專利名稱：用于細(xì)胞打印的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，涉及打印機(jī)噴頭，特別是一種用于細(xì)胞打印的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用該方法設(shè)計(jì)的壓電式噴頭可用于實(shí)現(xiàn)高粘度生物制劑的噴射，解決噴孔堵塞的問題并且可以有效地提高細(xì)胞的存活率。
背景技術(shù)：
細(xì)胞打印技術(shù)是快速成型技術(shù)和生物制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以解決傳統(tǒng)組織工程難以解決的問題，在生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中有著廣闊的發(fā)展前景。在傳統(tǒng)的組織工程中，對受損器官的修復(fù)主要是將細(xì)胞在體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，附著在預(yù)先設(shè)計(jì)好的生物支架材料上，構(gòu)成“細(xì)胞+支架”的復(fù)合體，再植入機(jī)體中相應(yīng)的病損部位。而細(xì)胞打印技術(shù)是運(yùn)用發(fā)育生物學(xué)中細(xì)胞自行組裝的原理，就如胚胎組織形成功能性結(jié)構(gòu)一樣，通過逐層打印細(xì)胞可以形成三維組織結(jié)構(gòu)。Saunders Rachel E, Gough Julie E在《Biomaterials》，2008年 I 月第 2期發(fā)表的論文“Delivery of Human Fibroblast Cells by PiezoelectricDrop-On-Demand Inkjet Printing”的研究表明:細(xì)胞打印不但可行,而且是人工器官制造最有前景的途徑之一。通常，所有現(xiàn)有的細(xì)胞打印技術(shù)可大致分為2種，第一種為激光直寫技術(shù)，另一種為基于噴墨打印的細(xì)胞噴射技術(shù)。激光直寫細(xì)胞打印技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于無需噴頭，不會出現(xiàn)噴孔堵塞的情況，并且可以噴射物性參數(shù)各異的生物制劑。但是，激光直寫細(xì)胞打印技術(shù)也存在著很大的缺點(diǎn)，利用該技術(shù)噴射出的墨滴的速度一般達(dá)到50m/s 100m/S之間，并且噴射過程中會產(chǎn)生局部高溫，這些都會對噴射的細(xì)胞造成傷害。Yafu Lin, Yong Huang, Gaoyan Wang等在《Journalof Applied Physics》, 2009 年第 106 期發(fā)表的論文“Effect of Laser Fluence on YeastCell Viability in Laser-assisted Cell Transfer” 中說明:即使對于耐受能力較強(qiáng)的酵母細(xì)胞，仍有約10% 55%的細(xì)胞在打印后失去活性?；趪娔蛴〉募?xì)胞噴射技術(shù)，主要包括熱泡式和壓電式兩大類。ThomasBoland, Tao Xu 等在《Biotechnology Journal)), 2006 年 9 月第 9 期發(fā)表的論文“Application of inkjet printing to tissue engineering，，中使用 Canon Bubble Jet 和HP Desk jet 型噴墨打印機(jī)，打印出雞胚胎神經(jīng)元細(xì)胞和鵪鶉的胚胎干細(xì)胞。YamazoeHironori, Tanabe Toshizu 在((Journal of Biomedical Materials Research)) , 2009 年
12月第 4 期發(fā)表的論文“Cell Micropatterning on An Albumin-based Substrate UsingAn Inkjet Printing Technique”介紹了使用噴墨打印機(jī)打印聚乙烯亞胺形成了有圖案和字體的清蛋白基板。與熱噴墨技術(shù)相比，壓電噴墨打印技術(shù)由于其打印速度更快、對生物材料的損傷更小而應(yīng)用范圍更廣。熱泡式噴墨打印中，管道中的最高溫度可達(dá)300°C，會破壞細(xì)胞或生物材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以大部分研究均采用壓電噴墨技術(shù)來打印細(xì)胞、生物材料和有機(jī)材料等。然而，Ji Suk Choi, Jae Dong Kim等在《Polymer》，2010年5月第10期發(fā)表的論文 “Piezoelectric inkjet printing of polymers: Stem cell patterning onpolymer substrates”中提到壓電式打印方式只適應(yīng)于粘度小于IOmPa.S、表面張力30 70mN/m、細(xì)胞濃度低于106cell/ml的生物制劑的噴射，否則根本無法噴出或引起噴孔堵塞從而使打印失效。此外，壓電打印過程中噴頭內(nèi)部的壓力較大，容易造成細(xì)胞損傷。RobertChang和Jae Nam等人在《Tissue Engineering》，2008年I月第I期發(fā)表的論文“Effectsof Dispensing Pressure and Nozzle Diameter on Cell Survival from Solid FreeformFabrication - Based Direct Cell Writing”中通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了噴頭管道中的壓力過大是造成細(xì)胞受損的主要原因。