[发明专利]一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法

说明书

本发明公开了一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，涉及水凝胶沉积成型技术领域。该方法包括：构建水凝胶处于低剪切应力状态下水凝胶沉积成型过程的有限元模型；设计正交实验，分析工艺参数对线条成型率和打印偏移量的影响规律，得到影响线条成型率和打印偏移量的工艺参数权重排名；设计响应曲面实验，采用二阶无偏差估计的响应曲面模型进行逼近拟合，得到线条成型率和打印偏移量关于工艺参数的拟合方程；根据线条成型率和打印偏移量关于工艺参数的拟合方程，对线条成型率和打印偏移量进行最优化求解，得到最佳工艺参数组合。本发明以正交实验法和响应曲面法代替了计算量巨大的全面实验法，简化了实验过程且结果可靠。

技术领域

本发明涉及水凝胶沉积成型技术领域，特别涉及一种基于有限元分析的3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数的协同优化方法。

背景技术

由外部创伤、衰老、疾病等诸多诱因造成的组织或器官缺损是人们在日常生活中十分常见病症，也是影响人们人体健康的重要因素。目前，临床上针对组织器官缺损的治疗方式可分为两种：药物治疗和手术治疗。其中，药物治疗主要是通过药物缓解疼痛，而无法根治病症，长时间下来伤口还可能发生进一步的恶化。手术治疗主要则是通过移植手术，将自体/异体移植物移植到组织缺损处，从而达到治疗的效果，这种方式由于自体移植的移植物来源有限，且往往会给患者带来新的创伤，且异体移植会面临免疫排斥、感染等问题。然而，近年来，3D生物打印技术的蓬勃发展为组织器官缺损修复提供了一种全新的组织工程方法。

在组织工程领域，有学者提出使用内嵌细胞的生物墨水直接成型功能性生物组织支架，这种含细胞的生物打印技术不仅能够满足传统组织工程对于生物相容性、力学强度、孔隙结构和降解率等方面的要求，还可以实现支架内细胞生长因子等活性成分的精准铺放，这一特点有益于促进细胞的定向分化，加快组织缺损的修复进程。目前，3D生物打印技术已在组织工程领域得到了广泛的应用，且根据打印原理的不同，打印技术可分为喷墨式打印、激光式辅助打印和挤出式打印。三种打印技术中挤出式打印是最简单、应用范围最广的打印方式，由于操作简单、成本低廉、材料兼容性高，且打印过程中无高能高毒环节，细胞成活率可达40～95％，被人们认为是最佳的生物打印技术之一，且已广泛用于软骨、皮肤、血管等组织器官的制造。

水凝胶凭借其与天然细胞外基质相似的结构和物理化学性质，已在血管、心脏、皮肤、神经、肌肉、肝脏等软组织工程领域中展现出了巨大的潜力，受到了研究人员广泛的关注。在利用水凝胶进行挤出式打印过程中，诸多的工艺参数都会影响最终的沉积结果，而沉积结果又会影响构建的三维模型的生物特性，导致最终影响组织器官的打印效果和打印精度，所以探究一组优异的水凝胶成型工艺参数对于水凝胶3D生物打印来说非常重要。

目前，工艺参数确定的实验通常采用的是全面实验法，全面实验法的实验次数多、实验过程复杂、计算量巨大，从而影响了计算效率。

发明内容

针对上述背景技术提出采用全面实验法确定工艺参数时，其计算效率低的问题，本发明提供一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法。

本发明实施例提供的一种3D生物打印水凝胶沉积成型工艺参数协同优化方法，该方法包括：

构建水凝胶处于低剪切应力状态下水凝胶沉积成型过程的有限元模型；

设计正交实验，分析工艺参数对线条成型率和打印偏移量的影响规律，得到影响线条成型率和打印偏移量的一次工艺参数权重排名；

设计响应曲面实验，采用二阶无偏差估计的响应曲面模型对响应曲面实验的实验数据进行逼近拟合，得到线条成型率和打印偏移量分别关于工艺参数的拟合方程；并对两个拟合方程进行方差分析，得到影响线条成型率和打印偏移量的二次工艺参数权重排名；

根据一次工艺参数权重排名和二次工艺参数权重排名一致的两个拟合方程，对线条成型率和打印偏移量进行最优化求解，得到最佳工艺参数组合。