专利名称：用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法
技术领域：
本发明属于机械结构技术领域，涉及打印机喷头，特别是一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，利用该方法设计的压电式喷头可用于实现高粘度生物制剂的喷射，解决喷孔堵塞的问题并且可以有效地提高细胞的存活率。
背景技术：
细胞打印技术是快速成型技术和生物制造技术的有机结合，可以解决传统组织工程难以解决的问题，在生物医学的基础和应用研究中有着广阔的发展前景。在传统的组织工程中，对受损器官的修复主要是将细胞在体外培养扩增后，附着在预先设计好的生物支架材料上，构成“细胞+支架”的复合体，再植入机体中相应的病损部位。而细胞打印技术是运用发育生物学中细胞自行组装的原理，就如胚胎组织形成功能性结构一样，通过逐层打印细胞可以形成三维组织结构。Saunders Rachel E, Gough Julie E在《Biomaterials》，2008年 I 月第 2期发表的论文“Delivery of Human Fibroblast Cells by PiezoelectricDrop-On-Demand Inkjet Printing”的研究表明:细胞打印不但可行,而且是人工器官制造最有前景的途径之一。通常，所有现有的细胞打印技术可大致分为2种，第一种为激光直写技术，另一种为基于喷墨打印的细胞喷射技术。激光直写细胞打印技术，其优点在于无需喷头，不会出现喷孔堵塞的情况，并且可以喷射物性参数各异的生物制剂。但是，激光直写细胞打印技术也存在着很大的缺点，利用该技术喷射出的墨滴的速度一般达到50m/s 100m/S之间，并且喷射过程中会产生局部高温，这些都会对喷射的细胞造成伤害。Yafu Lin, Yong Huang, Gaoyan Wang等在《Journalof Applied Physics》, 2009 年第 106 期发表的论文“Effect of Laser Fluence on YeastCell Viability in Laser-assisted Cell Transfer” 中说明:即使对于耐受能力较强的酵母细胞，仍有约10% 55%的细胞在打印后失去活性。基于喷墨打印的细胞喷射技术，主要包括热泡式和压电式两大类。ThomasBoland, Tao Xu 等在《Biotechnology Journal)), 2006 年 9 月第 9 期发表的论文“Application of inkjet printing to tissue engineering，，中使用 Canon Bubble Jet 和HP Desk jet 型喷墨打印机，打印出鸡胚胎神经元细胞和鹌鹑的胚胎干细胞。YamazoeHironori, Tanabe Toshizu 在((Journal of Biomedical Materials Research)) , 2009 年
12月第 4 期发表的论文“Cell Micropatterning on An Albumin-based Substrate UsingAn Inkjet Printing Technique”介绍了使用喷墨打印机打印聚乙烯亚胺形成了有图案和字体的清蛋白基板。与热喷墨技术相比，压电喷墨打印技术由于其打印速度更快、对生物材料的损伤更小而应用范围更广。热泡式喷墨打印中，管道中的最高温度可达300°C，会破坏细胞或生物材料的内部结构。所以大部分研究均采用压电喷墨技术来打印细胞、生物材料和有机材料等。然而，Ji Suk Choi, Jae Dong Kim等在《Polymer》，2010年5月第10期发表的论文 “Piezoelectric inkjet printing of polymers: Stem cell patterning onpolymer substrates”中提到压电式打印方式只适应于粘度小于IOmPa.S、表面张力30 70mN/m、细胞浓度低于106cell/ml的生物制剂的喷射，否则根本无法喷出或引起喷孔堵塞从而使打印失效。