綜上所述，目前細(xì)胞打印多是將培養(yǎng)好的細(xì)胞裝載在干凈的墨盒中使用商用噴頭噴射，由于此類噴頭是為噴射墨水設(shè)計(jì)的，在噴射具有不同物性參數(shù)的生物制劑時(shí)存在兩個(gè)主要問題，其一是難以噴出高粘度、高密度的液體，噴射時(shí)容易造成噴孔堵塞，其二是噴射過程中產(chǎn)生的高壓力容易使得細(xì)胞喪失活性，從而嚴(yán)重地阻礙了細(xì)胞打印的工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于結(jié)構(gòu)和控制相集成的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以同時(shí)考慮噴頭的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動控制參數(shù)，來解決噴射高粘度液體時(shí)噴孔堵塞的問題，并且通過使打印過程中噴墨通道的最大壓力最小，來最大限度地降低細(xì)胞的受損率。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，分別以壓電致動器的結(jié)構(gòu)有限元分析和噴頭的流體動力學(xué)分析為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動脈寬自動地匹配壓力波周期，以使壓電致動器效率最高；同時(shí)針對用戶對液滴形成過程的要求，構(gòu)建壓電式噴頭的結(jié)構(gòu)和控制集成優(yōu)化模型；通過優(yōu)化確定滿足高黏度液滴噴射且使通道內(nèi)最大壓力最小的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)變量數(shù)值。具體步驟包括如下:
(I)針對一個(gè)預(yù)先設(shè)定其結(jié)構(gòu)形狀的壓電式噴頭，設(shè)置噴頭的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)d，以及噴頭的初始控制參數(shù)P和所噴射的液體的特性；所述噴頭的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)d，包括壓電致動器的長度I1、寬度W1、高度Ii1，壓力管道的長度I2、寬度W2、高度h2，連接管道的長度I3、寬度W3、高度h3，噴嘴長度In，噴嘴入口端直徑(I1和嗔嘴出口端直徑d2 ；所述噴頭的初始控制參數(shù)P，包括驅(qū)動電壓的幅值Vp、脈寬Wp和上升沿時(shí)間ts ；所述液體的特性，包括液體的密度P、黏度μ、表面張力V和液體中聲速c ；(2)根據(jù)噴頭的控制參數(shù)P和壓電致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)I1^1和Ill，利用ANSYS軟件建立壓電致動器在給定驅(qū)動電壓下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型，并對其進(jìn)行求解，得到有限元模型中指定單元對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)速度Ve ；(3)根據(jù)噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)d及液體的特性和步驟(2)得到的速度Ve，利用FL0W-3D軟件建立壓電式噴頭在給定的速度激勵(lì)下的計(jì)算流體動力學(xué)模型，并對其進(jìn)行求解，得到流體動力學(xué)分析結(jié)果，即液滴的個(gè)數(shù)I，液滴的速度Vd和第e個(gè)單元在第j個(gè)時(shí)刻的液體壓力Pej, e=l,…，n1; j=l,…，n2, Ii1為流體動力學(xué)模型的單元總數(shù)，n2為流體動力學(xué)模型求解的時(shí)間點(diǎn)總數(shù)；(4)根據(jù)步驟(3)中得到的各單元的壓力pej，得出噴墨通道中點(diǎn)處的壓力pmj，其中單元編號m等于(1+ηι)/2向下圓整后的數(shù)值；
(5)根據(jù)步驟(4)中得到的噴墨通道中點(diǎn)處的壓力Pmj，取其第一個(gè)波谷和第一個(gè)波峰之間的時(shí)間差值td;(6)比較驅(qū)動電壓脈寬Wp和時(shí)間差值td的大小，如果兩者相等，則執(zhí)行步驟(7)；如果不相等則令Wp等于td，返回步驟(2)；(7)選取結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，根據(jù)步驟(3)中得到的流體動力學(xué)分析結(jié)果液滴個(gè)數(shù)I，液滴速度Vd和液體壓力P#建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型:(7a)選取結(jié)構(gòu)參數(shù)12、W2, h2和控制參數(shù)\、Is為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，根據(jù)用戶對結(jié)構(gòu)參數(shù)的限定條件確定優(yōu)化變量的取值范圍；(7b)選取噴射過程中液滴的個(gè)數(shù)I和液滴的速度Vd為工作狀態(tài)約束條件，根據(jù)用戶對液滴速度的要求確定Vd的取值；根據(jù)壓電式噴頭的應(yīng)用要求，確定液滴個(gè)數(shù)約束:I=I ;(7c)定義pmax為噴射過程中噴墨通道的最大壓力值，表示為
權(quán)利要求
