司)。

在扬州大学草业机械实验室配置质量分数4%，5%，6%的明胶纤维生物材料。取4，5，6 g明胶粉末分别溶于100 mL蒸馏水中，然后用碱性剂调节值pH值为8左右，与纤维素进行均匀搅拌，33 ℃静置。然后再经pH 4.0的酸溶液交联到一定时间，可得到不同质量分数的明胶纤维溶液。

1.4 实验方法

1.4.1 黏度、密度测试

黏度测试：将明胶纤维溶液放置在测试平台上，通过控制软件控制锥盘向下移动，与明胶纤维溶液留有 0.51 mm的接触。将溢出四周的多余材料清除干净，开启温度控制装置，设置温度(5，15，25 ℃)，控制明胶纤维材料的测试环境，设置锥盘旋转的剪切速率为0.000 1- 100 r/min。打开软件保存测试数据。

密度测试：在冰箱中，设置明胶纤维溶液的保温环境(5，15，25 ℃)。对应称一下量筒质量m₀，然后将明胶溶液用针筒取出，注入进量筒，放入到电子天平称一下质量m₁，通过密度公式进行计算。密度计算公式：

1.4.2 三维有限元分析

建立三维模型：利用Solidworks建立喷头的实际模型。喷头流道直径为15.71 mm，流道长度为96 mm，针头的长度为32 mm，针头的直径为0.21 mm。将喷头的三维模型保存成.STEP格式，喷头的物理模型，见图3所示。

边界条件与网格的划分：通过Solidworks建立打印喷头模型，导入到ANSYS FLUENT软件。喷头的物理模型和网格划分：BS1端口为气体挤压的入口，BS2为壁面，BS3为溶液挤出出口。通过将建立物理模型导入到ANSYS FLUENT中，进行网格划分，划分好的网格示意图，见图4所示。观察打印压力为0.16，0.18，0.2 MPa下，喷头不同直径(0.21，0.26，0.41 mm)针尖处流场的变化情况。喷头网格划分大小为3 mm，考虑打印过程中的温度变化，采用了能量方程Energy-on方程和K-epsilon方程^[17-19]。其中考虑到重力对材料挤出的影响，所以在Y轴方向设置重力为-9.81 m/s^2[20]。对计算结果进行可视化处理，对于计算结果必须要保证其收敛^[21-22]。塑料针筒物料参数：密度为 1 040 kg/m³，比热容为1 255 J/kg-K，热传导系数为 0.18 W/(m·K)。明胶纤维溶液的物料参数为比热容 1 236 J/kg-K，热传导系数1 183 W/(m·K)。

1.4.3 流速测试流量和流速影响整个生物支架的结构形态和挤出纤维状态，在25 ℃下选用质量分数5%的明胶纤维溶液，在不同压力(0.16，0.18，0.2 MPa)下研究 0.21 mm喷头直径针尖处的挤出流量和速度大小。测试方法采用体积法^[23]，测出20 s内挤出溶液的体积，通过密度公式可得到流量的计算方法，其计算公式为^[24]：

1.5 主要观察指标不同温度下明胶纤维的黏度和密度；不同条件下喷头出口处的流速大小。

1.6 统计学分析通过方差齐次检验，两独立样本t 检验对比不同打印条件下的丝宽，P < 0.05表明差异有显著性意义。

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讨论

皮肤损伤问题已成为临床医学面临的一个重要问题^[26-27]。自从20世纪80年代组织工程技术得到了迅速发展，组织工程皮肤产品也层出不穷。但中国的组织工程皮肤技术起步较晚，中国的生物医学专家已意识到组织工程皮肤在临床中具有重要意义，因而加快了皮肤支架产品的研发速度^[28-29]。目前，传统的组织工程制造技术无法构建异质性组织，比如静电纺丝技术、相分离法等^[30-31]。

实验采用的3D生物打印技术，克服了传统组织工程制造技术无法控制内部微观结构的缺陷。喷头模型为针筒状，并且配有针头。实验通过ANSYS FLUENT对喷头进行内部流场数值分析，采用3D打印技术按照设计的实际打印参数，将明胶纤维材料层层叠加进行精确打印，通过ANSYS FLUENT数值仿真分析为实验提供指导意义。

生物支架材料的选择比较重要，理想的生物3D皮肤支架应该具有良好的生物相容性、降解性和力学性能^[32-33]。明胶是一种大分子亲水胶体，是一种具有良好生物相容性的天然高分子材料，其另外一个优点为降解物容易被吸收，不会产生炎症反应。但明胶没有较强的力学性能，而纤维素是从秸秆、草物植被中提取出来的一种材料，其具有良好的力学性能^[34-35]。所以明胶和纤维素的交联产物-明胶纤维溶液兼具了二者的优点。黏度在4-30 Pa·s之间的明胶纤维更易成型，使得挤出的皮肤支架具有较强的力学性能^[36]。

支架的孔隙率大小是评价支架质量高低的一个重要指标。实验通过CFD仿真与实验相互结合的方法，解决了明胶纤维在挤出过程中堆积和不连续的问题。选用质量分数5%明胶纤维溶液、温度15 ℃、喷头行走速度30 mm/s、压力0.18 MPa、喷头直径0.21 mm时，丝宽保持在1 400 μm之间，可保证明胶纤维支架具有良好的孔隙率，并且层与层之间结合稳定牢固，可保证打印出来的支架不易产生变形、坍塌的现象。也有利于植入细胞的生长分化和营养物质的传输，以及废弃物的排泄。

综上所述，明胶纤维材料可作为构建皮肤支架的理想材料，并且在上述打印条件下能构建出具有良好孔隙率、生物相容性、降解性的皮肤支架，但作者此次实验未涉及细胞培育实验分析。

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面向皮肤支架3D生物打印喷头的CFD模拟与实验

3D bioprinted nozzle for skin scaffolds: CFD simulation and experiments

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