凝胶的打印平台包括运动系统、气动系统、挤出系统和冷却系统。运动系统指XYZ三维运动平台,其用来控制凝胶的沉积规律。气动系统由气系和以压控制器组成,用于控制进入针筒的气压,而气压会为凝胶的挤出提供动力。挤出系统包括针筒、加热膜和保温壳,将凝胶温度维持在一定值可以使其在挤出前的粗度保持稳定。冷却系统包括沉积板、半导体冷却片、风扇、水泵和水箱,冷却系统能够保证凝胶在挤出之后迅速固化保持一定精度。
凝胶的3D打印工艺流程,将一定浓度与比例的海藻酸钠溶液和明胶溶液混合,作为生物材料与细胞混合后添加到预先到达保温湿度T1的针筒内,在凝胶打印的过程中,通过半导体冷却片和风扇将沉积板的温度降至T2(T1>明胶固化温度>T2),通过设置打印参数,凝胶被挤出沉积到冷却板上,明胶在低温下的固化作用使材料保持一定的形状与精度。经过层层堆积,凝胶被打印成型了设定的结构。最后打印完成的3D立体结构被浸泡在氯化钙溶液中,进一步交联定型。
海藻酸钠/明胶凝胶之所以能够在低温下固化定型和与钙盐交联反应定型。凝胶在整个印过程中的状态一共经历了三种变化。第一种状态是海藻酸钠/明胶凝胶还处在37°C保温针筒中的时候,海藻酸钠分子链和明胶分子链被错综复杂地混合在一起:第二种状态是海藻酸钠/明胶凝胶被挤出至沉积板的时候,温度下降使明胶固化,明胶分子链与水产生氢键连接,使凝胶可以牢固保持形状;第三种状态是海藻酸钠/明胶凝胶浸泡在氯化溶液里面的时候,当钙离子进入凝胶中,首先取代海藻酸钠分子中的钠离子,在相邻海藻酸钠分子链之间形成离子键,然后多余的钙离子与明胶分子中的RC00-进行结合。
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