此外，压电打印过程中喷头内部的压力较大，容易造成细胞损伤。RobertChang和Jae Nam等人在《Tissue Engineering》，2008年I月第I期发表的论文“Effectsof Dispensing Pressure and Nozzle Diameter on Cell Survival from Solid FreeformFabrication - Based Direct Cell Writing”中通过一系列实验证明了喷头管道中的压力过大是造成细胞受损的主要原因。综上所述，目前细胞打印多是将培养好的细胞装载在干净的墨盒中使用商用喷头喷射，由于此类喷头是为喷射墨水设计的，在喷射具有不同物性参数的生物制剂时存在两个主要问题，其一是难以喷出高粘度、高密度的液体，喷射时容易造成喷孔堵塞，其二是喷射过程中产生的高压力容易使得细胞丧失活性，从而严重地阻碍了细胞打印的工程应用。
发明内容
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，提供一种基于结构和控制相集成的压电式喷头优化设计方法，以同时考虑喷头的结构和驱动控制参数，来解决喷射高粘度液体时喷孔堵塞的问题，并且通过使打印过程中喷墨通道的最大压力最小，来最大限度地降低细胞的受损率。实现本发明的技术方案是，分别以压电致动器的结构有限元分析和喷头的流体动力学分析为基础，实现驱动脉宽自动地匹配压力波周期，以使压电致动器效率最高；同时针对用户对液滴形成过程的要求，构建压电式喷头的结构和控制集成优化模型；通过优化确定满足高黏度液滴喷射且使通道内最大压力最小的结构和控制设计变量数值。具体步骤包括如下:
(I)针对一个预先设定其结构形状的压电式喷头，设置喷头的初始结构参数d，以及喷头的初始控制参数P和所喷射的液体的特性；所述喷头的初始结构参数d，包括压电致动器的长度I1、宽度W1、高度Ii1，压力管道的长度I2、宽度W2、高度h2，连接管道的长度I3、宽度W3、高度h3，喷嘴长度In，喷嘴入口端直径(I1和嗔嘴出口端直径d2 ；所述喷头的初始控制参数P，包括驱动电压的幅值Vp、脉宽Wp和上升沿时间ts ；所述液体的特性，包括液体的密度P、黏度μ、表面张力V和液体中声速c ；(2)根据喷头的控制参数P和压电致动器的结构参数I1^1和Ill，利用ANSYS软件建立压电致动器在给定驱动电压下对应的结构有限元模型，并对其进行求解，得到有限元模型中指定单元对应的节点速度Ve ；(3)根据喷头的结构参数d及液体的特性和步骤(2)得到的速度Ve，利用FL0W-3D软件建立压电式喷头在给定的速度激励下的计算流体动力学模型，并对其进行求解，得到流体动力学分析结果，即液滴的个数I，液滴的速度Vd和第e个单元在第j个时刻的液体压力Pej, e=l,…，n1; j=l,…，n2, Ii1为流体动力学模型的单元总数，n2为流体动力学模型求解的时间点总数；(4)根据步骤(3)中得到的各单元的压力pej，得出喷墨通道中点处的压力pmj，其中单元编号m等于(1+ηι)/2向下圆整后的数值；
(5)根据步骤(4)中得到的喷墨通道中点处的压力Pmj，取其第一个波谷和第一个波峰之间的时间差值td;(6)比较驱动电压脉宽Wp和时间差值td的大小，如果两者相等，则执行步骤(7)；如果不相等则令Wp等于td，返回步骤(2)；(7)选取结构参数和控制参数为优化设计变量，根据步骤(3)中得到的流体动力学分析结果液滴个数I，液滴速度Vd和液体压力P#建立优化数学模型:(7a)选取结构参数12、W2, h2和控制参数\、Is为优化设计变量，根据用户对结构参数的限定条件确定优化变量的取值范围；(7b)选取喷射过程中液滴的个数I和液滴的速度Vd为工作状态约束条件，根据用户对液滴速度的要求确定Vd的取值；根据压电式喷头的应用要求，确定液滴个数约束:I=I ;(7c)定义pmax为喷射过程中喷墨通道的最大压力值，表示为