1.一種用于細(xì)胞打印的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟: (1)針對一個(gè)預(yù)先設(shè)定其結(jié)構(gòu)形狀的壓電式噴頭，設(shè)置噴頭的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)d，以及噴頭的初始控制參數(shù)P和所噴射的液體的特性； 所述噴頭的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)d，包括壓電致動器的長度I1、寬度W1、高度Ii1，壓力管道的長度I2、寬度W2、高度h2，連接管道的長度I3、寬度W3、高度h3，噴嘴長度In，噴嘴入口端直徑Cl1和噴嘴出口端直徑d2 ； 所述噴頭的初始控制參數(shù)P，包括驅(qū)動電壓的幅值Vp、脈寬wp和上升沿時(shí)間ts ； 所述液體的特性，包括液體的密度P、黏度μ、表面張力V和液體中聲速c ; (2)根據(jù)噴頭的控制參數(shù)P和壓電致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)I1^1和Ii1，利用ANSYS軟件建立壓電致動器在給定驅(qū)動電壓下對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型，并對其進(jìn)行求解，得到有限元模型中指定單元對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)速度Ve ； (3)根據(jù)噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)d及液體的特性和步驟(2)得到的速度Ve，利用FL0W-3D軟件建立壓電式噴頭在給定的速度激勵(lì)下的計(jì)算流體動力學(xué)模型，并對其進(jìn)行求解，得到流體動力學(xué)分析結(jié)果，即液滴的個(gè)數(shù)I，液滴的速度Vd和第e個(gè)單元在第j個(gè)時(shí)刻的液體壓力Pej e=l,…，Ii1, j=l,…，n2, Ii1為流體動力學(xué)模型的單元總數(shù)，n2為流體動力學(xué)模型求解的時(shí)間點(diǎn)總數(shù)； (4)根據(jù)步驟(3)中得到的各單元的壓力p#得出噴墨通道中點(diǎn)處的壓力pmj，其中單元編號m等于(1+叫)/2向下圓整后的數(shù)值； (5)根據(jù)步驟(4)中得 到的噴墨通道中點(diǎn)處的壓力Pmj，取其第一個(gè)波谷和第一個(gè)波峰之間的時(shí)間差值td; (6)比較驅(qū)動電壓脈寬wp和時(shí)間差值td的大小，如果兩者相等，則執(zhí)行步驟(7);如果不相等則令wp等于td，返回步驟(2)； (7)選取結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，根據(jù)步驟(3)中得到的流體動力學(xué)分析結(jié)果液滴個(gè)數(shù)I，液滴速度Vd和液體壓力P#建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型: (7a)選取結(jié)構(gòu)參數(shù)12、W2, h2和控制參數(shù)\、Is為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，根據(jù)用戶對結(jié)構(gòu)參數(shù)的限定條件確定優(yōu)化變量的取值范圍； (7b)選取噴射過程中液滴的個(gè)數(shù)I和液滴的速度Vd為工作狀態(tài)約束條件，根據(jù)用戶對液滴速度的要求確定Vd的取值；根據(jù)壓電式噴頭的應(yīng)用要求，確定液滴個(gè)數(shù)約束:1=1 ; (7c)定義pmax為噴射過程中噴墨通道的最大壓力值，表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于細(xì)胞打印的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中步驟(I)所述的壓電式噴頭的結(jié)構(gòu)，主要是由壓電致動器、蓄墨池、噴墨通道及噴嘴組成，其中噴墨通道又分為壓力管道和連接管道，且噴墨通道的一端與蓄墨池相連，另一端與噴嘴相連；壓力管道一側(cè)分布有等長的壓電致動器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于細(xì)胞打印的壓電式噴頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有壓電式噴頭在細(xì)胞打印時(shí)噴孔易堵塞和細(xì)胞成活率低的問題，其實(shí)現(xiàn)步驟是以壓電致動器的結(jié)構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，求解指定節(jié)點(diǎn)的速度；根據(jù)初始參數(shù)和所得的速度建立噴頭的計(jì)算流體動力學(xué)模型并求解，得到液滴形成的情況和噴頭內(nèi)各處壓力；根據(jù)所得壓力求出壓力波周期并相應(yīng)調(diào)整電壓脈寬，重新求解相應(yīng)結(jié)果；針對用戶對液滴形成的要求，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并利用數(shù)值優(yōu)化算法求解，得到滿足用戶要求且通道最大壓力最小的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)壓電式噴頭。本發(fā)明解決了壓電式噴頭打印高粘度細(xì)胞溶液時(shí)堵孔及細(xì)胞存活率低的問題，實(shí)現(xiàn)了噴頭的機(jī)電綜合設(shè)計(jì)。
文檔編號G06F17/50GK103218479SQ201310091108
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者黃進(jìn), 范健宇, 徐榮澤, 張潔, 白誠, 胡飛飛 申請人:西安電子科技大學(xué)