权利要求
1.一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，包括如下步骤: (1)针对一个预先设定其结构形状的压电式喷头，设置喷头的初始结构参数d，以及喷头的初始控制参数P和所喷射的液体的特性； 所述喷头的初始结构参数d，包括压电致动器的长度I1、宽度W1、高度Ii1，压力管道的长度I2、宽度W2、高度h2，连接管道的长度I3、宽度W3、高度h3，喷嘴长度In，喷嘴入口端直径Cl1和喷嘴出口端直径d2 ； 所述喷头的初始控制参数P，包括驱动电压的幅值Vp、脉宽wp和上升沿时间ts ； 所述液体的特性，包括液体的密度P、黏度μ、表面张力V和液体中声速c ; (2)根据喷头的控制参数P和压电致动器的结构参数I1^1和Ii1，利用ANSYS软件建立压电致动器在给定驱动电压下对应的结构有限元模型，并对其进行求解，得到有限元模型中指定单元对应的节点速度Ve ； (3)根据喷头的结构参数d及液体的特性和步骤(2)得到的速度Ve，利用FL0W-3D软件建立压电式喷头在给定的速度激励下的计算流体动力学模型，并对其进行求解，得到流体动力学分析结果，即液滴的个数I，液滴的速度Vd和第e个单元在第j个时刻的液体压力Pej e=l,…，Ii1, j=l,…，n2, Ii1为流体动力学模型的单元总数，n2为流体动力学模型求解的时间点总数； (4)根据步骤(3)中得到的各单元的压力p#得出喷墨通道中点处的压力pmj，其中单元编号m等于(1+叫)/2向下圆整后的数值； (5)根据步骤(4)中得 到的喷墨通道中点处的压力Pmj，取其第一个波谷和第一个波峰之间的时间差值td; (6)比较驱动电压脉宽wp和时间差值td的大小，如果两者相等，则执行步骤(7);如果不相等则令wp等于td，返回步骤(2)； (7)选取结构参数和控制参数为优化设计变量，根据步骤(3)中得到的流体动力学分析结果液滴个数I，液滴速度Vd和液体压力P#建立优化数学模型: (7a)选取结构参数12、W2, h2和控制参数\、Is为优化设计变量，根据用户对结构参数的限定条件确定优化变量的取值范围； (7b)选取喷射过程中液滴的个数I和液滴的速度Vd为工作状态约束条件，根据用户对液滴速度的要求确定Vd的取值；根据压电式喷头的应用要求，确定液滴个数约束:1=1 ; (7c)定义pmax为喷射过程中喷墨通道的最大压力值，表示为
2.根据权利要求1所述的用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，其中步骤(I)所述的压电式喷头的结构，主要是由压电致动器、蓄墨池、喷墨通道及喷嘴组成，其中喷墨通道又分为压力管道和连接管道，且喷墨通道的一端与蓄墨池相连，另一端与喷嘴相连；压力管道一侧分布有等长的压电致动器。
全文摘要
本发明公开了一种用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法，主要解决现有压电式喷头在细胞打印时喷孔易堵塞和细胞成活率低的问题，其实现步骤是以压电致动器的结构有限元模型为基础，求解指定节点的速度；根据初始参数和所得的速度建立喷头的计算流体动力学模型并求解，得到液滴形成的情况和喷头内各处压力；根据所得压力求出压力波周期并相应调整电压脉宽，重新求解相应结果；针对用户对液滴形成的要求，建立优化数学模型并利用数值优化算法求解，得到满足用户要求且通道最大压力最小的设计参数设计压电式喷头。本发明解决了压电式喷头打印高粘度细胞溶液时堵孔及细胞存活率低的问题，实现了喷头的机电综合设计。
文档编号G06F17/50GK103218479SQ201310091108
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月20日 优先权日2013年3月20日
发明者黄进, 范健宇, 徐荣泽, 张洁, 白诚, 胡飞飞 申请人:西安电子科技大学